宽带城域网——城市信息化的基础设施

2019-11-03 19:08:31

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供稿：网友

张孟顺浙江省邮电规划设计研究院有限公司工程师摘要：城市信息化是目前我国信息化建设的重点，而宽带城域网作为城市信息化建设的通信基础设施，已成信息业各下属公司争夺的一个热点。本文从宽带城域网的网络层次结构入手探讨了宽带城域网的建设。

关键词：宽带城域网、DWDM、MPLS、宽带接入

一、前言

　　建设的新风景线。城域网作为开放型的综合平台，主要提供数据业务和分组化的话音、图像、视频等多媒体应用的综合业务，其网络传输容量大、信息传送高效化、接入手段多样化，其覆盖范围一般在80KM之内，中继距离为5-7KM，它以宽带光传输为主，其组网结合了广域网和局域网的组网技术。本文主要就骨干层、汇接层和接入层作了探讨。

二、骨干层

　　宽带城域网的骨干层是给业务汇接点提供高带宽的ip业务、ATM业务承载和交换通道，完成和已有网络的互联互通，具有高带宽、大容量的特点，光纤传输网是宽带网络核心层的基础部分。为了提高每根光纤传送SDH信号的速率，通常采用时分复用TDM和波分复用WDM两种方式，随着波分复用技术的不断成熟，DWDM将不断走向城域网，并将成为下一代城域骨干网的主要传输技术。

　　目前，DWDM技术主要应用在广域网中来提高光纤长途网的容量，在实验室已经研制出10Tbit／s的DWDM系统，而1bit／s的DWDM系统将投入商用。由于DWDM具有大容量和波分复用等待性，非常适合在宽带城域网中使用。由于G.652光纤色散补偿的成本随信号的传送速率的增加而提高，难以经济有效地支持10Gbit／s以上的传输速率，DWDM系统易采用新一代的非零色散位移光纤——G.655光纤。

　　城域网的发展趋势是IP宽带网，即IP Over Everything和Everything On IP。由于IP Over ATM、IP Over SDH等协议栈方式存在一定的不足，而提出了一种没有ATM、SDH设备介入的IP Over Fiber。将IP Over Fiber用于城域网有不同的方案，最常见的是Cisco公司推出的动态分组传送双向环网（DPT：Dynamic Packet Transport），它采用空间复用协议（SRP：Spatial Reuse PRotocol）作为MAC层协议，仍采用简化的SDH帧结构，它在光纤上可以直接传送IP包。其网络采用双环结构，且一根光纤环可以分段传输数据，提高了带宽利用率。其网络具有自愈能力，可在50毫秒内恢复IP业务。IP Over DWDM和IP Over Fiber似已成为未来宽带网络一种不可逆转的趋势。

　　城域网的传输网通常分骨干传输设备和边缘传输设备，骨干传输设备之间通常采用SDH或DWDM光传输设备或其混合体构成网状网或环状网，以及网状与环状的结和拓扑结构。而边缘设备与骨干传输设备之间则通常采用环状网。边缘设备至用户端则可以采用多种传输方式，其拓扑可采用星型、环型等多种形式。

　　在传输宽带网建设的技术选择上，ATM和IP技术是现阶段的两个流派。目前的城域网建设中，主要有以ATM交换为核心的骨干网，以IP交换为交换的核心网或两者混用的城域网。

　　1、以ATM交换为核心

　　ATM技术已经是一种成熟和健全的交换技术，它采用面向连接的传送方式，在数据传送之前必须先建立虚通道（VP）或虚通路（VC）等虚链路以进行资源的预定。由于其技术成熟早，目前在国内IP over ATM己得到了大量使用，有多种叠加式的IP Over ATM技术。

　　但由于所有进入ATM网络的IP包都需要分割成固定长度的信元，其造成的开销也大，传输效率较低；而无连接的IP网络同面向连接的ATM网存在着差异，其协议会变得复杂，网络管理变得复杂；当网络速度提高时，其拆分信元的实现成本增加；并且基于ATM实现的IP网络的带宽受限于ATM网络技术本身，这对于超大规模的骨干网不太适合。尽管有不足之处，ATM网在城市电信基础设施中的主导地位仍无法动摇。

　　2、以IP交换为核心

　　以IP交换为核心的城域网可以分为基于Layer3的城域网和基于Layer2的城域网两种。

　　基于Layer3的城域网采用吉比特路由交换机来组建城域网的核心节点。吉比特路由交换机主要针对IP协议和IP新业务进行设计，其性能价格比较高。但其处理能力和吞吐量都得到了大大的提高。吉比特路由交换机之间采用光缆或SDH电路组网，传输速率可以达到2.5Gb／s～10Gb／s，而其设备成本和运行成本要比基于Layer2的城域网高出许多，管理上也较复杂。

　　现在比较典型的基于Layer2的城域网则采用多层交换机以GE Over Fiber的模式运行其城域网采用传统以太网的802.3以太网帧结构，可实现同各种以太局域网的无逢连接，其组网简洁、设备简单、造价低廉、方便管理，迎合了广大以太网投资商的需求，具有极大的市场前景。但它在提供业务种类上存在局限性，只能提供纯IP业务和基于以太网方式的专线业务，不能提供传统的话音业务和ATM、FR中的VC方式的专线业务。

　　3、MPLS技术

　　MPLS简化了ATM和IP的集成技术，将第三层交换（如则IP路由）与第二层交换（如ATM交换）有机地结合了起来，它可在一个无连接的网络中引入连接模型的特征。MPLS是一种在开放的通信网上利用标签引导数据高速、高效传输的新技术。

　　现在欧美各国及东南亚地区有关通信厂商及研究部门正在加紧进行对MPLS的研究工作，虽然其技术尚未成熟，但MPLS作为下一代网络技术已成为业界的共识。不久的将来，MPLS的新一代交换机将主宰城域网的核心交换平台。

三、汇接层

　　宽带城域网的汇接层，主要完成业务汇聚和IP交换处理，是给业务接入节点提供业务的汇聚、管理和分发处理。典型的设备包括各类高中端路由器、L2／L3交换机、以及综合接入服务器等。汇接点的智能业务处理功能主要有以下几点：

　　·对用户进行鉴权、认证、计费管理；

　　·各类隧道的终结与交换；

　　·永久虚电路业务PVC的合并与交换；

　　·流分类；

　　·对ISP进行选择；

　　汇接层又分为城域汇接MSR和区域汇接LSR两个子层：区域汇接负责处理各汇接区域的数据流，而城域汇接完成各区域汇接点之间以及出网数据流的交换。多个区域汇接层节点之间形成环型或者网状结构，与城域汇接节点连接。

四、接入层

　　宽带城域网的接入层，主要利用多种接入技术，完成用户数据的接入，提供多种接入方式和设备，迅速覆盖用户，进行带宽和业务分配，接入节点设备完成多业务的复用和传输，利用光纤、双绞线、同轴电缆等连接到用户。

　　接入层是宽带城域网建设的关键环节，它面向最终的用户，决定了城域网用户最终可享受的带宽能力。其技术分为有线、无线和移动无线接入技术三大类。

　　1、有线接入技术

　　有线接入是指利用光纤、双绞线、5类线和同轴电缆等有线介质实现用户的接入，主要有利用电信部门电话网的铜缆接入资源来解决宽带接入的高速数字环路xDSL技术，在传统铜轴CATV基础上发展起来的HFC接入技术，利用现有计算机局域网5类线的以大网接入方案和直接基于光缆的光纤接入技术FTTX。

　　1）高速数字环路xDSL接入技术

　　基于xDSL技术的铜线接入技术充分利用了现有电话网的双绞铜线通过2B1Q、CAP（无载波调幅调相）、DMT（离散多音）等频带编码技术，挖掘双绞铜线高频段带宽资源，通过带宽倍增技术实现宽带接入，满足高速数据通信的需求。目前已提出的数字用户线（xDSL）技术主要有以下几种：

　　·高比特率数字用户线（HDSL）

　　HDSL是一种对称的高速数字用户环路技术，它是一种对称传输技术，其上行数据和下行数据的链路带宽相同，它是xDSL技术中最成熟的一种，已经得到了较为广泛的应用。现有的HDSL可以在两对铜质双绞线上实现2.048Mbps的传输速率。HDSL是一种在普通铜质双绞线上传输T1／E1的较好方法，其传输性能足以和T1／E1线路相媲美。而且，与T1／E1线路相比，由于HDSL使用了较为先进的调制技术——2B1Q和CAP来进行速率为1.544Mbps或者2.048Mbps的数据传输，其所需频宽远远小于传统的AMI调制技术所需的1.5MHz频宽，因而其传输距离得到了很大的提高。

　　·非对称数字用户线（ADSL）

　　ADSL传输的是不对称的数据流量，其下行线路可提供比上行线路更高的带宽，其上下行线路带宽不相等。它允许在一对双绞铜线上，在不影响现有电话业务的情况下，进行非对称高速数据传输。ADSL上行速率为224Kbps～640Kbps，下行传输速率1.544Mbps～9.2Mbps；传输距离在2.7～5.5公里。

　　实践证明，非对称传输的ADSL技术最适合高速Internet接入及视频点播等应用，最具发展潜力。它是目前电信公司的主要高速接入手段。

　　·对称数字用户线（SDSL）

　　使用一对铜双绞线对在上、下行方向上实现E1／T1传输速率的技术，是HDSL的一个分支。它采用2B1Q线路编码，上行与下行速率相同，传输速率由几百Kbps到2Mbps，传输距离可达3公里左右。

　　·速率自适应数字用户线（RADSL）

　　RADSL能够自动地、动态地根据所要求的线路质量调整自己的速率，为远距离用户提供质量可靠的数据网络接入手段。RADSL是在ADSL基础上发展起来的新一代接入技术，其传输距离可达5.5公里左右。

　　·甚高比特率数字用户线（VDSL）

　　VDSL是ADSL的发展方向，是目前最先进的数字用户线技术。VDSL通常采用DMT调制方式，在一对铜双绞线上实现数字传输，其下行速率可达13～52Mbps，上行速率可达1.5～7Mbps，传输距离约为300米～1.3公里。利用VDSL可以传输高清晰度电视（HDTV）信号；但它仍未实现标准化。

　　·IDSL（ISDN DSL）

　　它上下对称传输（ISDN BRI）数据，叫它IDSL的原因是它的传输速率可达到ISDN的水平，它使用一线对，不同于ISDN的最大特性是其交换数据不通过交换机。

　　·MDSL（Multi-rate DSL）

　　MDSL意指多种速率的数字用户线路。MDSL提供了比ISDN更高的带宽、比HDSL更长的传输距离和更低的价格。MDSL也是对称传输，它在一对铜质双绞线上提供了从256Kbps到1152Kbps的可选择的线路速率，用户可根据线路状况和传输距离及所需的应用来选择不同的传输速率。宽泛的速率选择范围对于不同的应用是非常有用的，比如Internet浏览、远程通信、会议电视、可视游戏以及LAN或WAN的互连等等。

　　MDSL技术可支持的传输距离比SDSL长大约两倍左右， MDSL在0.4毫米线径的线路上以256Kbps的速率最多可传输6.7公里，MDSL也可以通过使用中继器来延长传输距离，MDSL的优势在于其价格便宜，它可以支持广泛的应用。

　　目前，市场上DSL类型多达9种，其中ADSL主要用于最终消费用户，而SDSL则更多地着眼于商务应用领域。

　　2）HomePNA接入

　　HomePNA主要面向高速Internet接入、LAN互连等，应用Phone line Network（电话线组网）是目前组网的一种方式。使用符合HomePNA规范的产品，用户可以利用现存的电话线连接计算机和其它家用设备，与此同时还可进行正常电话通话；HomePNA规范与现存Internet访问技术兼容，如V.90、ADSL或线缆调制解调器。

　　HomePNA技术利用传统电话网络来提供宽带数据接入服务，它为对称式数据传输，同时支持话音和数据传输，可以在打电话的同时进行上网，其双向传输带宽均为1Mbps或10Mbps，其使用可以与ADSL、Cable Modem、以太网技术等结合。它具有速度快、收费低、兔拨号、共享上网、施工简单等特点。它的传输距离太短，长距离的传输仍然需要其它的技术来帮助实现。HomePNA的主要应用是共享Internet访问、共享数据和应用程序以及共享外设，适合于住宅小区、网络互联和宾馆等。

　　3）光纤同轴混合网络HFC接入

　　基于同轴电缆接入的HFC方式是在传统同轴CATV技术基础上发展起来的，它利用频分复用技术实现模拟电视、数字电视、电话和数据的同时传输。其技术充分利用了现有的有线电视网，具有铜线或双绞线所无法比拟的传输带宽。

　　通过Cable Modem利用同轴电缆进行高速数据接入，其下厅传输速率最高能达到36Mbps，上行速率可达到10Mbps。由于HFC网络是典型的“树枝”型网络，存在“噪声漏斗效应”，由于其下行信道是一个广播信道，当网上用户增多时，其实际可以使用的带宽会迅速减少。随着共享用户的增多，每个用户能够得到的36Mbps的带宽会迅速变成只有数百Kbps的上网带宽，另外，其改造的成本较大。它比较适合于当前模拟制式的高质量视频业务和CATV网使用。

　　4）以太网接入

　　以太网技术是目前国内LAN使用最为普遍的网络技术，大约有90％的局域网采用以太网（包含快速以太网和交换式快速以太网等以太网技术）技术在组网。目前以太网协议是与IP配合得最好的协议之一，采用5类非屏蔽双绞线可方便地将以太接口布置到桌面。目前最常用的方式是以太接入网FTTx的结合（FTTx＋LAN），即在光纤到大楼或小区后采用以太接入。

　　近年来，从以太网发展起来的一种新一代以太网接入技术得到了人们的广泛重视，它借用了以太网的帧结构和接口，而网络结构和工作原理都不同于传统以太网。它提供的带宽为：1000兆到小区、100兆到大楼、10兆到家庭，它除了具有高速接入外，还有强大的网管和计费功能，其造价也比较低廉，是目前家庭上网的一种理想接入技术，其接入前景灿烂美好。

　　5）电信部门的数据专线接入

　　为了适应数据业务的发展，近年来电信部门相继建起了X.25、FR、DDN和ATM等数据网络，对于集团用户和企事业单位可以根据带宽需求和所能承担的费用选择不同的接入方式。采用这类接入具有性能稳定、安全性好、覆盖面广等优点，但其建设成本居高不下，用户端的接入设备价格过高，通信资费较高，普通用户难以承担。

　　6）光纤接入网（OAN）

　　OAN是采用光纤传输技术，在本地交换机或远端模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的接入系统。光纤接入系统的主要功能块有光线路终端OLT、光分配网ODN、光网络单元ONU以及接入功能模块AF。在光纤接入网中，根据光网络单元ONU设置位置的不同，光纤接入技术的应用又分为FTTC、FTTB、FTTO、FITH等。

　　·光纤到路边（FTTC）

　　FTTC是将光网络单元ONU设置在路边的入孔或电线杆上的分线盒处，从ONU出来以几米～几十米的铜线引入住宅，为用户提供普通电话业务也可由同轴电缆引入住宅，为用户提供图像业务。FTTC的可靠性高，也便于将来网络的升级和扩容。

　　·光纤到大楼（FTTB）

　　FTTB是将ONU设置在大楼内的配线箱处，再经过大楼内的综合布线系统，将信号传送到每个用户。这种方案常采用点到多点的垦型结构，对于智能化大楼的大中型企事业单位特别适用。它可为用户提供高速数据、可视图文和多媒体通信等宽带业务。

　　·光纤到办公室（FTTO）和光纤到家（FTTH）

　　FTTO和FTTH是将光纤光缆直接敷设到用户端，在用户端设置光端机，实现光／电和电／光转换。交换局至用户间敷设无源光分路器，通过光分器PS采用星型结构的光纤连至用户。它可为用户提供各种宽带业务，是光纤用户网发展的最终目标。但由于光网单元的光端机的成本居高不下，超过用户所能承担的能力，目前实现光纤到用户还不现实。

　　根据OAN中是否采用有源器件，常把光纤用户环路分为有源光纤网络（AON）和无源光纤网络（PON）两类。而PON被视为宽带接入网的首选技术。

　　·有源光纤网络（AON）

　　AON是把交换机送来的信号经光纤、通信系统传送至用户端，再经过基群复用设备接到各种用户接口，最终传送给用户，适宜于用户线平均长度较大，远端节点要求覆盖的用户较多的地方。其结构常采用双星型结构。

　　·无源光纤网络（PON）

　　PON是基于资源共享而设计的，它采用点到多点的分布结构，多种业务信号经过光纤传到靠近用户的ONU单元后，由ONU进行光电转换和信号处理，然后利用舰离的双绞线或同轴电缆为用户提供服务。由于PON的无源光分路器无需机房，所以维护费用很低，同时PON系统还有利于网络的升级，只需通过PON中的ONU的升级，即可实现业务从窄带到宽带的升级，实现向宽带的过渡。它常采用一点到多点的通信方式，一个ONU可连接几十个用户，从而降低工程的费用。由于PON每经过一次1∶2的光分路器，光功率衰耗就高达3dB，其传输距离不是很长；采用掺饵光纤放大器（EDFA），可增加其传输距离，但相应地也增大了成本。PON的组网非常灵活，PON结构可光纤到用户，也可以光纤到路边，由路边的ONU采用其它的技术（如双绞线、固定无线接入、ADSL、HDSL等）接至用户。PON的优点是在开始建设时投资小、使用灵活，大量的费用将推迟到所有宽带业务发展以后支出，适宜于节点用户覆盖面积小，用户线平均长度较短的地方。

　　光接入可灵活地分配带宽，为用户提供各种速率和各种价格的业务。FTTx通常可以结合用户所需要的带宽和服务要求，采用光缆到大楼或小区后采用以太接入到用户桌面（FTTx＋LAN）或采用ATM多业务接入到用户（PON＋ATM多业务）、及采用铜线到用户等多种接入方式。光接入的可扩展性强，其网络结构是SDH环加上光纤分支将信号输送到用户桌面。

　　2、宽带无线接入技术

　　目前在世界上使用的宽带无线接入主要有直接广播卫星（DBS）、本地多点分配业务（LMDS）和多通道分配业务（MMDS）等。宽带无线接入技术可以解决敷设光缆困难且电话基础网络又较差地区用户的接入问题，利用无线信道可实现高速数据传送、电话业务、视频业务及VOD点播等。

　　1）本地多点分配业务（LMDS）

　　LMDS是近年来逐步发展起来的工作在10～40GHz频段范围的宽带无线点对多点接入技术，其可用的频谱带宽最大能达1GHz以上。由于尚未制定国际标准，不同国家分配给LMDS的使用频段不尽相同，不少国家将27.5～29.5GHz作为LMDS的工作频段。目前，我国的无线电频率主管部门也正在进行LMOS的频率规划工作。

　　2）多通道分配业务（MMDS）

　　MMDS能够实现双向的点到多点的宽带传输。MMDS工作在3GHz附近，可用的频谱资源比LMDS少，单传输距离比LMDS远。MMDS一般采用QAM正交幅度调制，其频段起先工作在2.5～2.7GHz，近来一些厂家将频段扩大到了2GHz～4GHz。该技术具有较广泛的应用前景。

　　3）直接广播卫星（DBS）

　　卫星直播系统（DBS）是指利用直播卫星将广播电视节目直接传送到家庭的一种新兴传输系统，直播卫星规划的电视信号波束覆盖范围受国际电信联盟（ITU）保护。它可以为家庭用户提供直接接收信息的功能。它在解决山、河、湖、岛地区，农、牧场区及老、少、边、穷地区的广播电视覆盖问题上，有着其它覆盖方式无可比拟的优势。根据ITU的规划，我国属三区，直播卫星的下行频段KU为：11.7～12.2GHz，并分配给我国3个直播卫星轨道位置（62度E、80度E、92度E）。卫星直播系统的优点有投资少、见效快、覆盖范围广、接收成本低、易于开展图象和数据信息综合业务等。其缺点是广播电视信号存在雨衰（由于直播卫星的转发器工作在KU频段（11.7～12.2GHz），极易导致雨衰现象，虽可以采用适当加大接收天线口径的方法来改善，但相应也增加了投资。

　　3、宽带移动无线接入技术

　　宽带移动无线接入技术是利用目前发展最为火爆的移动通信系统来提供数据移动接入业务。目前中低速的移动数据通信正得到了移动运营商的高度重视，不少移动通信公司推出了移动短消息和移动上网等业务。使用最多的为通用无线分组业务GPRS和WAP相结合的方案，它可向用户提供从9Kbps到多于171.2kbps的接入速率。不过真正的宽带移动无线接入需要在3G移动通信系统投入商用后才能实现。

　　丰富多样的接入方式各有所长，相辅相成，虽然各国都在努力推进用户接入网的光纤化，但具体建设应因地制宜，充分利用现有的电话网络和有线电视网络，灵活地采用多样化的接入手段。

五、结束语

　　宽带城域网建设已成为信息业各运营公司竞争的热点，都想在城市信息化的建设中争得一席之地。谁能建设好面向最终用户的数字化、宽带化、智能化的宽带接入网络，在接入网技术和业务中具有优势，谁就将成为宽带城域网领域中的赢家。

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