摘? 要: 描述了一種新興寬帶接入技術。這種寬帶接入技術利用VDSL在現有電話線上實現10M以太網(Ethernet)功能,從而以盡可能低的成本,在不需要重新布線的情況下實現寬帶接入。?

　　關鍵詞: 寬帶接入? 數字用戶環路(xDSL)? 甚高比特率數字用戶環路(VDSL)? Ethernet?

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　　Internet的發展正快速進入寬帶時代。目前在處理“信息高速公路最后1公里”的寬帶接入問題方面已經有了很多解決方案,例如:FTTH(光纖到戶)接入網、HFC(混合光纖同軸電纜)接入網、光纖+雙絞線以太網、高速無線接入網、xDSL等。?

　　除xDSL寬帶接入方式外,其它幾類接入網的建設需要重新布線或建立無線基站。在寬帶建設中,布線工程或無線基站建設工程的成本占總成本的比重非常大,這些方案無疑增加了網絡運營商的運營成本,影響了其競爭力。?

　　xDSL是幾類DSL(數字用戶環路)的總稱,包括ADSL(非對稱數字用戶環路)、VDSL(甚高比特率數字用戶環路)、SHDSL(對稱型高比特率數字用戶環路)和IDSL( ISDN 數字用戶環路)等。xDSL是為了避免重新布線的弊端,充分利用已有的銅質電話線路開發的寬帶接入技術,其中ADSL已有多年的發展,已成為一種較成熟的DSL技術。根據用戶到電話中心局的距離和電話線質量,ADSL可提供1.5Mbps～8Mbps的下行速率和64kbps～2Mbps的上行速率,現已成為各國電信公司主推的寬帶接入技術之一。?

　　VDSL是一種速度最快的非對稱數字用戶環路,由于其高速率特性,VDSL應用前途非常廣泛,如:視頻及電視節目、高速數據、視頻會議、廉價的T1和少量的T3業務,大型住宅區和校園內的多媒體業務等。現在一些有先見的國內外公司正加大投入,拓展VDSL技術,并將其它先進、成熟的技術與VDSL相結合開發出了更為實用的新技術,基于VDSL的以太網(Ethernet)技術就是一種典型代表。這種寬帶接入新技術的出現已經對國內一些網絡運營商正在建設的“光纖到小區、雙絞線到家庭”的以太網寬帶接入運營模式構成了強有力的挑戰。?

1 基于VDSL的以太網(Ethernet)?

　　基于VDSL的以太網的構思是由Savan公司提出的,Infineon、BroadCom和國內一家科技公司實現了這一構思。該技術采用VDSL作為物理層,在芯片組內置媒體訪問控制器,集成了VDSL,實現了長距離傳輸,速度可達10Mbps以上的全雙工標準以太網功能。?

1.1 VDSL技術?

　　VDSL技術將電話線上數據傳輸速率推到極限,其初衷是通過數字信號處理(DSP)技術的最新進展提供最快的速率。VDSL的ETSI(歐洲電信標準組織)和ANSI(美國國家標準協會)標準已經制訂完畢,ITU(國際電信聯盟)標準正在加緊制訂中。VDSL采用了成熟的QAM、CAP和DMT調制技術與自適應均衡技術,它占用電話線的頻段為1.1MHz～12MHz。在非對稱模式下,下行速率可達13Mbps～52Mbps,上行速率可達2Mbps～19.2Mbps;在對稱模式下,可實現全雙工10Mbps、13Mbps的通信速率,其傳輸速率與電話線質量和傳輸距離有關。?

　　CAP和DMT是ADSL和VDSL等數字用戶環路中采用的兩大相互競爭的調制技術。CAP(無載波調幅和調相)基于QAM,而QAM(正交調幅調制)是一個久經考驗的MODEM調制技術,它采用振幅和相位的變化來代表數據符號。產生一個QAM波是非常復雜的過程。DSL通常采用的方法是以數字形式存儲波形的一部分,然后把這些存儲的部分組成適當的波形變成最終的調制波,不帶任何信息的載波,在傳輸前立即壓縮以提高效率。為了獲得最佳的信號質量,CAP調制在選擇相應條件下的QAM方法前,有一個啟動過程以測試線路質量。DMT(離散多頻)把數據帶寬分為4kHz的頻帶,給下行方向載波數百個,上行方向載波幾十個。DMT還包括一個先進的測試算法,它連續測試每個頻帶的SNR,適當調整數據負載,使DMT能夠連續檢測和調整傳輸特性,以適應電話線路狀況的變化。由于DMT的復雜性,只有采用先進的DSP技術才能實現這一調制方式;相比之下,CAP技術較為簡單成熟、成本低廉,已為很多著名廠商采用。由于不同廠商對采用哪一種調制技術存在著分歧,ADSL論壇組織(也是國際上協調VDSL的論壇組織)在選擇調制技術上采取了中立態度,將調制技術的決策留給每個廠商自己。表1對CAP和DMT進行了對比。

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　　在電話線上,VDSL采用的頻段范圍為1.1MHz～12MHz,而電話話音占用的頻段為300Hz～3400Hz,因此VDSL和話音傳輸可以同時進行。話音、ISDN、VDSL和其它DSL的頻段分布如圖1所示。?

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1.2 以太網(Ethernet)技術?

　　以太網是目前使用最廣泛的局域網技術,它具有擴展性強、可靠性好、成本低廉等特色,并擁有大量的網絡管理工具。Ethernet標準IEEE 802.3經歷了10Mbps、100Mbps、1000Mbps的發展歷程,其中10Mbps和100Mbps Ethernet技術非常成熟,成本已經很低廉。10Mbps交換式Ethernet網絡足以滿足Internet寬帶接入(≥2Mbps)的要求。?

　　構成Ethernet網有四個要素:1、幀(frame),這是一系列標準化的數據位,用在系統中傳輸數據;2、介質訪問控制協議(media access control protocol),它由一整套內嵌于各個Ethernet接口中的規則組成;3、信號部件(signal component),即用在Ethernet信道中發送和接收信號的部件,如:網卡、收發器等;4、物理介質(physical mdedium),由電纜和其它用來聯網的計算機之間傳輸數字式Ethernet信號的硬件部件組成。?

　　Ethernet的核心技術是CSMA/CD(載波偵聽多路訪問/沖突檢測)協議。IEEE 802.3標準中將Ethernet分為四層:LLC邏輯鏈路控制子層次;MAC介質訪問控制子層次;物理信號子層次和介質規范。其中前兩者位于OSI網絡參考模型的第二層(數據鏈路層),后兩者位于OSI網絡參考模型的第一層(物理層)。?

2 設計與實現?

2.1 設計方案概述?

　　10BaseS是infineon公司提出的一種基于VDSL的以太網解決方案,該方案可以在現有銅質電話線上實現10Mbps全雙工Ethernet通信,距離可達1.6公里。可以在不相互干擾的情況下,同時支持高速數據通信與POTS、ISDN或PBX電話話音信號傳輸。基于VDSL的Ethernet系統的設計分為用戶端設備(CPE)和局端設備(Ethernet交換機或DSLAM)。目前推出的10BaseS套片由三片構成:PEF 22810(VDSL線驅動芯片)、PEB 22811(VDSL模擬芯片)、PEF 22822(數字芯片)。?

2.2 10BaseS套片的特性?

　　Infineon公司的10BaseS套片具有如下重要特性:?

　　·對稱10/100Mbps Ethernet速度,全雙工模式;?

　　·兼容IEEE802.3 Ethernet MII、RMII、SMII和七線接口;?

　　·可配置為標準以太網物理層(Ethernet PHY)芯片,這種配置應用于Ethernet交換機或DSL接入復用器(DSLAM);?

　　·可配置為以太網媒體訪問控制層(Ethernet MAC)芯片,直接與用戶設備上標準Ethernet PHY芯片接口,這種配置應用于用戶端;?

　　·MII串口管理接口支持對所有內部寄存器訪問;?

　　·具有地址濾波、自學習的功能;?

　　·支持Ethernet SNMP MIB計數器功能;?

　　·支持QAM(正交調幅調制)調制技術:QAM4～QAM256;?

　　·對稱/非對稱線速可從低于1Mbps升至25Mbps(根據距離和線路狀況);在遠至1.6公里距離的情況下,可實現10Mbps的對稱速率;?

　　·支持Reed-Solomon前向糾錯功能(RS FEC)。?

2.3 用戶端設備(CPE)的設計與實現?

　　用戶端設備(CPE)的功能框圖如圖2所示。設計用戶端設備時,應將10BaseS套片配置為Ethernet MAC模式。從功能框圖中可以看出,在PEF22822一端要加入以太網物理層(Ethernet PHY)芯片和變壓器(Transformer)。在設計中選擇了NS公司的10/100Mbps的DP83846AVHG 以太網物理層芯片,NETCOM公司的單端口10Base-T隔離變壓器。將變壓器輸出線直接引到RJ45插座上,這樣通過三類或五類雙絞線即可將CPE聯到PC機的以太網卡或其它具有以太網接口功能的設備上。在PEF 22810一端設計有濾波器(Fliters)以便盡可能消去電話線上的干擾。為同時支持VDSL數據通信和電話話音通信,在CPE的輸出端設計有分離器(Splitter),這樣用戶可以在使用VDSL數據傳輸的同時不妨礙打電話。設計分離器(Splitter)時,應注意當CPE掉電時,電話仍能打通,這個功能可以采用繼電器來實現。?

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2.4 局端設備的設計與實現?

　　在局端設備(Ethernet交換機或DSLAM)中,應將10BaseS套片配置為標準Ethernet PHY模式。?

　　本文以基于VDSL的十二端口Ethernet交換機為例來說明,其功能框圖見圖3。該交換機的端口分為一個上連端口和11個下連端口,圖3中只畫出了1個下連端口,其它10個下連端口與該端口是一樣的。上連端口設計為標準Ethernet方式,速率設置為100Mbps,接口采用RJ45,通過五類雙絞線與服務器相聯;下連端口設計為基于VDSL的方式,用來接電話線,為了避免個別用戶占用過多的帶寬,下連端口通信速率設置為10Mbps。在設計這款交換機過程中,筆者對多款Ethernet MAC交換控制芯片作了詳細的分析和對比,最后選擇了Advanced Communication Devices公司的ACD82112。該芯片支持十二端口10/100Mbps Ethernet 交換功能,它與PEF22822之間通過IEEE 802.3 Ethernet MII接口相連。由于10BaseS套片只支持一個端口的通信通道,因此在一塊交換機電路板上需設計有十一組10BaseS套片。上連端口的物理層芯片選用用戶端設備中采用的DP83846AVHG,變壓器采用NETCOM公司的單端口10/100 Base-T隔離變壓器,以支持100Mbps的通信速率。10BaseS套片與電話線之間的電路設計思路與CPE相應部分的設計思路是一致的,可以直接借用。?

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　　VDSL的特色在于其高速性,這使它在很多其它DSL無法滿足要求的寬帶應用領域中極具吸引力;而VDSL與成熟、穩定的Ethernet技術的結合無疑是一大創舉。關于VDSL的ITU標準正在加緊制訂,預計近期將會形成決議,屆時會有更多的知名公司提供種類更豐富、成本更低廉、互操作性更好的基于VDSL的Ethernet產品。一旦基于VDSL的Ethernet的傳輸距離突破5公里(即ITU標準規定的用戶端到電話中心局的最遠距離),那些以“光纖到小區、雙絞線到家庭”的以太網寬帶接入為運營模式的網絡運營商將不得不調整其經營策略,以應付這一新技術帶來的挑戰。?

參考文獻?

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