现代通信技术与系统

201现代通信技术与系统陆韬编著注：本教材已由武汉大学出版社出版版权所有，翻录必究二OO八年七月武汉大学出版社202第9章有线通信综合接入网技术宽带互联网的组网结构分为“用户接入网”和“城域骨干网+长途广域网”两部分；宽带接入网是使用最广泛,发展技术较快的重要通信技术,代表着通信网络的主要组成部分。本章叙述了宽带互联接入网的主流组网技术和发展的新标准，共分为四个部分：第1节概述了通信宽带互联网组网概念与国际规范；第2节简述了通信宽带铜线接入技术；第3节简述了通信网宽带光纤接入技术；第4节简述了用户综合通信网组网技术；其中第2-4节均为最新通信接入网技术的技术发展成果；整章内容构成了通信接入网络的基础理论要点，具有很强的实用性。§9-1宽带互联网组网技术概论§9-1-1通信接入网概论1.通信接入网概论根据ITU-T建议G.902的定义：通信接入网(AN)是由通信业务节点接口(SNI)和用户网络接口(UNI)之间的一系列通信业务传输设施所组成的，该设施受到通信运营商（电信公司）的监控、配置和管理。它主要包括用户终端设备、用户线传输系统和通信业务节点接口设备等三大部分。其功能主要是将用户的各种通信业务信息汇聚传送至电信公司的通信系统（如节点机房等）。我国自20世纪90年代（1990年之后）开始，大量采用全塑铜芯双绞线市内通信电缆，敷设于通信用户与电信局（交接箱、节点机房等）之间，形成了庞大的通信电缆（属于“一类双绞线”）接入网的特点；目前城市通信机房一般分为“交换传输中心机房（监控中心）”和“小区节点机房（无人职守）”两大类，每个中心机房统一监管若干个小区节点机房，通过（单模）光纤传输系统，疏导其通信业务量；每个小区节点机房则汇聚其自然地域范围内的所有通信用户，一般每个小区节点机房的用户区域半径在2.5Km以内，最大不超过5.0Km，用户总数一般不超过1.5万户。接入技术可以分为有线接入技术和无线接入技术两大类，目前向用户提供宽带业务的主要有基于铜线的ADSL技术、光纤接入（EPON、GPON）技术、基于HFC的CableModem及宽带无线等接入方式，而ADSL和光纤两种接入方式占了95%以上的市场份额。本章主要介绍有线通信接入技术。2．接入网的定义根据ITU-T建议G.902的定义：接入网(AN)是由业务节点接口(SNI)和用户网络接口(UNI)之间的一系列传送实体所组成的电信承载系统，并可通过标准管理（Q3）接口进行配置和管理。它通常包含用户线传输系统、复用设备、数字交叉连接设备和用户网络接口设备。其主要的作用包括复用和传输功能，但一般不包括交换功能，并且独立于交换机。另外接入网对用户信令是透明的，不做处理，相应的信令处理由SN完成。图9.1接入网的系统组成示意图ITU-T接入网的主要设计目标如下：(1)支持各类综合电信业务的接入。将接入网从具体的业务网中剥离出来，成为一种独立于具体业务网的基础接入平台，以支持电话、宽带、IPTV等各类电信业务接入，有利于降低接入网的建设成本。(2)开放、标准化SNI接口。将接入网与本地交换设备之间的接口，即SNI接口由专用接口定义为标准化的开放接口，这样AN设备和交换设备就可以由不同的厂商提供，为大量企业参与接入设备市场接入网(AN)Q3UNI业务节点(SN)SNIQ3TMN203的竞争提供了技术保证，有利于设备价格的下降。(3)独立于SN的网络管理系统。该网管系统通过标准化的接口连接TMN，由TMN实施对接入网的操作、维护和管理。以上对接入网的定义，既包括了窄带接入网又包括了宽带接入网。通常宽带与窄带的划分标准是用户网络接口上的速率，即将以分组交换方式为基础，把用户网络接口上的最大接入速率超过2Mb/s的用户接入系统称为宽带接入，对最小接入速率则没有限制；窄带接入系统是基于传统的64kb/s的电路交换方式发展而来的，对基于IP的高速数据业务支持能力较差。3．接入网的范围定界接入网覆盖的范围由三个接口界定，如图9.1所示。网络侧经SNI与业务节点(SN)相连，CPE可以是简单的一个终端，也可以是一个复杂的局域网或其他任意的用户专用网。TMN侧可通过标准管理接口Q3对接入网设备进行配置和管理。其中SN是提供业务的实体，比如SN可以是本地交换机、IP路由器、租用线业务节点或特定配置的视频点播(VOD)等。接入网允许与多个SN相连，既可以接入多个支持不同业务的SN，也可以接入支持相同业务的多个SN。图9.2接入网的一般物理结构示意图4．接入网的一般物理结构接入网从物理上可分为馈线段、配线段和引入线段，图9.2为接入网的一般物理结构。连接业务节点和局端设备之间的部分称为馈线段，接入网的局端设备可以放在机房内，即和业务节点放在一起，也可以放在机房外，如某个小区中心、马路边或写字楼内。如果局端设备与业务节点放在一起，则局端设备一般通过电接口与业务节点直连；如果局端设备没有与业务节点放在一起，则馈线段一般采用有源光接入技术，如SDH、PDH等。网络拓扑结构可以是环型或星型。连接局端设备和远端设备之间的部分称为配线段，远端设备一般放在马路边、小区中心、大楼内、用户办公室或用户家中，局端设备和远端设备之间可采用无源光纤、无线或铜线方式传输。网络拓扑结构可以是星型或树型。引入线部分的传输媒介一般为铜线或无线。§9-1-2主要功能和协议参考模型1．接入网的功能模型接入网的功能结构分为五个基本功能组：用户口功能(UPF)、业务口功能(SPF)、核心功能(CF)、传送功能(TF)和接入网系统管理功能(AN-SMF)，其结构如图9.3所示。图9.3接入网的功能结构示意图局端设备馈线段业务节点SNI配线段远端设备引入线UNI用户口功能核心功能传送功能核心功能业务口功能接入网系统管理功能UNISNIQ3204（1）用户口功能用户口功能的主要作用是将特定UNI的要求与核心功能和管理功能相适配，它完成的主要功能有：终结UNI功能、A/D转换和信令转换、UNI的激活与去激活、UNI承载通路/承载能力的处理、UNI的测试。（2）业务口功能业务口功能的主要作用是将特定SNI规定的要求与公用承载通路相适配以便核心功能处理，也负责选择有关的信息以便在AN-SMF中进行处理，主要功能有：终结SNI功能、将承载通路的需要和即时的管理及操作需要映射进核心的功能、对特定的SNI所需的协议进行协议映射，以及SNI的测试。（3）核心功能核心功能的主要作用是负责将个别用户承载通路或业务口承载通路的要求与公用传送承载通路相适配。核心功能可以在接入网内分配，具体包括：接入承载通路的处理、承载通路集中、信令和分组信息的复用、ATM传送承载通路的仿真及管理和控制。（4）传送功能传送功能的主要作用是为接入网中不同地点之间公用承载通路的传送提供通道，也为所用传输媒介提供媒介适配功能，主要功能有：复用功能、交叉连接功能、管理功能、物理媒介功能等。（5）接入网系统管理功能接入网系统管理功能的主要作用是协调接入网内UPF、SPF、CF和TF的指配、操作和维护，也负责协调用户终端(经UNI)和业务节点(经SNI)的操作功能,主要功能有：配置和控制功能、指配协调功能、故障监测和指示功能、用户信息和性能数据收集功能、安全控制功能、资源管理功能、对UPF和SN协调的即时管理和操作功能。2．接入网的参考模型接入网的功能结构实际是以ITU-TG.803建议的分层模型为基础的，而分层模型则定义了构成接入网的各实体之间的相互配合关系，接入网的通用协议参考模型如图9.4所示。其中电路层面向电路层接入点之间信息的承载模式，例如电路模式、分组模式、帧中继模式、ATM模式等。图9.4接入网通用协议参考模型示意图通道层定义了通道层接入点之间信息的传递方式，并为电路层提供透明的通道，如PDH、SDH、ATM及其他类型的通道。传输媒介层则与具体的传输媒介相关，相当于OSI的物理层，它可以是铜线系统(xDSL)、光纤接入系统、无线接入系统、混合接入系统等，而具体的传输媒介可以是双绞线、光纤、无线或同轴光纤混合方式等。接入承载处理功能位于电路层之上，主要用于用户承载体、用户信令及控制与管理。§9-1-3接入网的接口与分类接入网有三种主要接口，即业务节点接口、用户网络接口和维护管理接口等。1．业务节点接口(SNI)SNI是接入网和SN之间的接口，可分为支持单一接入的SNI和综合接入的SNI。目前支持单一接入的SNI主要有模拟Z接口和数字V接口两大类，其中Z接口对应于UNI的模拟2线音频接口，接入承载处理功能层AF电路层(CL)通道层(TP)传输媒介层(TM)层管理系统管理接人承载能力要求205可提供模拟电话业务或模拟租用线业务；数字V接口主要包括ITU-T定义的V1-V5，其中V1、V3和Ｖ4仅用于N-ISDN，V2接口虽然可以连接本地或远端的数字通信业务，但在具体的使用中其通路类型、通路分配方式和信令规范也难以达到标准化程度，影响了应用的经济性。支持综合接入的标准化接口目前有V5接口和以ATM为基础支持宽带综合接入的VB5接口，但VB5目前尚在制定中，还很不完善。2．用户网络接口(UNI)UNI在用户侧，接入网经由用户网络接口与用户宅用设备(CPE)或用户驻地网(CPN)相连。用户网络接口主要有传统的模拟电话Z接口、ISDN基本速率接口、ISDN基群速率接口、ATM接口、E1接口、以太网接口，以及其他接口。用户终端可以是计算机、普通电话机或其他电信终端设备。用户驻地网可以是局域网或其他任何专用通信网。3．维护管理接口(Q3)维护管理接口是电信管理网与电信网各部分的标准接口。接入网也是经Q3接口与电信管理网(TMN)相连，以方便TMN管理功能的实施。4．接入网的分类根据宽带接入网采用的传输媒介和传输技术的不同，接入网可分为宽带有线接入网和宽带无线接入网两大类。宽带有线接入网技术主要包括：基于双绞线的xDSL技术、基于HFC网(光纤和同轴电缆混合网)的CableModem技术、光纤接入网技术等。宽带无线接入网技术主要包括：3.5GHz固定无线接入、LMDS等。§9-1-4V5接口1.V5接口概述V5的概念最初由美国Bellcore（贝尔实验室）提出，它是专为接入网的发展而提出的本地交换机(LE)和接入网之间的新型数字接口，属于SNI范畴。20世纪90年代初，随着通信网的数字化，业务的综合化，以及光纤和数字用户传输系统大量引入，要求LE提供数字用户接入的能力。而ITU-T已经定义的V1～V4接口都不够标准化，很难满足应用中的实际需求。V5接口正是为了适应接入网范围内多种传输媒介、多种接入配置、多种业务并存的情况而提出的，根据速率的不同，V5接口分为V5.1和V5.2接口。由于这一新接口规范的重要性和迫切性，ITU-T第13组于1994年以加速程序分别通过了V5.1接口的G.964建议和V5.2接口的G.965建议。与V5接口相关的标准还涉及V5.1和V5.2接口的测试规范、具有V5接口的AN/LE设备的配置管理、故障管理和性能管理等方面。我国则在ITU-T的V5接口技术规范基础上，于1996年完成了相应的V5.1和V5.2接口技术规范的制定，并根据我国电信网络的现状，明确了部分可选参数，指明了适用于我国的PSTN协议消息和协议数据单元，并提供适合我国国情的V5接口国内PSTN协议映射规范技术要求。如果AN-SNI侧和SN-SNI侧不在同一地方，则可以使用V5接口来实现透明的远端连接。V5接口协议规定了接入网和LE之间互联的信号物理标准、呼叫控制信息传递协议，使得PSTN/ISDN用户端口终止于接入网而不是LE。通过V5接口接入网只需要完成对用户端业务的提供，呼叫控制功能仍然留给LE完成。这样就各司其职、独立发展，有助于不同网间互联。V5接口主要的优点如下：(1)支持接入网通过复用/分路手段实现对大量用户信令和业务流更有效的传输；(2)支持通过Q3接口对接入网进行网络管理；(3)支持对接入网的资源管理和维护；(4)支持用户选择LE；(5)充分有效地利用网络带宽资源。2.V5接口支持的业务20