第三章线缆接入

23/4/19 Dr. Zhanqi XU, National Key Lab on ISN, Xidian University 1

第三章线缆接入第三章线缆接入

3.1 xDSL 技术

3.2 同轴电缆接入

3.3 EoC 及其组网


3.1.1 xDSL 技术

数字用户线 DSL （ Digital Subscriber Line ）是一种利用普通电话铜线对 (cooper pairs) ，实现高速宽带信息传输的技术。

网络(Internet ）

局端设备(DSLAM)

远端设备

用户终端

网络(PSTN ）

( 用户侧 )

（网络侧）（ Internet 网络接口 , ATM, Ethernet,

SDH ）

（电话网络 ( 模拟或数字接口E1 ）

电话

Digital Subscriber Line Access Multiplexer (DSLAM＃ )


一、 xDSL 技术分类（一）对称类：

上下链路速率相等，用于 LAN 互连、 PABX互连、 E1 电路（如基站）， Internet 接入， e.g., VoD, Video Conferencing

1 、高速数字用户环路HDSL(High data/bit rate conferencing, Internet DSL)

80 年代启用速率 1.5 或 2.3 Mbps ( 传送 T1/E1)6000 英尺 ~12000/18000 英尺（ =0.3m) 、 1.8-3.6/5 公里）三线对、二线对、一线对2B1Q(2 Bits/ Quaternary Symbol 四进制符号 ) ， CAP

(carrierless Amplitude/ Phase )


2 、 SDSL(Symmetric/Single copper pair DSL)速率 128 K - 2.048 Mbps单线对<18000 feet, <5Km2B1Q

3 、 SHDSL(G991.2)(G.shdsl) 是 SDSL 的新版本G.991.2, Feb, 2001长度可以加大 20% （ SDSL ）192K-2.048 Mbps可单线对，或双线对（ 1.2Mbps, 20000feet/

0.5mm ）


4 、 IDSL(Integrated service digital network DSL)支持 2B+D 144kps (2B 捆绑 , 1B 语音 +1B 数据 )永远在线（ always available ）

( 二 ) 非对称类1. ADSL(Asymmetric DSL)G.992.1速率 upstream 16 – 640 kbps

downstream 1.5M-6.1M(or 8 Mbps) 0.4mm(0.5mm)T1/E1 4.6km/0.4mm 线芯 (5.5km/0.5mm 线芯 )6 Mbps 2.7KM/0.4mm 线芯 (3.7 km /0.5mm 线芯 )


带分离器（ splitter ）滤波器DMT/CAP 编码

2. 简便 ADSL(ADSL Lite)G.992.2downstream /1.5-8 Mbps,

upstream /500 kbps不带分离器


3. RADSL (Rate Adaptive DSL)动态改变传输速率速率

upstream 128 ~768kbpsdownstream 384k~9.2Mbps

4. VDSL(Very high bit rate DSL) 速率 downstream 13-52Mbps

upstream 1.5-2.048Mbps( 可以达到 52Mbps) 距离 0.3 -1.5 km (2 km) 需要分离器


二、 DSL 中使用的复用技术

1) FDM (Frequency Division Multiplexing)

4k 上行下行

边界可变

f


2) 回波抵消 EC (Echo cancellation, canceller)

4k 上行下行

边界可变

f

注解：上行与下行传输频谱有部分重叠，边界可变


3.1.2 HDSL 技术一、 HDSL 传输系统框图

接

口

映

射

收发器

收发器

映

射

接

口

收发器

收发器

线对 1

局端(LTU)

远端(RTU)

线对 n (<=3)

RTU:

Remote Termination Unit

LTU: Local

Termination Unit


1 、接口：实现 E1 G.704 定义的 2 Mb/s HDB3 2 Mb/s

NRZ

PCM 码流（也称 E1 framer ） ;

2 、映射：（ Mapper, HDSL framer ）用 2Mb/s NRZ PCM 帧组成

HDSL 传输帧数据字段 ;

3 、收发器（ Transceiver ）DSP: 实现 HDSL 传输帧组装 / 拆帧、编 / 解码、均衡回

波抵消；Analog Front End: 模拟信号处理； Line protection/power feeding: 模拟线路保护馈电。


二、 HDSL 传输帧结构（课本 : 宽带网络技术原理 P155-156 ，或宽带接入技术及应用 pp98 ）


线对数不同，帧结构不同（ 1-3 线对）H1 ：同步码字（ 14b ） +H0 开销（ 2b ）；H2/H3/FH4 ：开销（ 10 b ）H5 ： 0-4 比特码速调整

帧长 6ms一线对： 36*64Kbps+ 16Kbps=2.32Mbps二线对： 18*64Kbps+ 16Kbps=1.168Mbps ，每线对三线对： 12*64Kbps+ 16Kbps=0.784Mbps ，每线对

注解： 1 线对的 HDSL 帧传输速率 :

{[14+2+10+10+10+2 +4*12*(36*8+1)bits}/6ms=3220Kbps

如何用类似方法计算出 2 线对时的 HDSL 帧传输速率＝ 1168Kbps ？


1 、接入网用作数字传输设备（ N*E1/

T1 ）

三、 HDSL 应用

局端交换机 HDSL HDSL 用户交换机

模拟电话

数字电话

LTU NTU


2 、 Internet/Intranet 接入

用作数字传输设备（ N*E1/T1 ）

Router

MU

X

HD

SL

HD

SL

MU

X

Internet/Intranet

V.35(N*64k) E1 E1 V.35


3 、其他应用局域网通过帧中继互连、 ATM 电路

仿真业务（ Circuit Emulation ）所需要E1/T1 传输的业务，军用被覆线群路传输系统


3.1.3 ADSL 技术一、 ADSL 接入网络结构传统拨号网络结构

计算机ModemV.34

用户交换机

PSTN

电话 Modem 池

Internet

内置 / 外置

USB/V.24（串口）

特点：电话 / 上网分时使用

模拟 / 数字接口


ADSL 接入网络结构

电话

分离器

ADSL Modem

计算机分离器 1

分离器N

ADSL 1

ADSLN

Router/switch

Internet

用户交换机 PSTN

RJ-11

DSL 路由器ATU-R

ATM 接口

Ethernet (10BASE-T)RJ45

>4KHZ RF11

Ethernet/ATM 接口

DSLAM(ATU-C)


ATU-C/R(ADSL Transmission Unit － Central/Remote ）


二、 ADSL MODEM 原理框图

模拟前端

DMTmodem

ATM传输

接口

管理接口

UTOPIA/ 或比特流

CTRLE 控制

UTOPIA: Universal Test of PHY Interface for ATM


1. 模拟前端 Analog frontend

完成 A/D 、 D/A 、滤波、 AGC(Automatic Gain Control) 等

2. DMT Modem

QAM mapper / demapper 14 比特 /tone(16383 点 ) IFFT/FFT(Inverse) Frequency Domain Equalizer

3. ATM 传输（ TC-Transmission Convergence ）


Header HECCell delineation

Header HEC (only for Tx),

Payload descrambling/scrambling

Idle cellExtraction/Insertion

CellMux/

DeMuxOAM CellExtraction/Insertion

UTOPIA Interface

信元发送 /接收接口

Note: This block diagram has been revised on Oct. 2014


4 、 CTRLE 接口Modem 与管理实体间的接口

Configuration of a modem LineDe-allocation of a modem Lineoperation/performance data retrievaldefect Retrieval 故障检查


三、 ADSL 组网

ATMBackbone

ATMSwitch

BRAS

Router

RTUDSLAMPPPoEClient

RTUDSLAMPPPoEClient

RTUPPPoAClient

Packet Over ADSL

ATM Over ADSL

169B

Corp-n

169A

VOD

RadiusServer(Local)

Router

RadiusServer

(Remote)

ATM Over ADSLATMF 25.6M

Ethernet

Ethernet

今天仍在使用

DSLAM: DSL Access MultiplexerRTU: Remote Termination Unit ， ATMF ： ATM Forum

BRAS ： Broadband Remote Access Server宽带远程接入服务器


DSLAM-RTU 间的两种模式：1 ） ATM over ADSL

2 ） Packet over ADSL

DSLAM 与核心网的接口 # ： 1 ） SDH （ Packet ） 2) SDH （ ATM ） 3) GE

4) n*E1

注解： WDM 为传输设备提供传输波长 λ ，每个波长可用于 SDH 、 GE 的传输。


3.1 xDSL 技术




3.2 HFC 接入网技术

一、 HFC 网络组成 #

1 、什么是 HFC 网？ HFC: Hybrid Fiber

coaxial cable , HFC is a

shared broadcast medium

它是利用光纤进行干线传输、用户网络采用同轴电缆，可以实现CATV 、 Internet 、数据、电话 / 视频等业务双向传输的网络。

2 、模拟数字 HFC 网络结构（图见黄孝建P146 ）


外网（核心网）

外网（模拟网）

解调

解调


(1) 前端连接 PSTN 的设备： PBX 、 CO 等连接电视设备：模拟电视设备、数字电视设备（ IPTV 服

务器）连接 Internet/ 数据网：路由器、集线器等内容服务器：视频会议服务器（ MCU ： Multipoint

Control Unit ）、 VoD 服务器网管系统： SNMP （ Simple Network Management

Protocol) 基带处理设备：调解器 MODEM 、复用器 Multiplexer CMTS ＃： Cable Modem Termination Sys. ，电缆调解

器端局系统，是 HFC 的核心设备（ 2 ）光纤传输设备光纤及传输设备组成

下行 50 ～ 750MHZ 上行 5 ～ 200 MHZ

3. 网元及其功能


(3)用户服务区（配线网 + 用户引入线） A. 光纤结点分支器 ( 射频 )

B. 分支器将下行信号分配到用户单元 C. 引入线一般使用软电缆 D. 用户设备：机顶盒（ Set Top ）：连接电视设备线缆调解器（ Cable Modem ）：连接计算机、话机设备


4. 实用网络实例

东方有线网络有线公司网络示意图

和 IP 骨干网上联

光接收机

射频分配( 包括射频放大重新分配 )

光发送机

光分路器

1:4

分前端

光节点

放大器

用户端：电视端口以及各种数据业务端口（ CM 或者 STB 等）

用户分配网

光收机

射频分配组合

CM

TS

供电器

TV 信号


1) 回传（上行）信道： 5 ~ 30 （ 42 ） MHz 一般 5~30 MHZ 传输上行电话 30 ~42 MHz 传输上行数据（ VoD 点播信令）2) 广播、电视频率段 (MHZ) ： 48.5~92 模拟广播电视 87.0~108 FM 广播 111~550 模拟广播电视（ 450~550 也可以用于数字电视） 550~710 VoD 数字电视 710~750 非广播电视 750~1000 个人通讯

二、 HFC 接入网中的频率分配－同轴电缆中的频谱分配


三、基于 IP 的 HFC 网络 1 、网络结构

CATV

电信网PSTN

Internet

CM 结点

HFC

用户设备

ADM

ADM

ADM

ADM

Switch/网关 2

网关 1

Router

ADM#: Add & Drop Multiplexer

分插复用器（ detailed in Ch 5 ）

模拟 PCM 语音 IP 语音模拟

不同位置语音体制


提供业务： IP 电话、 IP 视频会议、 IP 电视、 Internet ；网关 1 完成模拟电视与数字化 IP 电视的转换；网关 2 完成传统 PCM 数字语音与数字化 IP 语音的转换；Router 、网关 1 、网关 2 与 Cable Modem 传输机即可分

开，也可合为一体。

2 、 IP 传送协议结构

模拟数字数据语音、视频电视电视 RTP/RTCP

TCP/UDP/IP PPP SDH DWDM

物理光纤


RTP( 实时传送协议 ) ： Real-time Transport Protocol ，提供实时传

送机制，如分组丢失、时戳（ time stamp ，用于收端时延波动处理）

RTCP （实时传送控制协议）： Real-time Transport Control Protocol ，提供

传输质量测控，如分组丢失率等


3. 分组传送技术简记（分层网嵌套式连接）

X over Y (over Z) (X 分组在 Y 分组中传送， Y 分组在 Z 分组中传送， studied in detail in the chapter No.8 ；例如，左图的 R1 ～ R5 链路的提供有 3 种方式：

1 ） SDH 层的直连链路 2 ） R1-D1, D1-D5, D5-R5 构成链路 3 ） R1-O1, O1-O7 ， O7-O8,O8-O5 ， O5-R5 构成

链路Voice over DSL (VoDSL)Voice over IP (VoIP)

#Packet over SDH (PoS) #PPP over Ethernet (PPPoE) #IP over ATM over SDH (IPoA/SDH)IP over Fiber (IPoF)

SDH

OTN

R 1

R 2

R 5

R 3

D 1

D 2D 3

D 5

D 4

O 1

O 2 O 3

O 5

O 4O 8

O 7O 6

DWDM


多层多域混合光网络组成及其

相邻层/

隔层承载关系示意图


四、 Cable Modem 设备类型

1 、机顶盒 (STB: Set-Top Box) ：

早期：增加视道、收费控制、按次计费等现今： STB 具备 1 ）模拟电视接收（解扰） 2 ）数字视频接收解码 3 ）交互通信（ VoD 、 WWW 、 FTP 、微博）2 、线缆调解器：

与信息处理平台 (PC) 相连，提供音 / 视频、上网业务等


五、 Cable Modem 原理

1 、工作原理框图

调制 FEC/交织组帧扰码 MAC

处理

传

输

接

口解调帧

同步

FEC/去交织

载荷解扰

控制PDU处理

传输接口： ATM 接口， 10/100M Ethernet 网口， USB

扰码：保证 /降低错误帧同步的概率，一般使用 g(x)= x43+1


2 、 MAC 工作原理 (Cable Modem Connection )

CATV

电信网PSTN

Internet

CM结点

HFC

用户设备

用户设备

用户设备


2 、 MAC 工作原理 1 ） CMTS(Cable Modem Termination System ） CMTS 与 CMs 是 Server/clients 结构 ;

请求冲突后， CMs 采用退避机制 ;

CMTS CMiReq

Confirm

2) 信道获得： channel acquisition

搜索下行信道，获得 QAM 数据，寻找 MPEG-2 分组，找到 DOCSIS(Data Over Cable Service Interface Specification) 规定 PID （ Packet IDentifier) 分组。


3 ）获得上行参数： obtain upstream parameters CM 搜索三种 MAC 消息（ message ） A) Sync: a common time reference to all modems

B) UCD ： Upstream Channel Descriptor

C) MAP （上行小时隙指派图）： upstream allocation MAP（图形） mini-slot information that indicates when a Modem can transmit and how long to transmit

4) 测距 -Ranging

测距用于调整： time reference, transmitter (frequency, power)

CMTS CMiReq

Confirm


CMTS

CMi

图注：1 ）由于测距的不准确，达到 CMTS 的小时隙间的空隙在变化；2 ） CMTS 的小时隙帧间留有保护时隙；3 ）每一个 CM 需测量到 CMTS 的距离，以确定发送时刻；4 ）即使分配给 CMi 的小时隙超前于 CMj ， CMi 可能在CMj 发送之后，才开始发送其数据。

CMj

上行大时隙 1 上行大时隙 2 上行大时隙 3

t

t

t


过程结束后，同步误差 <1ms, 发送频率 <10HZ, 发送功率误差 1/4 db

5)建立 IP 连接使用 DHCP 为 CM 分配临时 IP地址。 6 ）注册（ Registration ） a) DHCP# (Dynamic Host Configuration Protocol,

specified by an IETF RFC)响应中包括配置参数文件名、配置文件服务器的 IP地址 ;

b) CM 采用 TFTP(Trivial File Transfer protocol－普通文件传送协议 ) 下载配置文件 ;

c) CM 发送注册消息， CMTS 比较 CM 的注册消息与配置服务器获得的配置文件一致后，发出注册响应，允许CM 入网 .


3.1 xDSL 技术




家居 (HFC) 网络的若干新动向：

1 ）全数字化；2 ）可能采用 Ethernet ，可能的网络体制包括：• CMTS+Cable Modem ；• EPON+EoC （ Ethernet over Passive Optical

Network ， Ethernet over Cable ）；•采用 GPON （ Gigabit PON ）；•采用 FTTH 。


1. 什么是 EoC ？

Ethernet over Cable --- 在“电缆”上传输以太网数据

电缆 : 狭义上仅指“同轴电缆”，广义上指同轴电缆、电力线 powerline 、电话线 phoneline 、双绞线 ( 网线 UTP-5) twisted Pairs 。• EoC 是同轴电缆网络和 IP 网络的网桥• EoC 是同轴电缆和以太网的介质转换器• EoC 是 RF 信号和 IP 信号的加减复用器• EoC 是特定 RF 频带的调制解调器


EoC 原理：


EoC 组网原理：


2. EoC 分类


无源 EoC ：也称基带 EoC ，就是将双绞线以太网信号在 75Ω 铜 /铝电缆中传输。基带 EOC 特点： • 链路层完全遵循 802.3x ，点对点连接，各电气特性与 LAN方式接近 • 双极性差分信号 /单极性信号、 100Ω/75Ω 的转换 • IP 数据工作带宽： 0.5 ～ 65MHz

基带 EOC优点：

每线价格成本低，生产厂商较多，在国内有一定规模的应用

基带 EOC缺点：

不能通过分支分配器，只支持点对点的星型分配网络，每线带宽是固定的 10M ，改造的时候必须一次投入到位，不能实现滚动式投资


有源 EoC ：就是传输数据需要经过调制 / 解调在75Ω 铜 /铝电缆中传输。

全频段捷变频调制 , 可以使同轴电缆网络整个频宽可以得到充分利用，其中在模拟 CATV 中， 87 ～ 108MHz 用于 FM广播，频道 4 ～ 68 对应 167~958MHz 。


高频 MoCA ： MoCA- Multimedia over Coax MoCA- Multimedia over Coax

AllianceAlliance ，多媒体数据电缆联盟，多媒体数据电缆联盟。MoCA 特点： • 使用频带 800MHz － 1500MHz ，选择 1GHz 以下布线方便 • 每个信道带宽 50MHz ， 15个信道可选，物理层速率可达270Mbps ，数据链路层速率可达 130Mbps • 采用 OFDM 调制， TDMA/TDD MoCA优点：有联盟标准，高带宽，能够通过分支分配器，在北美有较大规模的应用 MoCA缺点：芯片价格偏高，产品不够成熟 MOCA 设备的价格下降比较快，生产的厂商也比较多


高频 WiFi ：

降频同轴 WI-FI 特点：将频率降低到 900MHz ，不用更换现有的网络设备与 MOCA 一样，能够通过分支分配器，不能够通过放大器由于带宽比 MOCA低，为保证带宽，因此一个WIFI 的头端一般带 12个有线电视用户，一个 ONU 下带 4 个 WI-FI头端降频同轴 WI-FI优点：技术成熟，价格低廉，是所有有源 EOC 技术中成本最低的，与无源 EOC 相比，具备滚动式投资的优势降频同轴 WI-FI缺点：降频是非标准方式，不同厂商的降频芯片不能互通


低频 HomePNA 技术：Home Phoneline Networking AllianceHome Phoneline Networking Alliance ，家庭电话线，家庭电话线联网联网联联盟盟 HPNA3.0 特点：

使用频带 12MHz － 28MHz ，与现有有线电视网络结构完全相同物理层速率 128Mbps ，数据链路层速率可达 80Mbps

采用多载波 MC QAM 调制，在频率轴上设置 2-8个不同频率的载波同时传送同样数据，比传统 QAM 调制抗干扰能力更强，性能更优

HPNA3.0优点：

ITU 的国际标准，带宽较高，能够通过分支分配器，还能通过放大器

HPNA3.0缺点：

芯片厂商不多，目前价格还偏高


低频 HomePlug 技术：HomePlug 特点： 2001年， HomePlug1.0 14Mbps

2004年， HomePlugTurbo 85Mbps

2005年， HomePlugAV 200Mbps

2006年， HomePlugBPL 220Mbps （ Broadband Power Line）HomePlug优点：技术成熟，价格低廉，有联盟标准，并且抗噪声、抗多径网络改造要求极低，网络适应性好；带宽足够，并且方案本身的带宽在快速提高；调制系统先进，信号汲取能力强，符号率高，抗噪声能力强；不占用广播电视频道，符合国家有线电视频带分割方案；信号传输损耗小，信号传输距离远，价格相当


3. 六种技术比较


比较项目比较项目 HomePNA HomePNA WiFi WiFi HomePlug HomePlug MoCA/C-LINK MoCA/C-LINK 无源无源 EoC EoC

通信方式通信方式半双工半双工半双工半双工半双工半双工半双工半双工全双工全双工 // 半双工半双工

标准化标准化 ITU G.9954 ITU G.9954 802.11/g/n 802.11/g/n HomePlug AV HomePlug AV MoCA 1.0 MoCA 1.0 802.3 802.3

调制方式调制方式 FDQAM/QAM FDQAM/QAM OFDM/BPSK, OFDM/BPSK, QPSK,QAM QPSK,QAM

OFDM/OFDM/子载波子载波QAMQAM 自适应自适应

OFDM/OFDM/子载波子载波 QAMQAM自自适应适应

基带基带 ManchesterManchester 编码编码

占用频段占用频段 4-28MHz4-28MHz 2400MHz 2400MHz 或变频或变频 2-28MHz2-28MHz 800-1500MHz800-1500MHz 0.5-25MHz0.5-25MHz

信道带宽信道带宽 24MHz 24MHz 20/40MHz 20/40MHz 26MHz 26MHz 50MHz 50MHz 25MHz 25MHz

可用信道可用信道 1 1 13 13 1 1 15 15 1 1

物理层速率物理层速率(Mbps)(Mbps)

128 128 共享共享 54/108 54/108 共享共享 200 200 共享共享 270 270 共享共享 10 10 独享独享

MAC MAC 层速率层速率(Mbps)(Mbps)

80 80 共享共享 25 25 共享共享 100 100 共享共享 135 135 共享共享 9.6 9.6 独享独享

MAC MAC 层协议层协议 CSMA/CACSMA/CA CSMA/CACSMA/CA CSMA/CSMA/CACA ，， TDMATDMA

CSMA/CACSMA/CA ，， TDMATDMA CSMA/CDCSMA/CD

客户端数量客户端数量 16 16 或或 32/6432/64 32 32 左右左右 16 16 或或 3232 3131 不受限制不受限制 //由交换由交换端口数确定端口数确定

QoSQoS HPNAHPNA3RQoS+GQoS3RQoS+GQoS

WiFi WME(WiFi WME(多多媒体扩展媒体扩展 ))

QoSQoS －－ >>802.1d AnnexH.2802.1d AnnexH.2

8 8 个个 802.1D 802.1D 优先级优先级映射到映射到 2 -3 2 -3 个优先级个优先级

802.1d Annex802.1d AnnexH.2H.2

时延时延 <30ms <30ms <30ms <30ms <30ms <30ms <5ms <5ms <1ms <1ms

备注备注 1. 速率与接入节点数成反比，节点越多性能越低。2. 只有 1家芯片厂

，风险较大。

1. 技术成熟度高，后续发展快；2. 频率高、损耗大，降

低速率。

1. 速率与接入节点数成反比，节点越

多性能越低。2. 支持的芯片厂

家较多。

1. 较新的技术，在 VLAN 和QoS 等很多方面待完善；2.. 速率与接入节点数成反比，节点越多速率越低 ;

3. 频率高损耗大。

1. 速率恒定；2. 无源可靠性极高；3. 利用最完善和成熟的 Ethernet技术 ,

有保障。


4. 组网原理


无源 EoC 组网

Erbium-Doped Fiber Amplifier (EDFA):掺铒光纤放大器


无源 EoC 组网


混合 EoC 组网 : STB ： Set Top Box ，机顶盒

单线入户

双线入户

光接收机光接收机原图此处为光发射机

第三章线缆接入

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