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五、ADSL技术

前面介绍光纤输入，最后来讲最早期的ADSL技术，使用铜质电话线来传输网络信号。一端是位于用户端的DSL Modem，俗称“DSL猫”；另一端是DSLAM，归各种电信运营商管理。在DSL技术之前，电话线上的数据传输技术通常是音频段的modem技术。这种技术只用一个很窄的频段，通常只有4千赫兹。最高传输速率只能达到56千比特/秒。DSL通过拓展频宽来增加数字信号，ADSL是DSL技术的一个类型。

近几年，全球光纤用户增长了15%，DSL用户数量在急剧下降，跌幅超过30%以上。在全球发达地区FTTx用户总量在2017年就超越了DSL用户。

典型电路交换网络有PSTN(public switched telephone network，公共交换电话网)和ISND(integrated service digital network，综合业务数字网)。

PSTN(public switched telephone network，公共交换电话网)接入比较方便，有电话就可以用这种方式接入网络。一般传输速度为56Kbits，一般达不到，连接速度慢，打电话与数据通信不可同时进行。现在基本不用，有时在POS机上用。

ISND(integrated service digital network，综合业务数字网)是一种数字电话网络标准，是全数字化的电路，所以它提供的宽带的稳定性及抗干扰性比PSTN强。用户可以在使用网络的同时接打电话以及发传真等。ISDN访问方式分为基本速率访问接口BRI和主速率接口PRI。BRI由2个带宽为64kbits的B信道，1个带宽为16kbits的D信道组成，记为2B+D。PRI由多个B信道和一个带宽为64kbits的D信道组成，而B信道的值，取决于国家的标准。

ATM（Asynchronous Transfer Mode）异步传输模式，是实现B-ISDN的业务的核心技术之一。ATM是以固定信元大小为基础的一种分组交换和复用技术，有利于宽带高速交换。支持不同速率的各种业务，是为多种业务设计的通用的面向连接的传输模式。ATM采用面向连接的传输方式，将数据分割成固定长度的信元，通过虚连接进行交换。ATM集交换、复用、传输为一体，在复用上采用的是异步时分复用方式，通过信息的首部或标头来区分不同信道。

1、DSL技术

DSL(Digital Subscriber Line，数字用户线路)是以铜质电话线为传输介质的传输技术形成的组合，可以在同一双绞线上传送数据和语音信号。是一种采用数字技术在双绞铜线上传输高速数据的编码方式。DSL技术在传统的电话网络(POTS)的用户环路上支持对称和非对称传输模式,利用了现有已被大量铺设的电话用户环路资源(铜线),以低成本实现用户线高速化。

DSL技术是美国贝尔通信研究所于1989年为视频点播业务开发的利用铜质双绞线传输高速数据的技术。在10年后随着电话用户的大量增长，电话铜质双绞线是现成的，并能提供高速率的因特网接入而受用户的欢迎，在后期得到大量应用。

1.1、DSL的基本原理

电话系统设计之初，主要用来传送话音呼叫，出于经济的考虑，电话系统设计传送频率范围在300Hz到3.4kHz范围的信号。人耳识别的声音频率是20Hz~20KHz，人的话音超过15KHz。300Hz到3.4kHz这个很窄的频段，只有4千赫兹。在DSL技术之前，最高传输速率只能达到56千比特/秒。

想要提高传输效率就得引出香农定理：
C＝Blog2（1+S/N）
B代表频段的宽度，S代表信号强度，N代表噪音强度，S/N代表信号噪音比。

传输速率的上限是由通信频宽和信噪比决定的。拓展频宽、提高信噪比成为关键，但是提高信噪比就得加强信号强度，高的信号强度意味着更高的能源消耗。所以拓展频宽是最为方便的，但也不无限提升，频段是稀缺资源。

我们来看几种接入技术的带宽：
PSTN ( Public Switched Telephone Network，数字公用电话交换网 )，普通拨号电话线入网。带宽33.6/56Kbps。

ISDN（Integrated Services Digital Network，综合业务数字网），是一个数字电话网络国际标准，ISDN是全部数字化的电路，所以它能够提供稳定的数据服务和连接速度。在一条约2B+D(2个B信道和一个D信道)的用户线，带宽160Kbps。

老式电话POTS，频率范围30-4000Hz，传输速率在33.6Kbps以内。

PSTN系统中将频宽由由原来只有音频的频宽，拓展到开来，可以拨号上Internet/Intranet/LAN，最高达到了56Kbps。

早期的DSL技术， ADSL1数据传输使用了频率范围26KHz~1.1MHz。

DSL服务通常保留0.3-4kHz这个范围的频段给话音服务，在原有频率范围拓展，DSL的频宽为300Hz到2MHz(ADSL是DSL的一个类型)。

1.2、DSL的编码技术

DSL是利用传输数据的高频信号采用调制技术来提高传输速率。四种编码技术：

• 2B1Q(Two Binary One Quaternary)，由AMI(Alternate Mark Inversion，信号交替反转)技术发展出来的基带调制技术,能够利用AMI的一半频带达到AMI一样的传输速率,由于降低了频带要求,提高了传输距离,主要应用于H/SDSL技术中。
  传输时使用四种电平，每个电平代表一个01组合，如：-5V=11、-3V=10、+3V=01、+5V=00。这样一个电平就可以代表两个比特了，这种编码方式叫做2B1Q编码，它是HDSL技术的基础。
• QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制)，传统的拨号Modem所用的技术,MVL将其扩展到高频段,并综合了复用技术,以支持多Modem共享同一线路。
• CAP(Carrierless Amplitude & Phase Modulation，无载波调幅/调相)，载波频率可变,在一个频率周期或波特内传输2到9位二进制数据,因此在相同的传输速率下,占用更少的带宽,传输距离更远,主要应用于H/SDSL,RADSL中。
• DMT(Discrete Multi-Tone,离散多音频)，将高频段划分为多个频率窗口,每个频率窗口分别调制一路信道,由于频段间的干扰,传输距离相对短,应用于ADSL中。DMT已成为ANSI制订的ADSL应用的调制标准–T1.413。

1.3、DSL对线路的要求

1、线径：
是指线路的截面积，线的线径越粗，传输速率越高，线损越小。国内常用的有超六类26线径(直径0.404mm导线)、五类线24线径(直径0.511mm导线)、六类线23线径(直径0.574mm导线)几种规格。
2、线路长度
线路长度决定了传输衰减和时延。线路过长会造成传输衰减加大，时延加长，传输设备无法建立连接或使传输速率降低，从而达不到额定要求。
3、加感线圈
铜质双绞线线路过长，为保证在3Khz频段内频谱的平坦度，常常接有一个或多个线圈。加感线圈对于高频信号有很大的衰减作用，接入DSL时需要去除加感线圈。
4、桥接抽头
是跨接在双绞线上的未用的支路线路。一般多靠近用户端，这些抽头对数字传输的高频信号将产生反射，可能会抵消从远端传来的有用信号脉冲。ADSL要求环路上桥接抽头的总长度小于800米，单个桥接抽头小于650米，靠近两端MODEM的桥接抽头对传输影响最显著，应特别注意。可能的话，最好去掉所用的桥接抽头。
5、串扰和背景噪声
在同一线束内其它传输数字信号线的串扰，也就同时有多根网线或者电话线相互电磁干扰。

2、DSL技术分类

2.1、对称DSL技术

对称传输模式是指上下行速率相同，适合于电信传输、专线接入、高速互联等应用，点对点连接，主要用在要求高速、稳定的专业场合。

对称DSL技术有以下4种：
1、HDSL(High-bit-rate DSL,高比特率DSL)：是众多DSL技术中较为成熟的一种，并已得到了一定程度的应用。HDSL可以使用铜质双绞线(两对铜线)以全双工1或E1方式传输，无需借助放大器即可实现3.6公里以内的正常数据传输。HDSL支持N*64Kbps各种速率，最高达到了2Mbps。HDSL最突出的优势是部署成本低廉、安装简便，是T1/E1较为理想的替代技术之一。

2、SDSL(Single-Line DSL，单线DSL)：SDSL是HDSL单线版本，也就单对铜质双绞线，提供各种可变速率，速率范围从160kbps~2.084Mbps。最大传输距离达到3公里以上。

3、MVL(Muliple Virtual Line，多虚拟数字用户线)：是Paradyne公司开发的低成本DSL传输技术，使用一对铜质双绞线传输数据，最大传输距离可达7公里左右。MVL用户端不需语音分离器，上下行传输速率最高达768kbps。安装成本及功耗都相对较低，并可进行高密度安装。

4、G.SHDSL(Single-Pair High-Speed DSL，单对高速DSL)：SHDSL指的是单线对高比特数据用户线，采用PAM技术，SHDSL是在HDSL、SDSL和ISDN基础上发展而来的新的对称数字用户线。使用单对铜质双绞线速率范围从192kbps~2.3Mbps，以4对线传输模式可达到4.6Mbps的带宽。SHDSL对应的国标标准为ITU-T G.9912，所以又被称为G.SHDSL。

2.2、非对称DSL技术

种非对称DSL技术，其上行速率远远小于下行速率，一般只用于家庭用户宽带上网，因其下载数据需求量远远大于上传数据量。

非对称DSL技术有以下2种：
1、ADSL(Asymmetric DSL，非对称DSL)：ADSL上行速率32kbps~1Mbps，下行速率32kbps到8Mbps，有效传输距离在3到5Km。在铜质双绞线同时传输语音和数据。

2、VDSL(Very High Bit Rate DSL，甚高速数字用户线)：是一种新兴的传输技术，在速度上要远超于ADSL。VDSL使用铜质双绞线进行语音和数据的传输。最大下行速率可达55Mb/s，上行速率可达19.2Mb/s。VDSL传输距离较短，传输距离通常为300米~1000米。

3、ADSL技术

1、用户的ADSL Modem先与ISP(运营商)的ADSL Modem池中的一个ADSL Modem建立连接，进而与服务器建立连接;随后ISP自动为用户分配一个IP地址，用户方可通过ISP的线路访问Internet。

2、家庭用户打开电脑使用浏览器上网，请求数据通过路由器到达ADSL Modem接入电话网，这时转换二进制数据到数字电脉冲，使得信号可以在数字音频流的频段内传输，分离器将数字电脉冲与音频流混合传输。

3、电话线的不同频段上同时传输信号数字信息和电话语音信息,到达运营商局端经过分离器，将信号分离数字电脉冲，进入运营商的DSLAM设备(Digital Subscriber Line Access Multiplexer，数字用户线路接入复用器)，即接入多路复合系统中心的Modem组合，它从多重DSL连接收取信号，将其转换到一条高速线上，用以支持视频、广播电视、快速因特网接入及其他高价值应用。

DSLAM其功能是接纳所有的DSL线路，汇聚流量，相当于一个二层交换机。

4、DSLAM将数据通过路由器传输到因特网，到达用户请求网站的服务器端。

5、从服务器端下载数据后，经过运营商局端经分离器将数据与音频流混合传输传回，到用户分离器剥离音频信号，将数据通过ADSL Modem将数字电脉冲转换成二进制数据—>路由器—>用户PC浏览器生成网页内容。

3.1、ADSL线路频谱

ADSL使用一对电话线，在用户线两端各安装一个ADSL调制解调器，该调制解调器采用了频分复用（FDM）技术，将带宽分为三个频段：最 低 频 段 部 分 为 0～4kHz，用于 普 通 电话 业 务 (POTS)，也 就 是 说 ，用 户 可 以 在 上 网 的 同 时 打电话 ，且 不 会 影 响 通 话 质 量 或 降 低 上 网 的 速 度 ；ADSL使用的频谱为26kHz -1.1MHz，其中上行频带26kHz-138kHz，下行频带从138kHz-1.1MHz。上行速率可达到640kbit/s，下行速率可达到8Mbit/s。

ADSL2+使用的频谱为26kHz -2.2MHz，其中上行频带26kHz-138kHz，下行频带从138kHz-2.2MHz。上行速率可达1Mbit/s，下行最大传输速率可达25Mbit/s。

在电话线上分隔上下行频率带宽 ，产生多路信道 ，ADSL MODEM 一 般 采 用 两 种 方 法 实 现 ，FDM(FrequencyDivisionMultiplexing，频分多路复用)或 回波抵消EC(EchoCancellation)技 术 。这两种方式都将电话线的 0～4kHz频带用作语音信号的传送，作为数据通信部分采用不同的方式处理：

3.2、ADSL复用技术

3.2.1、FDM频分多路复用

FDM(FrequencyDivisionMultiplexing，频分多路复用)
“复用”是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。传输的语音信号的频谱一般在300~3400Hz内，为了使若干个这种信号能在同一信道上传输，可以把它们的频谱调制到不同的频段，合并在一起而不致相互影响，并能在接收端彼此分离开来。

一个信道只传输一路信号是非常浪费的。为了充分利用信道的带宽，将频谱分为N个子信道，每个子信道首先通过低通滤波器（LPF），以限制各路信号的最高频率fm。

• FDM方式的上行通道频段从7#子信道-31#子信道（除去16#）
• FDM方式的下行通道频段从32#子信道~255#子信道（除去64#）
  上行24个子信道、下行223个子信道

频分多路复用将用于传输的信道的总带宽划分成N个子频带(子信道),每一个子信道传输1路信号。频分复用系统的最大优点是信道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方便。因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。频分复用系统的主要缺点是设备生产比较复杂，会因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰。

FDM用户分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。所有用户在同样时间占用不同的带宽资源。

3.2.2、回波抵消EC

单纯的FDM不能充分利用带宽 ，EC方式使用上下行信道重叠方式，通过本地回波抵消来区分两频带， 回波抵消比FDM更加有效地利用了带 宽 ，使下行信道可利用的频带增宽，同时也增加了系统的复杂性，灵敏度的降低。现在的ADSL尽管只有一小部分的频带交叠，但仍会有回波问题，因此仍需回波抵消的控制电路。在ADSL中，FDM和回波抵消技术可以结合使用。

• EC方式的上行通道频段从7#子信道-31#子信道（除去16#）
• EC方式的下行通道频段从7#子信道~255#子信道（除去64#）
  上行24个子信道、下行248个子信道。

3.3、调制编码技术

ADSL调制技术有3种: QAM（正交幅度调制）、CAP（无载波幅度/相位调制CAP） 、DMT（离散多音DMT），其中DMT调制技术被ANSI标准化小组T1E1.4制订的国家标准所采用，目前使用的ADSL大多数都是基于DMT调制技术线路编码的。

先谈标准之分，ADSL底层技术标准由ANSI(美国国家标准学会)和ITU(国际电信联盟)所制定，分为ADSL Full Rate和ADSL G.lite两类。

ADSL Full Rate被称为全速率ADSL标准，最高下行速率8192Kbps，最高上行速率1024Kbps。要求必须安装POTS语音分离器。对应标准为ANSI T1.413 Issue 2(欧美市场)；ITU-T G.992.1（G.dmt）。

ADSL G.lite被称为简化后的ADSL标准，最高下行速率1.5Mbps，最高上行速率512Kbps。无须安装POTS语音分离器。对应标准为ITU-T G.992.2（G.lite）。

3.3.1、ADSL的DMT调制

DMT(Discrete Multitone，离散多音复用)调制技术采用频分复用的方法，把0~1.104MHz的频带划分为256个由频率指示的正交子信道，每个子信道占用4.3124KMH带宽。DMT采用了256-QAM调制技术，把频带分割的256个子信道，除了用于普通话音传输的0～4kHz频带外，其他的频带被分成255个子载波，子载波之间的频率间隔为4.312 5kHz(1104/4.3125正好等于256)。利用每个子载波的4kHz频带，两个子信道之间有0.3125kHz(4.3125-4)的频隔离区。

上行通道最大24子信道，下行数据传输通道最大248(EC方式)个子信道。

256个载波上的输入信号经过比特分配和缓存，将输入信号划分为比特块；经TCM编码后再进行512点离散傅立叶反变换（IDFT）将信号变换到时域，这时比特块将转换成256个QAM子字符。随后对每个比特块加上循环前缀（用于消除码间干扰），经数据模变换（DA）和发送信号分离器将信号送上信道。在接收端则按相反的次序进行接收解码。

DMT具有很强抗脉冲噪声和窄带噪声干扰能力,根据傅立叶分析理论,频域中越窄的信号其时域延续时间越长,DMT方式下各子信道的频带都非常窄,因而各子信道信号在时域中都是延续时间较长的符号,故可以抵御短时脉冲的干扰;如果线路中出现窄带噪声干扰,可以直接关闭被窄带噪声覆盖的几个信道,系统传送性能不会受到太大影响。

3.4、ADSL的数据封装

ADSL用户端设备的路由器，使用的是RJ45接口，即ATM接口。与以太网不一样的是还有传输传送声音的技术。ATM一项信元中继技术，数据分组大小固定。相当于将数据打包成大小一样的包传送到目的地。优点是采取定长分组（信元）作为传输和交换的单位；具有优秀的服务质量；目前最高的速度为10gb/s,即将达到40gb/s。

ADSL用户端设备的路由器将带有语音的数据—>运营商DSLAM设备(数字用户线路接入复用器)的数据是怎样的一个组成？

1、用户电脑的应用端数据经过传输层、网络层打包后，在数据链路层LLC负责识别网络层协议封装成帧。

SSAP，DSAP 分别是源目服务接入点的地址，其中DSAP的格式（I/G|D|D|D|D|D|D|D）I/G=0表示地址无效，=1表明是组地址；
SSAP（C/R|S|S|S|S|S|S|S）C/R=0表明是一个命令，=1表明是一次响应。

B-ISDN协议参考模型
B-ISDN(Broadband Integrated Services Digital Network，是宽带综合业务数字网)，B-ISDN基于ATM技术，把话音、数据、图象等各种业务都综合到一个网内。

2、当数据链路层的帧在AAL(ATM Adaption Layer，ATM适配层)适配，AAL5多协议封装针对C/D类业务是非实时的可变比特率业务，在CS会聚子层时，将报文填充至有效载荷字段并加上尾部信息，选择填充数据（0字节~47字节），以使整个报文（包括填补的数据和尾部信息）为48字一节的整数倍。AAL5没有会聚子层头，只有一个8字节的尾。

通过SAR子层(Segmentation and Reassembly,分段重组)功能进行分段重组，SAR子层不增加任何头、尾信息，而是将报文分成48字节的单元，并将每个单元送到ATM层进行传输。

以上就是数据链路层的帧在输入到AAL(ATM适配层)，输出的是相等大小的信元流，这个报文包含48字节的ATM业务数据单元还有一个8字节的尾。

3、数据进入运营商DSLAM设备(数字用户线路接入复用器)再进入运营商数据汇聚设备。
早期的ATM-DSLAM
上行：数据帧—>ADSL路由器转换成ATM信元—>分离器转换成模拟信号—>DSLAM设备换成ATM信元
下行：ATM信元包含ATM业务类型、PVC数据—>DSLAM设备对不同的ATM业务参数识别—>分离器转换成模拟信号—>ADSL路由器转换成数据帧

IP-DSLAM
上行：数据帧—>ADSL路由器转换成ATM信元—>DSLAM设备实现AA５ SAR功能转换成相应的MAC帧。

下行：数据帧—>DSLAM设备通过AAL5 SAR功能转换为ATM信元，将MAC地址实现到PVC转换，最终转换为ADSL信号—>ADSL路由器转换成数据帧

ATM是面向连接的交换，其连接是逻辑连接，即虚连接。ATM网络中，可以在物理链路上创建逻辑连接VP（Virtual Path，虚路径）和VC（Virtual Circuit，虚电路）

一条物理链路上可以创建多条VP，每个VP可以采用复用方式容纳多个VC。不同用户的信元通过不同的VP和VC传递。VP和VC通过虚路径标识符（Virtual Path Identifier，VPI）和虚通道标识符（Virtual Channel Identifier，VCI）来标识。

ATM使用一对VPI/VCI的组合来标识一条逻辑连接。当一个连接被释放时，与此相关的VPI/VCI值对也被释放，它被放回资源表，供其它连接使用。

ATM交换机通过查找交换表项改变VPI/VCI值，实现ATM信元的转发。只改变VPI值的ATM交换过程称为VP交换，通过此方式建立的连接称为VPC（Virtual Path Connection，虚路径连接）。

只改变VCI值或同时改变VPI/VCI值的ATM交换过程称为VC交换，通过此方式建立的连接称为VCC（Virtual Circuit Connection，虚电路连接）。

pvc即永久虚电路是在源地址与目的地址间永久性硬件电路的连接。

建立VC时，COE与CPE双方需要协定VPI/VCI值。VPI与VCI值取值范围分别是VPI(0~255)、VCI(32-65535)。ADSL常见值有0/35、0/32；封装形式分为两种：LLC-Encapsulation(允许在单一的ATM虚电路上复用多种协议)和VC Multiplexe(让每一种协议都承载在不同的ATM虚电路上)；AAL5可用最大协议数是指ADSL上层协议，即VCC上运行的高层接入方式。

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