|
宽带城域网的发展及应用技术分析
李鲁湘
中国普天信息产业集团公司
从历史上看,城域网(MAN)最初产生于局域网互连和数据新业务发展的需要,在1990年发展成为
IEEE所规范的一种覆盖城域范围的特定新型计算机网络,正式形成并成为分布式排队总线(DQDB)
的IEEE802.6标准。以后随着形式的变化逐渐发展成为各类不同背景新兴运营商的区域性多业
务通信网,传统电信运营商也开始在其相应的局间中继网范围大量建设类似的多业务区域性通信
网。近来城域网已经成为社会和业界关注的热点和竞争点。
一、城域网的基本特征
1、城域网的应用性质不同
城域网是一种主要面向企事业用户的,最大可覆盖城市及其郊区范围的,可提供丰富业务和支持
多种通信协议的公用网,实际是一种带有某些广域网特点的本地应用型公用网。
2、城域网有别于局域网
城域网与局域网的主要区别首先是网络性质不同,局域网是企事业专用网,而城域网是面向公用
网应用和多用户环境的；其次是传输距离的扩张,典型局域网的传输距离为数公里,而城域网范
围可扩展到50--150公司；最后是业务范围的扩张,典型局域网通常主要提供数据业务,而城域网
的业务范围不仅有数据,还有语音和图像等,是全业务网络。
3、城域网有别于广域网(或长途网)
城域网与广域网(或长途网)的主要区别首先是容量,广域网要求很高的容量,而城域网只需中等
容量即可；其次是覆盖距离的缩小,典型的广域网的传输距离可达数千公里；再有是支持的客户
信号不同,广域网目前只支持SDH,将来预计也只有SDH和以太网,而城域网需要支持各种客户层信
号,而且要能很快地提供客户层信号所需的带宽；最后是容许的成本不同,广域网的高容量可由成
千上万的大量客户共享,因而可以容许较高的成本,而城域网不同。特别是城域网的成本关键是节
点,而非线路,而广域网恰好相反。
根据网络结构对网络进行分割,普通电信网络又可划分为核心网、接入网和用户驻地网,运营商的
城域宽带网一般都可分为核心网与接入网两部分。
二、城域核心路由交换技术
网络发展的一大趋势是减少网络层次、简化网络结构,随着IP和DWDM技术的发展,直接采用IP over
DWDM组网会成为新的潮流,也就是说未来的网络将只有IP业务网与DWDM光网络两层,随着时间的推
移,SDH、ATM等二层网络作为独立的网络会逐步消失,其功能会分别融合进IP网络层和光网络层。
但网络的发展是一个逐步演进的过程,由于二层业务今天依然是运营商最挣钱的业务,根据技术发展
现状,在一定的历史阶段独立的二层网络依然有很大的发展空间。基于数据业务是未来的主流业务
这一趋势,多年前业界就公认未来的电信核心网必然基于ATM或IP,但是采用ATM网还是纯IP网作为骨
干平台却在电信界争论了多年,伴随着新世纪的来临这一争论似乎有了一个令双方都满意的结论：
那就是ATM与IP正在不断地从对方吸取优点而逐步走向融合,未来的网络设备将是ATM交换与IP路由
技术的综合体,但会以IP的形象出现,MPLS技术将是双方的结合点,是当今普遍看好的核心路由交换
技术。
90年代中后期,由于IP路由器的速度和功能都很有限,考虑到电信级服务所需要的QoS以及与TDM的兼
容性,传统电信运营商都优选ATM作为数据网络骨干,而专攻IP业务的新兴运营商自然优选路由器做
骨干。跨入新世纪,由于技术的进步,新一代千兆IP路由器的容量与功能越来越强大,为适应技术发
展的潮流,更好地应对IP业务领域激烈的市场竞争和满足用户对IP业务日益增长的需求,许多传统运
营商又新建起大容量IP路由器网络。由于MPLS技术尚未成熟,现阶段ATM网络与IP网络还难以互相取
代,在一定的阶段两网还会共同发展,但ATM宽带网与IP宽带网各有不同的业务定位,例如：北京电信
ATM网主要用来发展二层的高速数据专线业务以及对QoS有严格要求的应用业务,并为ADSL接入提供骨
干平台；而公众IP网主要是提供高速上网、高速端口出租、拨号端口批发、IP VPN、因特网数据中
心(IDC)等业务。
在城域宽带网的建设中,另一个必须重视的技术是千兆以太网,千兆以太网交换机已成为构建城域园
区网和专网的主流手段,但由于目前还存在安全、QoS、计费、管理等问题,将其作为电信运营商公
众宽带网络的核心尚有一定困难。不过随着技术的发展,引入了路由功能的千兆以太网交换机(所谓
的三层交换机)与IP路由器的本质区别越来越模糊,三层交换机的特征之一是在传送层采用千兆以太
网接口(GE接口),与路由器使用的POS接口相比,GE接口的价格更低廉,与大量使用的局域以太网能更
好配合,GE接口的主要问题是缺乏有效的管理与监控功能,如果将来能与具备良好光层保护能力的
DWDM光网络配合使用,GE接口的缺陷可以由光网络层来弥补,也就是说可以由光网络层完成SDH才具
有的保护恢复机制与管理功能,况且有望在2001年商用的更高速率的以太网接口10Gbps已注意克服
了目前ＧＥ接口的一些缺陷,因此未来基于千兆以太网的三层交换机在城域宽带网建设中会发挥越
来越重要的作用。未来最适合城域宽带网络的新一代核心交换路由设备将会融IP的灵活性、ATM的
QoS以及以太网接口的廉价性于一身。
三、宽带网络接入方式的比较
建设城域网的接入段的主要形态是社区网,宽带社区可通过电话线、有线电视网络及高速以太网、
全光纤网络、无线接入等方案实现。从实践来看,这几种方案在网络接入方式、用户负担的成本、
可以提供的服务内容等方面不尽相同,所适用的范围也大不一样,因此构建宽带社区必须因地制宜。
下面将试图比较一下这几种方案的特点、应用场合和利弊。
1、ADSL接入方案
ADSL最初设计并不是为了宽带接入,而是为了高速数据通信、交互视频等应用。该系统在用户端采
用ADSL调制解调器,通过电话线连接到电话交换局前端ADSL解调设备解调后送入ATM网,可以提供基
于ATM的各种应用业务。由于原来设想的ATM应用业务没有得到商业上的成功,而对宽带 IP接入的
需求却迅速增加,ADSL接入转而成为宽带因特网接入的一种方法。因为ADSL仍然保持原来的体制和
结构,ADSL头端设备DSLAM提供的是ATM接口,故最终它还需要通过路由器连接因特网实现因特网接入。
ADSL接入的优点是可以利用现有的市内电话网和电话交换局的机房,可以降低施工和维护成本,对
电话业务没有影响。缺点是它对线路质量要求较高,当线路质量不高时,推广使用有困难。 ADSL的
实际速度还要受到用户和电话分局的电话线长度和电话线路的质量的影响,而且ADSL系统楼内楼外
使用的都是非屏蔽双绞线,所以抵抗天气干扰(打雷/下雨)的能力较差。由于宽带可扩展的潜力不
大,ADSL不能满足今后日益增长的接入速率需求,只能成为过渡性产品,或者用于要求不高的旧社区
单用户的宽带接入改造上。
ADSL接入的优点在于：利用了电话局已敷设的引人铜线,无须进行线路改造；提供适应Internet接
入特点的非对称高速接入速率；XDSL局端设备直接将XDSL信号传送至数据网(FR、ATM等)或相反,
缓解用户长时间上网对电话交换机和中继线造成的拥塞；同时提供POTS通信通道。
ADSL接入的缺点在于：其传输性能在很大程度上受到用户引人线距离、线径、环境等因素的限制,
并且电信运行商需要在同时提供POTS通道的用户家中安装分离器,既增加了终端安装的复杂性,又不
利于价格的降低,在目前为一种较昂贵的用户接入技术,该技术的出现及应用是为了充分利用电信营
运商已经接入千家万户的双绞线承载宽带数据业务的需求而产生的。
2、HFC网络方案
在城市有线电视光缆同轴混合网上,使用电缆调制解调器进行数据传输,可构成宽带接入网。 HFC宽
带接入网下行传输利用550M～870MHz频段,在我国一般采用北美标准,以64QAM调制方式调制传输数
据,传输速率为27Mbps。
与ADSL每户独占一条接入线不同,在一个光结点小区内的HFC电缆调制解调器用户共享 27Mbps或
40Mbps的下行通道。为了保证接入速度,一个光结点小区内覆盖用户数目不能太多。我国广电总局
要求HFC网光结点小区覆盖用户在500户以内,当然越少越好。双向HFC网的上行通道工作在50MHz以
下频段,在此频段有较大的工业和民用噪声干扰,每个用户终端像小天线一样接收干扰送入上行通道
传向前端相互叠加,人们称之为漏斗效应。
经过多年的努力,目前电缆调制解调器技术已经成熟,工业标准也已经完善,开始进入大规模商业推
广应用阶段。我国各个城市都建设了HFC网。一般线路频宽为550MHz,新建的能达到 870MHz。目前
,业界主流的工业标准为MCNS的DOCSIS1.0和DOCSIS1.1。
近年来,我国一些城市开始进行HFC网双向改造,并且开始进行宽带因特网接入试验性服务。最近如
珠海地区将新建网络能达到1000MHz,每个CMTS设备预计连接300户用户。采用电缆调制解调器在HFC
网上架构宽带接入网的优点是可以利用已经有的HFC网,只需要对同轴电缆网进行双向改造及可以使
用有线电视台机房等。这种方法的缺点是需要进行HFC网的双向改造,工程施工和系统调试较为复杂
,不可见因素较多。此外还需要投资建立一个维护队伍以保障网络的正常运行。从发展前景来看,其
带宽进一步提高的潜力是有限的,不可能满足每一户接入速度达到100Mbps或今后 1Gbps的需求。
HFC方案和ADSL接入方案的共同特点是利用已经有的网络基础设施。它们各有自己的优点和用户群,
在现在一段时间内将发挥一定作用,它们之间将存在既是相互竞争又是相辅相成的关系。它们共同
的缺点是带宽进一步扩展能力有限,而且无法建设独立的社区内部网络平台。
HFC接入的优点在于：提供较高的接入带宽、只需在用户处和小区光节点添加设备,无须对线缆进行
改造。
HFC接入的缺点在于：用户接入设备昂贵、其漏斗噪声无法消除、随用户数量增加,会带来信号增益
的不平衡、由于其自身特点,一旦有用户出现故障不易排除、没有统一的国家标准。
3、高速以太网方案
以太网是目前应用最为广泛的局域网络传输方式,它采用基带传输,通过双绞线和传输设备,实现
10M/100M/1Gbps的网络传输,应用非常广泛,技术成熟。从最初的同轴电缆上的共享 10Mbps传输技
术,发展到现在的双绞线和光纤上的100Mbps甚至1Gbps的传输技术、交换技术等,可以肯定,以太网
络技术还将以更高的速度不断发展和提高。
在北美,家庭的宽带接入一般很少采用构建以太网的方式,这是因为住宅一般较分散,以太网方式成
本较高。但在中国,城市人口居住相当密集,90％以上是多层、高层住宅群,以太网方式就有了相对
低成本的优势。尤其对于新建小区,采用综合布线构建以太网优势更加明显。
对于已经建成的社区,如要采用以太网社区接入解决方案则需要重新进行数据网络结构化布线。这
对于高档社区的用户,可能是无法接受的。10Base－S方案则可利用社区现有的电话线布线系统组建
社区网络,提供全双工10Mbps的网络速率。
10Base-S解决方案利用现有的电话线路,为用户同时提供语音、传真和高速数据传输服务。因此,它
的适用范围很广泛,如社区、宾馆、医院等拥有电话布线系统的单位,特别是不适合或不便于进行结
构布线的情况采用。这种组网方式不需要重新布线,在传输网络数据的同时,仍可提供电话业务服务。
以太网接入的优点为：提供10M或100M的接入带宽,充分满足用户的需求；设备造价便宜；作为先进
成熟的技术,为今后发展留下余地；设备扩容简单、易行；可灵活对用户进行管理、控制；具有统一
的世界标准。
以太网接入的缺点为：需对线缆进行改造,重新进行楼内布线。
4、光纤接入方案
未来光纤接入必然替代过渡性的双绞线xDSL和基于同轴电缆HFC系统的Cable Modem及宽带无线接入
等其他宽带接入。光纤接入网有多种方式,最主要的有光纤到路边、光纤到大楼和光纤到家,即常说
的FTTC、FTTB和FTTH。结合成熟的园区局域网络技术,提供10M/100Mbps交换或共享到用户端。这种
解决方案需要进行园区网络结构化布线,比较适合于新建社区或正在建设中的社区。而且一般采用
的最成熟、最优质、最经济的方式是光纤连接到大楼(FTTB)与UTP综合布线相结合的物理连接方式
。这种技术的成熟性已有共识,经济性也为众多的使用者接受,开发商的投资回报时间短(大约一年)。
对于高尚住宅社区(如别墅区)亦可以考虑光纤入户(FTTH)的方式。
随着近几年光纤接入网的快速发展,已逐步实现了FTTC、FTTB,全光网络当然是最终的趋势。但在现
阶段,它还不太现实。
5、无线数据接入技术
无线数据接入技术是以第三代移动通信的先进技术思想为基础,以独立节点和蜂窝组织构架的WLL形
态为过渡目标,以城域网无线、有线混合接入与交换系统为应用模式,以软件/硬件版本平滑升级方式
达到第三代移动通信最高阶段。宽带CDMA具有极高的多径分辨能力。其射频带宽达20MHz,多径分辨
精度达0.1ms,大规模匹配滤波器保证系统能够达到全路径合并的理想程度,使其具有极强的抗干扰和
抗多径衰落能力,尤其适用于高大建筑密集的中心城市地区。
无线数据接入的优点为：接入灵活、方便,是未来的发展方向。
无线数据接入的缺点为：投资费用高,技术尚在发展中。
6、因地制宜选方案
建设宽带社区,需要根据实际情况选择方案。在选择方案时应重点考虑以下几方面：
(1)基础线路系统选择：如果是新建社区或老区改造用户接受重新布线,则可以考虑采用以太网方案。
否则,应考虑ADSL、HFC方案和10Base-S方案。
(2)络应用带宽需求：以太网方案和10Base-S方案均可向用户提供10M的网络接入速率,对于高带宽的
网络应用如视频点播等视频应用支持较好,而ADSL、AFC则相对带宽较小。
(3)网络安全：由于以太网技术原本是为局域网络而开发的技术,将它用于公用接入运营网络,将存在
相对较为严重的安全问题。10Base-S方案由于也采用以太网技术,所以也有相同的问题。而有线电视
数据传输技术本身就是为宽带接入运营网络而设计,比如DOCSIS标准中就定义了基于网络链路层的安
全措施,所以安全性较好。
(4)设备管理：以太网方案网络设备可能分布放置在各个建筑物内,则网络设备需要分布管理,并且需
要考虑网络设备运行环境要求。而有线方案和10Base-S方案则不存在此问题,其所有网络设备均集中
放置在网络中心室内,便于管理和维护。
(5)无线宽带接入在不确定用户或没有有线的条件下具有一定的优势,但同时也会受地形和频率的限制
。光纤接入网代表着接入网的发展方向,但目前还受标准和实用化程度的制约,离最终的商用还有一
段距离。
三、接入网技术的发展趋势分析
1、目前可以肯定的方向
(1)以大芯数光缆为基础构成馈线段、分配段及可能的引入段；
(2)光纤无源波分复用(WDM)和密集波分复用(DWDM)很可能会成为接入不同业务提供平台的关键性技术；
(3)无线本地环路(WLL),特别是采用W-CDMA技术并具有联网功率控制性能的接入设备,肯定是新老运营
者完成网络经济有效覆盖的重要选择；
(4)发展一种技术上优于SDH且能更经济地利用光纤接入通道资源的传输技术似乎已十分迫切；
(5)与多种业务提供平台网管系统相融合(即多重归属特性)的接入网网管体系的确立应该是今后的发
展方向；
(6)原有的交换平台(特别是SPC系统)的体系架构(包括设计思想)必然要发生根本性的改变,骨架化也
许是下一代SPC的总趋势；
(7)接入网的宽带化步伐不会由于现阶段ISDN概念的淡化而停止不前。同时,以IP为基础的大众化多媒
体接入将成为接入网宽带接入技术的研究主题。
2、有待进一步研究的问题
(1)接入业务的综合化(综合到ATM？综合到IP？综合到SDH？)目标定位问题；
(2)接入网全光化的技术和经济性问题；
(3)通道的全对称与半对称问题；
(4)接入网建设与现有网络设备的技术和经济匹配问题；
(5)接入网馈线段(可能还有分配段)传输能力的经济利用问题；
(6)接入网对不同业务质量需求情况的同步技术保障及接入段工程指标合理性分配问题；
(7)接入网对高速数据或多媒体业务的抖动敏感性、时延敏感性、误码敏感性的定量分析问题。
总之,面对复杂动态的城域网应用环境,对于城域网的结构和应用技术的选择,应根据实际情况,来构
成完整的城域网解决方案。
参考文献：
[1] 徐名文,新一代综合业务信息网络体系ISIN技术的研究
[2] 韦乐平,城域网的特征与技术方案选择
[3] 唐雄燕,宽带城域网建设的基本策略
[4] 李鲁湘、宋健、傅振海, 宽带接入网的技术发展分析
[5] 李鲁湘、宋健编，中国普天信息产业集团公司产品手册
作者简介：
李鲁湘：副教授及硕士生导师,现任中国普天信息产业集团公司研究开发中心主任助理兼应用开发部
主任,1982年毕业于北京邮电学院应用数学专业,现为中国通信学会、中国数学会、中国运筹学会会
员,北京市电信通信学会网络专业委员会委员,1984--2000年在国内、外著名学术期刊发表文章及编
写的图书、教材80余篇/本,曾多次获得邮电部科技进步奖,1984--2000年有十七篇论文及图书获各类
不同奖项,1992年被北京市政府授予青年优秀骨干教师,1993年被邮电部评为青年学术带头人。
|