刘剑峰
随着因特网爆炸式发展，因特网上的商业应用和多媒体业务得以迅猛推广。用户要想获得因特网上的各种服务，必须以某种接入网络。为了实现用户接入宽带化，提高用户上网速度，光纤到户(FTTH)是用户接入网发展的必然方向。但从目前来看，由于光纤接入网成本高，在今后的一段时间里，大多数接入网仍将继续使用现有的铜线环路。近年来，人们提出多项过渡性宽带接入技术，包括N-ISDN、CM（cable modem）和非对称数字用户环路（ADSL）等，其中当数ADSL最具前景和竞争力，它将在未来十几年，甚至几十年内占主导地位。
1 ADSL的频谱分配
ADSL技术通过现有电话线在用户与中心局（CO）之间进行双向数据通信。ADSL物理层能与普通电话（PTOS）的频谱共存。共存的原因在于，ADSL频谱只使用高于PTOS频带的频率，POTS的频谱范围从0-4kHz左右，ADSL的频谱起点高于POTS频带，最高频率可达1.1MHz左右。在POTS频谱与ADSL频谱之间设置保护频带，有助于避免产生干扰。ADSL频谱的低段部分用于上行传输（从用户到CO），高段部分用户下行传输。实际中可采用两种不同技术划分上/下行频带（见图1）：（1）在频分复用（FDM）技术中，上行和下行频谱采用各自的频带，频带可随实现方法的不同而不同，一般而言，上行频带为25-200kHz，下行频带为200kHz-1.1MHz。该技术不会产生自串扰，但与回波消除系统相比，其缺点是下行宽带降低；（2）回波消除技术允许下行频带与上行频带重叠，上行频带依然为25-200kHz，但下行频带可扩展至上行频带部分。该技术的主要优点在于可极大扩展下行宽带，但必须具备回波消除电路才能进行全双工传输，此外自交调的存在会产生额外干扰。
2 ADSL的调制技术
ADSL物理层采用离散多音（DMT，discrete multitone）调制技术。该技术采用一种非常类似于正交频分复用（OFDM）技术的方法，在多个子信道（subcarrier）上传输数据，这是一种许多无线通信系统采用的技术。DMT调制器并行采集N个数据信号，同时在N个子信道上传输这些符号（symbol）,每个子信道上的数据速率仅为原有数据速率的1/N。数据率的降低使DMT符号周期延长为N倍，使符号存在时间长于信道时间间隔，更易消除符号之间的干扰。
在发射端，利用反向快速傅里叶变换（IFFT）生成正交子信道，即形成DMT符号。发射端的数据符号可认为是频域信号，它代表IFFT基本函数（不同频率下的正交正弦曲线）的复合权重（complex weights）。然后IFFT把数据符号转换成时域下的正弦和信号。IFFT输出的信号本块即为DMT符号，通过信道传输，接收端采用FET，把时域信号变换成频域信号。2N点IFFT用于生成DMT符号，其中N个负频率IFFT点是N个正频率点的共轭复数。这种对称频谱产生一个真正的时域信号。因为子信道在DC零频以外（未用）附近，所以此DMT符号以DC为中心，这样就可在DMT频谱中生成一条通路，以留出POTS频谱位置。可见DMT是一种真正的基带系统。
DMT支持循环前缀插入。循环前缀是一种带有长度LP的样本块，这种长度LP是DMT符号中最后LP样本的拷贝，选用长度LP是因为它比信道响应长度长。首先传送前缀，然后再传送DMT接收端能利用它降低信道干扰。
动态位分配技术使DMT能有效利用可用的信道容量。该技术使系统能根据子信道的信噪比（SNR），动态地改变每个子信道每个字符的比特效。因为二进制相移键控（BPSK）和四相移键控码都是具有鲁捧性的调制形式，所以它们可在低信噪比的子信道上传送。若子信道噪比极低，则此子信道将根本不会用来传输数据。高信噪比子信道可传输高阶正交调幅（QAM）码，以增加数据吞吐量。
3 ADSL系统中的损伤原因
ADSL接入系统中存在几种重要损伤类型：加性白高斯噪声（AWGN）、交调、脉冲噪声和无线电噪声等。
（1）AWGN是所有通信系统中都存在的一种热噪声。在ADSL系统中，当噪音使接收样本超过判决门限时，AWGN就会导致接收端产生误码。与其它数字通信系统一样，ADSL通过差错控制编码降低AWGN干扰，该方法是在被传输的信号上添加冗余码，接收端利用冗余码检测和校正错误。
ADSL采用三层编码方式，物理层中的最内层码是卷积码。接收端采用Viterbi算法对接收信号进行解码，解码算法的特性是：如果在解码过程中发生错误，解码器可能会导致突发性错误。卷积码非常适用于校正随机错误。在卷积码的上部采用Reed-Solomon块码（lock code），Reed-Solomon码适用于检测和校正那些由Viterbi解码器产生的突发性错误，功能强大。ADSL规范规定每个Reed-solomon码字长度可达255字节，其中包含16个奇偶字节。最外层码是循环冗余校验（CRC）码。CRC码用于检测顶层错误，以检测出Viterbi和Reed-solomon解码未能检测出的错误，它可对错误进行检测，但不能进行校正。
（2）束状电话电缆中包含许多不同用户的电话线，交调是一种常见的损伤。这些电话线具有电磁辐射，减小电缆中其它电话线的电流，从而产生交调干扰。电话线中存在两种交调，两者都以加性噪声形式出现在接收端。当发射端干扰位于电缆同一端的接收端时，就会产生近端交调（NEXT）；当发射端干扰位于电缆远端的接收端时，就会产生远端交调（FEXT）。相对而言，近端交调的影响要比远端交调的影响大得多，这是因为远端交调干扰贯穿整条电缆，当它到达接收端时，其影响已经减弱。
交调可进一步分为自交调和外交调。自交调是来自采用同一频谱的另一ADSL系统的干扰；外交调是来自采用不同频谱的另一ADSL系统或另一完全不同系统（如ISDN）的干扰。减少交调干扰的方法是选用合适的频普分配技术。在基于回波消除技术的ADSL系统中，上行与下行信道重叠，发送和接收使用相同频带，因此会产生自交调和外交调干扰。在基于FDM技术的ADSL系统中，上行和下行信道采用不同频带，因此不存在自交调，但外交调依然存在。
（3）存在时间短但影响大的干扰是脉冲噪声。闪电或马达启动引起的脉冲噪声会引起功率波动，并造成解码器的突发性错误。ADSL采用交织和编码相结合的方式来纠正脉冲噪声造成的差错，通过交织过程重排数据，使那些在时间上连续的样本能间隔开，以便及时分散错误，提高解码性能。
4 ADSL与电话线特性
长途交换局（TO）之间的主干线通过光纤连接，这些交换局为本地交换机与传送长途业务的长距光纤之间提供接口，并连接到控制本地交换业务的中心局。中心局装有用于用户接入的主交换设备，是前端ADSL设备的所在地。标准铜双绞线是在中心局与远程终端之间以及远程终端到用户之间的主要传输介质。在中心局与远程终端之间最终会采用光纤传输，这种升级将改善ADSL业务性能。
长途电话业务的传输距离受到中心局电话交换设备能力的影响。网络交换设备的负荷阻抗大部分来自中心局到用户的铜导线。此阻抗能承载的距离即为修正阻抗设计（RRD）距离，电话话音质量通常在到达修正设计距离之前就受到影响，电信运营中通常会使用更粗的电话线和负载线圈的方法来提高话音质量。ADSL的性能同样与从中心局到用户的距离有关。
5 ADSL与CM、N-ISDN的比较
与CM相比，ADSL技术具有相当大的优势。CM接入方案采用分层树型结构，其优势是带宽比较高（10M），但该技术是一种较粗糙的总线型网络，用户要与邻近用户分享有限带宽，当一条线路上用户激增时，速度将减慢。据有关资料表明，大部分情况下，CM方案必须兼顾有线电视节目，占用部分带宽，剩余部分传送其它数据信号，实际数据速率为400-500kb/s。因此，即使在理想状态下，CM接入方案也只相当于一个10Mb/s的共享式总线型以太网。在网络拓扑结构上，ADSL接入方案较先进，每个用户都有一条单独线路与ADSL局端相连，其结构为星型结构，数据传输带宽由每个用户独享。
与使用普通拨号上网的56K速率和使用N-ISDN上网的128K速率相比，ADSL的速率优势不言而喻，ADSL接入方案最吸引人的地方是：在同一铜线上分别传送数据和话音信号，数据信号不通过电话交换设备，可减轻电话交换机负载，而且无需拨号，属专线上网方式，这意味着使用ADSL上网不需要缴付额外的电话费。
摘自《电信快报》2002.6
|