高速远程接入网的数据业务

赵锋

　　当前,相互竞争的接入提供商(CAP)、互联网服务提供商（ISP）和电缆系统运营商正在积极参与高速数据接入业务市场竞争。这不仅威胁到了公共网络运营商的互联网业务市场，也逐渐地影响到了语音电话市场。鉴于这种情况，传统的本地网络运营商和长途网络运营商开始准备正面迎接这些新兴公司的挑战，以尽可能地保住自己的语音电话市场份额。互联网接入和电信级远程接入为高速数据接入业务的发展提供了主要的市场驱动力，这一点是不容置疑的。

　　从历史上来看,由于七、八十年代数字技术开始广泛应用于电话交换，在过去的十年里ISDN也得到了很大发展，因此人们常常认为模拟调制解调器将逐渐被淘汰。但是这种看法现在看来是错误的，模拟调制解调器已经成为人们进行远程接入所依赖的主要工具。利用模拟调制解调器上网所获得的传输速率不断提高，目前已接近了香农定律中的最大极限64kb/s，与此同时，价格却已下降到普通人可以接受的程度。但是最近一段时间以来，情况开始发生了变化，对高质量多媒体应用的需求越来越多；用户希望获得与局域网环境类似的网络性能；接入技术的快速发展促使厂商们竞相提出全双工高速接入的解决方案，速率提高到每秒数兆比特，有些已经具有与局域网类似的性能。如果价格降到合理的程度，消费者将会尝试采用这些接入解决方案。从实践的角度来说，它们很可能在未来相当长的一段时间内共存。但是，网络和服务供应商们为迎接对高速接入的要求做好准备了吗？

　　电话公司有许多选择。即使是在当前这种环境下，许多用户还申请了第二部电话，使用模拟调制解调器接入互联网，这也给电话公司带来了很多利润。为了保住市场份额，模拟调制解调器制造商不断提高调制解调器的速率，使之达到了下行56kb/s、上行33kb/s。那些熟悉xDSL技术的人们认为在这种情况下xDSL接入方案是最佳的选择，因为可以获得高达8Mb/s的下行带宽和1.5Mb/s的上行带宽。但是，xDSL有许多类型，这也给电话公司和服务提供商带来了类似的困惑。正是由于电话公司缺乏有效的手段和缺乏一致的认同才错过了发展128kb/s ISDN的时机而失去了一个巨大的潜在市场。现在看来，ISDN的市场在低端被56kb/s抢占，在高端则被xDSL和电缆调制解调器占领。本地网络运营商们在计费和选择何种技术上很难达成一致。同时，有线业务运营商已经开始试验或提供有线数据业务，他们所选用的电缆调制解调器可以每秒数十兆的速率运行。有趣的是，电缆调制解调器和有线数据网络是有线电视多业务运营商（MSO）进入方兴未艾的远程接入数据市场的唯一选择。其它的一些运营商寄希望于无线和卫星技术来提供高速数据接入。

接入网和骨干网

　　接入网与骨干网的关系与二级公路和干线公路的关系十分类似。有的接入网是单向的，有的网络双向不对称，还有的网络是全双工的。
一个接入网内的用户可以通过广域网/互联网与另一个接入网内的用户或者互联网内容提供商（服务器）进行通信，而接入的方式则可以是多种多样的。 随着多种接入技术的发展成熟，它们必将会在多种应用中找到适合的生存空间。由于用户具有多种选择，所以网络和服务的互连互通就成了制约互联网发展的关键因素。

　　尽管许多服务提供商已经提供了本地的IP业务，但只是从最近才开始制定行业的规范和互通标准。目前除了发展信令规程、IP传输/路由、网络规划、配置、物理和逻辑子网管理等方面的规范外，考虑最多的就是数据的分发/路由、IP的ARP、ATM的ARP、ICMP、主机地址配置、订阅和安全。

数字用户环路（DSL）

　　xDSL是指使用现有电话双绞线的数字用户环路技术的总体系列。最原始的DSL终端诞生在Bellcore，当初它是为基带速率ISDN而发展的。尽管许多人将DSL与两端都带有调制解调器的一条线路联系在一起，但DSL最初是用于基带速率ISDN的一个或一对调制解调器而不包括他们之间的线路。DSL在铜线上支持160kb/s的传输，包括两个64kb/s B信道，一个16kb/s D信道和一些用于控制和管理的开销。调制解调器使用从0到80kHz的带宽，利用回声抑制技术隔离接收信号和发送信号。当用于ISDN时，DSL不支持模拟电话。
从DSL衍生了许多类型，诸如高速率DSL（HDSL），单线DSL（SDSL），非对称DSL（ADSL），自适应速率DSL（RADSL）和甚高速率DSL（VDSL），所有这些子类型都使用铜线接入，它们之间的区别主要在于传输速率、方向性、距离以及铜线的型号。表1比较总结了各种不同的xDSL技术。

比特同步模式

　　比特同步传输模式支持传统的电路交换网络数字体系，并可通过现有的CBR电路交换业务与骨干语音或数据网络接口。ADSL调制解调器支持DS1、E1、DS2、E2准同步数字体系。

　　每个应用都会在数字体系中选择相应的带宽来满足各自的需求。举例来说，一个3Mb/s的视频下行数据流将需要有相当于两条DS1链路的带宽。在上行方向（包括双向控制信道）可选用16kb/s或64kb/s的整倍数的带宽。比特同步模式也可支持诸如互联网接入和局域网互连这样的数据应用。

ADSL接入分组网

　　如果用于传输ADSL数据流的骨干网是基于分组的，那么接入节点的复用器就将xDSL上加载的协议转换为某一种通用的分组传输业务协议。基于分组的网络可以对一条ADSL链路上的可变长的数据链路层的帧或网络层的分组进行交换或路由选择。尽管ADSL接入网络内使用的协议并不一定要与骨干网一致，但如果它们使用相同的协议将会大大提高效率，降低成本。PPP和FR是两种最通用的可以支持任何第三层（网络层）协议（例如IP、IPX）的第二层协议。ADSL的物理层被视为一个比特流管道。IETF RFC1662协议规定了PPP分组需在ATU-R和ATU-C之间的HDLC帧内传输。PPP的封装本身就允许多种协议在一条点到点链路上传输。帧用户网络接口（FUNI）是另一种可行的操作模式，FUNI帧是数据链路层HDLC帧的一种，在它之中可以封装待传输的可变长的数据帧。一个FUNI连接也可以使用链路层控制（LLC）封装或者是虚通路的复用来支持多个网络层协议的复用。

ADSL接入ATM网

　　在基于ATM网的传输中，ATU-R向用户设备提供一个本地ATM接口或者具有分段与重组（SAR）功能的传统局域网接口。在接入节点上的ATM复用器（也称为边缘交换机）为连到ATM广域网的物理端口提供了集中器和ATM层路由功能。另一种方案是，在局端交换中心（CO）提供SAR和ATM层路由功能，在这样的CO中，各VPI/VCI的ATM信元按网络层分组协议经过重组后被传送到互联网。一些设备制造商正在研制一种数字用户环路接入复用器（DSLAM）设备，这种设备可以安装在接入节点或CO内并能提供网络层和服务层互连功能，在接入端它支持在多个物理层协议（如HDSL、ADSL、DS1）之上的多种业务协议（例如：TCP/IP、PPP、FR、ATM信元中继、ATM电路仿真）。在骨干网一侧它可在ATM交换机上提供一个标准的ATM用户网络接口（UNI）以连接到ATM骨干网。未来的DSLAM可以通过内置于交换机或独立设备内的互连或网关功能与其它类型的网络（如FR、互联网、专用网）互连互通。此外，DSLAM本身也能提供多种专用接口与不同的骨干广域网连接。在接入节点和网络终端之间ATM之上透明传输网络层和更高层协议的有关规范正在起草。人们最关心的标准必须与线路编码无关，并能提供传输会聚（TC）子层规范以便接入ATM和PMD层。

　　接入节点应在ADSL与骨干网之间提供必要的终接和适配。接入节点应能对下行数据流执行基于VPI和VCI的解复用，路由和交换功能，对上行数据流执行集中和复用功能。在用户侧，ATM层的下行功能应包括向快速信道和交织信道上传送信元，而在上行方向上把这两种流复合为一个ATM流。ATM信元的交织模式和快速模式分别表现为较高的差错性能和低时延，采用何种模式主要取决于应用和业务的要求。在ADSL链路和调制解调器上可支持多个双向ATM连接，对于每个ATM连接，上行速率和下行速率在系统初始化时可分别设定，速率为32kb/s的整数倍，最大可到ADSL能支持的最大速率。ATM连接和比特同步连接可以共享ADSL的上行和下行带宽，但是带宽首先应为比特同步业务保留，剩余的带宽才能分配给ATM信道。

　　ADSL论坛、ATM论坛、DAVIC、ANSI和ETSI都在开展有关在ADSL上传送ATM的标准的制定工作。离散多频音调制（DMT）和无载波调幅/调相(CAP)是标准化组织和厂商正在讨论的两种线路编码技术。DMT已经被ANSI采纳为标准，目前的工作是研究CAP作为第2种线路编码方案。各个厂家对于DMT和CAP的态度争议很大。这种争论看来要持续一段时间，很可能ADSL业务提供商们将同时采纳两种编码技术。由于不需要对接入网结构做大的投资，所以xDSL越来越被视为是向用户提供高速接入的最合适的技术。它不是一种端到端的技术，而仅仅是一种支持POTS、ISDN、分组数据和ATM的接入技术。目前在现有的铜线上采用ADSL的价格已经比两三年前降低了一半。大多数厂商和行业分析预测这一价格在未来的一两年内还可能降低一倍。

电缆网络上的IP业务

　　应用于有线电视系统内的电缆调制解调器在高速接入市场上是取代xDSL技术和拨号模拟调制解调器的一种方案。在美国有六千五百多万个家庭安装了有线电视，有超过五千万台家用PC，正是有了这样的基础，电缆数据业务才有着巨大的发展潜力，由于意识到了这一点，电缆业务运营商开始积极地投身于发展电缆数据网络标准，将电缆设备升级到能处理双向的数字连接，并和生产厂商合作开发所需的网络软硬件。由于目前仅有大约15％～20％的电缆设备具有双向传输能力，所以在过渡阶段，一些服务提供商将单向电缆调制解调器用于下行数据传输，而对上行数据则使用模拟电话调制解调器，现在电缆设备正在缓慢地升级到混合光纤同轴（HFC）。随着市场上数字图像业务的出现，电缆有线电视多业务运营商们更加积极地将他们的设备升级到HFC，但是，升级的高成本，运营上的支撑和计费问题一度使他们放慢了升级的脚步，重新评估他们的发展计划。现在，远程数据接入市场的迅速发展促使电缆运营商再次考虑加速升级他们的系统。

　　一个电缆调制解调器连接着一根同轴电缆，能在用户端和电缆网络间的同轴电缆或光纤上进行数字通信。连接电缆调制解调器的以太网的最大传输速率为10Mb/s，而电缆调制解调器能提供多达27Mb/s的下行速率和2Mb/s的上行速率。电话调制解调器与电缆调制解调器的区别在于前者提供给用户一条独占带宽的连接，而后者向用户提供共享带宽的链路，每一用户所占的带宽并不固定，而是取决于某一时刻的用户数。另外，一些困扰电缆互联网接入的问题主要有安全问题、专用问题、由于电磁干扰而导致的返回信道质量问题以及多用户的共享带宽问题等。与拨号上网（例如：xDSL、ISDN、模拟调制解调器）相比，电缆数据网络最主要的优点就是能像企业网内部的局域网一样提供连接互联网的不间断的电路；电缆调制解调器另一个吸引人之处是价格比ADSL调制解调器低。

　　电缆调制解调器技术：在电缆系统中前端设备的作用相当于接入网与互联网之间的一个网关或者是电缆服务提供商的一个业务接入点（PoP）。在下行数据方向一个电缆调制解调器被设置到一个特定的载波频率波段，每个波段通过使用64-QAM（正交幅度调制）可容纳27Mb/s带宽，电缆运营商能提供许多这样的数据信道。具有更高频率敏感度的调制解调器能调节到噪音最小的信道，由于并不是所有共享电缆线路的用户在同一时间都会有数据传输，所以一个信道在统计上可以连接50个调制解调器。在美国大多数传统的电缆设备使用下行电缆放大器以在50到750MHz的频带内提供图像和数据传输，频谱中的5至40MHz用于上行数据流，但是这样的频带很容易受到其它电磁源的干扰。随着来自多个用户的信号在前端设备的复用，来自电缆设备不同终点的噪声也进入信号中，会引起数据差错。因此，维护电缆设备，处理故障就成为一项十分繁重、开销巨大的工作。

　　在一个典型的HFC电缆数据网络里，一个主前端设备通过基于SONET的光纤环与次级前端设备或集线器相连，这样的树型结构处理使得投资可以分摊于一个较大的用户基数上。从集线器导出的光纤延伸到附近的一个光节点，从这个节点又引出一个同轴电缆直到用户家中。在HFC网络里，一个典型的光节点可以向大约200到2000个家庭提供服务。目前，仅有不到百分之二十的电缆设备是基于光纤的，扩展光纤铺设的距离有助于减少电路放大器，降低噪音干扰，将网络分段成较小的分布系统可提高可靠性，大大降低整个分布网络的成本。在交换数字视频（SDV）这一可供选择的接入技术中，光纤被更进一步地推进到了用户端，实现了光纤到路边（FTTC），所有信息都在基带上进行数字传输。SDV的路边节点通过同轴电缆或双绞线与家庭里的网络接口连接，一个SDV路边节点可以连接32到256个家庭。

　　对HFC系统来说，QAM（特别是64-QAM）已被各标准化组织广泛接受并被工业界应用于下载数据和数字视频。64-QAM允许在一个6MHz的电视频带内传输高达27Mb/s的数据。在上行方向，则以四相移相键控（QPSK）替代了QAM。在上行方向分配了许多QPSK信道，电缆调制解调器从中选取一个能与上行数据速率相匹配的信道，最终的选定是通过前端设备和电缆调制解调器之间的协商过程来完成的。有好几个厂家提供电缆调制解调器产品，但大多数都未标准化。更多的电话公司倾向于选择SDV宽带接入技术在下行数据流上使用CAP-16技术。SDV能在前端设备和家庭间提供51.84Mb/s的带宽，能同时传输数字视频和数据。在上行方向，SDV系统更倾向于采用QPSK调制格式。

　　在遵循标准方面，有线电视业界通常都是混合使用标准的和非标准的技术。在输入端和输出端，这些技术都要与NTSC标准的要求一致。但是，电缆运营商们都是自主地决定其网络结构、系统硬件、测试设备和操作维护管理（OAM）流程。从技术上说，只要前端设备和基于电缆调制解调器的数据业务的远端设备由一家电缆运营商控制，那么基本上就不需要软硬件接口的标准化，所有系统内的数据流都可以TCP/IP格式通过互联网传输。但是，由于每个运营商对设备都有自己的要求，这就妨碍了软硬件厂商进行标准化生产以降低成本。因此，整个电缆业已经开始了制订在电缆网络上传送数据规范的工作。

　　CableLabs和MCNS这两个工业联盟都在积极致力于标准化工作。MCNS在1996年底制定了一套电缆业务数据接口规范（DOCSIS），根据这些规范，电缆调制解调器在下行方向在50MHz到750MHz的范围内接收数据，根据系统的不同，上限可能会大于750MHz，在上行方向，电缆调制解调器将在5MHz到42MHz的带宽内传送信号。这些规范的扩展部分还支持ATM的使用和多业务类型。

　　DAVIC是一个工业组织，它致力于发展在不同物理介质（例如：ADSL、HFC、FTTC、无线）上支持数字视听应用与业务，同时最好地在不同国家应用和业务间实现互通的规范。这一组织已经制订出了能在不同传输机制间实现互操作的调制解调器规范。DAVIC1.1规范的重点在于使用ATM技术的基于HFC和SDV的数字图像以及机顶盒问题，它认为电缆调制解调器对于提供全服务多媒体应用是十分重要的；1996年制定的DAVIC1.2规范就包括了能支持高速数据和互联网接入应用与业务的规范。

　　一个由四家公司（HP、Intel、朗讯和混合网络科技）组成的Broadband Link也已经开始研究在电缆上传送数据和解决互操作性。另一个称为SCTE的组织是电缆工业界标准制订实体，它成立了两个分讨论组，一个研究有关IEEE802.14、CableLabs和DAVIC的数据标准，另一个研究数字图像标准。

　　目前MCNS、IEEE802.14和DAVIC集中致力于发展数据链路层、MAC、物理层、安全、信令和接口规范，而ATM论坛则致力于与其它组织合作发展适用于多种接入媒介（例如ADSL、HFC、SDV）的ATM层上的互操作规范。然而，这些各自不同的规范迷惑了电缆服务提供商和设备制造商。最终，电缆调制解调器和电缆数据业务的高成本和由于厂商遵从不同规范而带来的互通问题将会妨碍电缆数据业务的早日成功应用。

无线本地环路（WLL）

　　WLL是一种电信接入技术，它利用无线电波取代铜线传送模拟和数字业务，并能与现有的蜂窝和个人通信（PCS）业务结构集成在一起。模拟WLL已经成功地被应用于乡村地区提供模拟电话和数据服务，并且能在线路紧张的市区快速经济地满足不断增长的需求。典型的双工模拟WLL系统的速率为32或64kb/s。

　　接入提供商，电话公司和互联网服务提供商们正在努力把握商机，试图通过WLL提供电话和数据拨号业务的替代接入方案。通过WLL可以128kb/s或者更高的速率与无线、蜂窝或PCS网络连接。在高端，一些无线ISP已经提出了上行速率为28.8kb/s到256kb/s，下行速率为256kb/s到10Mb/s的无线数据接入方案。

　　典型的WLL可以使用7到15MHz的频谱，并可重新使用这些频率，类似于蜂窝网络中的基站。一个点到多点的无线链路估计可以向上千个家庭提供服务。一些厂商计划结合使用空分复用（SDMA）、时分复用（TDMA）和码分复用（CDMA）接入技术来达到高速率、重复使用和扩大覆盖区域的目的。为了向家庭提供更多的带宽，工业界已经逐渐把目光投向了发展宽带WLL。

蜂窝和PCS网络

　　蜂窝和PCS网络服务的显著特点就是与位置无关，这在语音通信上已经取得了成功。与在有线电话网络里应用模拟调制解调器类似，在便携式电脑和手持设备中的无线调制解调器也能提供远程接入企业网和互联网的服务。一些蜂窝服务提供商已经提供在一个30kHz的信道上速率可达19.2kb/s的蜂窝数字分组数据（CDPD）业务。诸如IS-54和IS-136这样现今的数字蜂窝系统则能向三个用户提供一个30kHz的共享信道，每个用户最多可获得9.6kb/s。新版本的IS-136支持每个用户的速率最多为28.8kb/s。IS-95还可支持更高的传输速率，目前它的最大速率为13kb/s，下一步它将在1.25MHz的带宽上提供64kb/s的速率，而最终将在5MHz的带宽上提供384kb/s的速率。

　　GSM在除美国以外的地区也是一种非常成功的数字标准。GSM的发展分为几个阶段。GSM 1产生于1992年，主要支持电路交换的语音，1994年，GSM2开始支持数据业务，到了1998年初，GSM 2+已经可以支持分组交换了。目前主要的GSM系统有GSM900、DCS1800和PCS1900，它们之间的区别就是所使用的频带不同。DCS1800和PCS1900工作在较高的频带范围，能支持更大量的信道。GSM系统每一信道的典型的数据传输速率是270kb/s，到每一用户的速率为9.6kb/s，下一阶段的GSM标准将支持每用户14.4kb/s的速率。目前正在对GSM做两个方向的加强工作。第一、高速电路交换数据（HSCSD）能提供高速的电路交换业务。第二、通用分组无线业务（GPRS）能提供更适合于分组交换应用的业务。通过共享无线信道可以更有效地利用无线接口。GPRS还定义了一个基于IP的网络结构。HSCSD和GPRS都是GSM 2+的一部分。发展GSM第三代的工作正在进行。这一未来标准的主要目标就是实现全球覆盖，广泛使用，为多种操作提供先进的互连方案，从而能无缝地运行于各种接入技术之上。第三代GSM，也就是ITU IMT-2000系统将能够向移动或固定用户提供宽带多媒体业务。

无线电缆

　　无线电缆最初被电话公司用来向家庭传送图像业务，一些电缆服务提供商已经开始采用无线电缆来提供使用PCS的语音和数据业务。目前用于图像传输和互联网接入的两个主要的无线宽带接入技术是多信道多点分布系统（MMDS）和本地多点分布系统（LMDS）。MMDS系统运行于2.5到2.7GHz,能在50公里为半径的区域内传送33个6MHz的模拟信道。这样的系统一般缺少上行的数据信道，但它们能使用电话线或者微波作为返回信道。这样，MMDS系统就与一个HFC系统十分类似了。LMDS能在半径5公里的范围内运行于10GHz。它相对于MMDS的优点在于能提供双向带宽。

直接卫星网络

　　同步地球轨道(GEO)卫星被应用于电视信号广播，提供电话和数据连接已经有很长一段时间了。但是，由于这样的系统需要高能量终端，同时由于卫星所处的高度会引起较大的传输时延，所以要想把它们应用于双向通信是十分困难的。卫星的基本功能就是通过无线链路的连接在空中成为一个交换节点。当被用于直接与终端用户通信时，直接卫星网络已开始使用带有调制解调器的甚小或超小型终端（VSAT、USAT）。由于当今直播卫星（DBS）与以往的卫星相比具有较强的发射功率，所以仅使用小型的直径为18英寸的天线就可以接收到卫星信号。DirectTV、USSB、PrimeStar和EchoStar在此领域都取得了成功。这些公司主要是将经MPEG-1/MPEG-2标准压缩的数字图像传送给数字机顶盒。缺乏返回信道限制了这些公司只能提供单向广播。然而，许多DBS服务提供商对提供到公共数据网络的接入业务也十分感兴趣。电话调制解调器或WLL可以提供低比特率的返回信道以实现双向交互式通信，这种返回信道终接于服务提供商的业务提供点（PoP）。一些制造商已经证明了在使用卫星作为交换节点时，可使用VSAT在用户和电缆数据转发器之间同时提供上行和下行链路，在这样的系统中，下行带宽可达12Mb/s，上行带宽可达128kb/s。从商业观点看，人们还要看DBS和VSAT在高速数据接入市场上的竞争力。

　　为了提高性能，降低成本，厂家已经开发出了诸如低轨（LEO）和中轨（MEO）卫星这样的非地球同步轨道系统。这样的系统的传输时延与光纤类似，并能为用户提供本地接入。这种新一代的卫星将可被用作本地交换节点。随着铱系统的66颗低轨（LEO）卫星和ICONet的12颗中轨（MEO）卫星的发射，我们很可能将在不远的将来看到语音和数据业务的多样化。OrbComm、Globalstar和Teledesic等公司也已宣布将提供基于LEO的卫星网络服务，这些基于卫星的新网络有可能改变接入网络和服务的现状，从而完全改变现有的电信和互联网模式。

选择与发展趋势

　　随着对高速数据接入的要求的持续增长，人们越来越关注如何提高本地环路的铜线带宽容量，将有线电视网络升级到双向HFC以及发展新的无线和卫星接入技术。对设备生产商来说，这种现状意味着一个空前的商业机遇；而对网络规划者而言也是个机会，他可建立一个能同时确保质量和不确保质量的服务的宽带接入网络来适应发展中的宽带骨干网络的规模。尽管现有的共享媒介广播通信接入技术还面临着安全、可靠性和性能上的种种问题，但在不远的将来，这些问题都将得到解决。xDSL、电缆数据网络和WLL将会逐渐发展成熟，然而，这些技术的发展和推广应用可能会因为缺乏工业上的互连互通规范而被延迟，但市场将会决定这些技术的最适宜的方案。通过卫星接入到公共和私有数据网络将有可能彻底改变我们接入互联网的方式，从而给我们一个全新的网络模型。总的说来，在xDSL、电缆数据网络、固定和移动无线网络等接入技术之间将产生激烈的竞争，而直接卫星网络的加入将激化这些竞争。但是，有一点是很清楚的：在一个自由竞争的环境中，不同的接入技术将长期共存，并在竞争中找到它们各自的位置去适应不同用户的性能与价格要求。

摘自www.chinadte.net