不对称数字订户线(ADSL)

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概述

ADSL可以向用户提供6Mbps以上的数据传输带宽，这一条件已经足以实现Internet接入、视频点播和访问局域网。在交互模式下ADSL能够达到640 kbps的双向传输速率。ADSL技术把现有公共电话网络的数据传输带宽提高了50倍。语音、文本和低解像度图象的传输不再受到带宽的限制。
ADSL技术能够通过个统一的网络向整个国家提供多媒体（包括全帧视频节目）服务。ADSL性能参数如表1所示。
表1. ADSL性能参数

传输速率（Mbps）	线号规格 (AWG)	距离（ft）	线宽（mm）	距离（km）
1.5.2.0	24	18,000	0.5	5.5
1.5.2.0	26	15,000	0.4	4.6
6.1	24	12,000	0.5	3.7
6.1	26	9,000	0.4	2.7

1. 模拟调制解调器简史

术语modem（调制解调器）实际上是MOdulation/DEModulation（调制/解调）一词的缩略词。调制解调器可以让两台计算机使用公共交换电话网相互通信。公共交换电话网只能传输语音信号，因此调制解调器需要把计算机的数字信息转换成能通过电话线传输的一系列高频语音信号。当语音信号到达目的地时再被解调，也就是再转变为可以被计算机接收的数字信息（参看图1）。

P2 图1 .
所有的调制解调器都会使用某种格式的压缩算法和错误纠正算法。压缩算法可以把正常情况下的数据传输速率提高2到4倍。错误纠正算法则负责检查引入数据的完整性，当它检测到数据有问题的时候就会请求信源重新发送数据包。
2. 模拟调制解调器市场

模拟调制解调器市场的发端可追溯到1968年的7月。当时，在具有里程碑意义的Carterfone决议中，美国通讯委员规定：“禁止用户使用自备的互联设备是不合理的。”
1969年1月1日，AT&T修订了它的规程，允许用户自备设备（例如调制解调器）可以连接公共交换网，但是必须遵守以下三个重要的条件：

   

•     用户自备设备在输出功率等性能指标上必须有所限制，以便它们不至于干扰或以任何方式损害电话网。
     
  
•     只能通过电话公司提供的保护设备才能和公共交换网络互联，有时这种保护设备就是指数据接入装置（DAA）。
     
  
•     所有的网络控制信令，比如拨号音、忙信号等等都必须由位于设备互联点的电话公司的设备处理。
  

1976年，美国通讯委员会提出了一个建议方案，根据该方案，当前的保护设备应当逐步废止以便支持所谓的登记方案。登记方案准许使用直接和交换网络电气连接的设备，只要这些设备接受了美国通讯委员等独立机构的检查和登记即可，这些独立机构负责对这些设备进行技术测试，检验它们能否安全地用于交换网。
二战之后，对信息科学重要性的强烈关注促使Claude Shannon于1948年发表了一篇划时代的论文，通过这篇重要论文所阐述的科学原理，使人们对通信信道功率容量和受到高斯噪音局限的信道（也就是我们日常生活中的模拟电话信道）加深了了解：
C = Bw * Log2(1+S/N)
上面这个简单的公式清晰地说明了决定信道容量的各个因素之间的关系，在这个公式中，C等于可用的信道带宽，Bw是带宽信噪比加1然后取以2为底对数之后的倍数。这个公式并没有解释如何在工程上实现这个信道的带宽，它只是说明信道容量可以通过采取恰当的技术措施实现。
随着越来越多的用户开始购买和使用调制解调器，调制解调器的速度和可靠性等问题也变得更为重要了。产品供应商们都在尽力让自己的产品能达到Shannon定律所确定的带宽上限。直到V.32建议出台之前，所有的调制解调器标准似乎都达不到9到10分贝信噪比的带宽容量。信道容量的估计建立在以下假设的基础之上：带宽2400到2800Hz，信噪比从24分贝到30分贝，通常传输速率大约是24,000bps。很清楚，在这一差距减少以前，必须开发出实用的纠错技术。
20世纪50年代的调制解调器都采用了专有的FSK（300到600bps）和残留边带（1200到2400 bps）技术。这些设备或者采用或者直接建立在二战期间开发的无线频率技术之上，然后把无线频率技术应用到有线通讯领域。
调制解调器的国际标准化开始于20世纪60年代。1964首先通过了第一个CCITT调制解调器建议V.21（1964），这是一种速率为200 bps的FSK调制解调器（现在是300  bps），直到今天都还在V.34/V.8握手协议中采用。1984年，性能更好的4相（或者2X2 QAM）调制方式以及4X4 QAM V.22bis出现了。另外，同年还推出了新一代调制解调器建议V.32和回声抑制、trellis编码技术。最早由GottfredUngerboeck博士确立的Trellis编码是一项具有重大意义的技术突破，它可以使得调制解调器获得前向纠错能力，同时还实现了3.5分贝编码增益，几乎接近实现Shannon信道容量上限的3分之1。V.32bis建议就建立在以上技术之上并对一般连接信噪比进行了提升，传输速率则增加到了14,400bps。
人们认识到世界上许多地区的电话网络还需要进一步地改进，于是1989/90年V.34标准的制定工作开始了。随后，新标准最初的19,200bps设计目标很快被修改为24,000bps，随后又更正为28,800bps。更新的V.34（1996）调制解调器则支持33,600bps速率。这样的调制解调器的带宽达到了每赫兹10比特，几乎达到了理论极限。最近，很多公司又引入了连接标准电话线的56.6kbps模拟调制解调器。然而，这种调制解调器的工作模式是不对称的（它以正常调制解调器的速度工作在上行端），需要专门的T1/E1线路连接到ISP才能达到其理论上限。据报道，对那些没有这类线路的用户来说，这种调制解调器所提供的性能表现不一。然而，语音频带的带宽限制并不是用户线本身固有的，而是受到了核心网络的功能限制。核心网络边缘的过滤器把语音级带宽限制为近似3.3kHz。如果不是因为这种过滤器的限制，铜质电话线可通过的频率可以达到MHz数量级。首先是信号的的衰减决定了双绞线上的传输速率，而这又是由电线的长度和频率所决定的。表1就显示了不同线长情况下单向数据传输率的实际限制。
3. 数字用户线（DSL）

DSL本身的真正含义并不是指物理的线缆而是指的调制解调器或者一对调制解调器。一对DSL调制解调器可以创建一根数字用户线，但是当对网络部署ADSL的时候并不需要再铺设任何电话线——电话网早就拥有这些线缆了——它仅仅需要增加调制解调器即可。
DSL调制解调器在一根铜线上的双工（即同时在两个方向上传输）传输速率可以达到160 kbps，传输距离则最高可达18,000英尺。DSL调制解调器采用的双绞线带宽范围是从0到近似80kHz，这样在大多数情况下不会影响模拟电话服务的同时进行（参看图2）。

P5 图2.
T1和E1
早在20世纪60年代，贝尔实验室的工程师创造出了一种语音复用系统，通过它可以把语音采样数字化为64 kbps的数据流（每秒8000次电压采样），然后根据传到接收方的８位时隙的准确位置规范把这些数字流再组织为一个24元素的帧数据流。这种数据帧长193位，数据传输速率为1.544Mbps。工程师把这种数据流称为DS.1，不过后来也被称作T1，从技术上说，T1应该指的是未处理数据的速率，而DS.1则指的是帧速率。
欧洲的公共电话网修改了贝尔实验室的方案而创造出E1复用系统，该系统有30个语音信道，速度为2.048Mbps。
可是，T1/E1对家庭或者小单位建立上网连接就不太合适了。这两种通信系统使用的传输协议是AMI（信号交替反转码），距离中心局3,000英尺就需要一部收发器，其后每6,000英尺就要安装一部收发器。AMI要求的带宽如此之多而且浪费了大量的线缆频带，结果电话公司只能在50对电缆线中使用一条电路。在这种情形下，通过以上方式提供到家庭的服务简直就等价于安装新电话线。
4. xDSL

高位率数字用户线（HDSL）
HDSL是一种通过铜缆实现T1/E1传输的更好方式，它采用更少的带宽却无需中继器。它使用了更先进的调制技术达到线路传输速率1.544 Mbps，传输距离可达到12,000英尺。
单线路（对称）数字用户线（SDSL）
SDSL是HDSL的单线路版本，它通过一对双绞线传输T1/E1信号，能够运行在普通旧式电话服务（POTS）之上，所以单一线路可以同时支持POTS和T1/E1。对那些必须经常利用一根电话线上网的住所来说，这是一个很不错的市场卖点。不过，SDSL的传输距离不能超过10,000 英尺，而在同等距离下，ADSL可以实现6Mbps的传输速率。
非对称数字用户线（ADSL）
ADSL主要是和用户设备建立连接。它传输两个分隔的数据流，向顾客端发送数据的下行信道比用户上传信息的上行信道拥有更大的带宽。这是因为，一根线缆（发端于中心局）内多条电线上的对称信号会显著地限制数据传输速率和线缆的有效通信长度。
ADSL的这种不对称通讯方式获得了成功，因为大多数的一般应用程序（视频点播、网络购物、因特网接入、远程访问LAN、多媒体以及PC服务等）在相对比较低的上行数据速率情况下照样工作得很好。而ADSL则充分利用了这一事实。MPEG电影需要1.5或3.0 Mbps的下行速率，但同时仅仅需要16kbps到64kbps范围之内的上行速率。控制因特网或LAN访问的协议要求更高一点的上行速率，但在大多数情况下，其下行和上行带宽之比可达到10：1的比率。
5. 调制解调器市场

直到PC开始进入普通人的日常生活，调制解调器的销售才随之缓慢地启动。同样地，直到大量调制解调器产品上市其价格才降到了普通人可承受的程度。当14.4kbps调制解调器首次出现在市场上的时候其价格高达14,400美元，或者说或每bps一美元。今天，速度更快、功能更多的普通调制解调器的价格不过100到300美元，有PC的家庭几乎很少不配置一部调制解调器。
多年以来，调制解调器供应商在标准的基础上不断推出最新的产品。所采用的技术，尽管有点耗费开发和部署时间但却非常重要，而且使得产品的特性得到了显著的改进。最初可供产品供应商选用的调制方案有若干种，但是等到V.34调制解调器出现之后，主要的调制解调器技术方案都和这一标准紧密结合了起来，使得顾客仅用同一个调制解调器就能在许多应用软件下使用。随着调制解调器市场日益成熟，顾客不再关心标准本身而更多地关注产品的特性、大小以及灵活性等。由于模拟调制解调器的技术进步以及消费者层次PC市场的来临，今天在世界范围内已经有超过5亿部调制解调器。
xDSL调制解调器市场也会重演和以上类似的市场模式。今天，调制方案、支持家用或小型商业机构的协议类型以及设备单元成本成为了这一市场的主要话题。一旦xDSL市场成熟，很可能出现类似模拟调制解调器市场曾演义的那种局面，顾客将对调制技术和协议漠不关心。在另一方面，只有那些能够在数据设备中提供即插即用互操作性、简易的安装、最佳的操作特性、最小巧的体形和功率需求这些功能的供应商才能获得顾客的青睐。
6. ATM和IP到桌面

在对选择接入技术举棋不定的服务供应商里一直存在激烈的争论：顾客的桌面PC到底应建立标准的IP.10BT连接还是ATM连接。这两种标准在有些地方是相同的，不同点在于设备的细节而不在于所需要的设备数量。这两种网络接入方式都各有其优点：
IP的优点

   

•     10BT以太网具有基本的自学习功能。
     
  
•     LAN PC网卡相当便宜。
     
  
•     10BT是工业标准。
     
  
•     LAN是一种久经考验的网络。
     
  
•     该技术领域内的专家很多。
     
  
•     PC软件和操作系统驱动程序已经同基于IP的LAN接口。
  

ATM的优点

   

•     流式视频传输能力强大。
     
  
•     实现综合服务（比如视频、电话和数据）相当简单。
     
  
•     传输速率匹配标准的电话传输速率（比如DS–3、STS–1等）。
     
  
•     新型PC软件和驱动程序可以工作在ATM下。
  

其实很有意思，这两种体系结构通常都和ATM骨干网接口实现广域范围内的高速连接。因此，真正的问题是建设网络的代价、网络所承载的服务以及实现网络的时间。如果顾客的需要是为了获得数据服务，比如因特网连接、在家工作等等，IP网络是当然的选择。实现这种网络的硬件和软件不仅可轻易获得而且价格相当便宜。
ATM在不久的将来将成为多重混合QoS服务要求的解决方案。确实，IP技术也在扩展，现在的IP正准备逐步提供采用RSVP的QoS，而且IP电话的操作也在变得更为高效。但是过来，这些标准在今天毕竟还没有投入实用。而ATM标准却已经相当完善了。不过，实现起来也不容易。尽管如此，目前已经存在许多ATM网络或者正在建设之中。
还有就是建设网络的成本问题。创建并且运营一个大规模的数据接入网络的成本是很难估计的。真实情况下，有些地方可能好叫人看得比较清楚，但其他许多方面则仅仅只能依靠合理的规划了。所以，具体哪一种技术的成本更低也存在比较大的争论。确实了解成本状况的唯一方法就是建造适度大小的网络。如果某一种技术是明显的获胜者——当然这是假设——那就使用这种比较确定的技术。如果没有明确的成本优势，那就建造具有能够满足潜在顾客需要的服务的网络。真正的问题还在开始实施的阶段，只有实践才能知道结果，也只有这样才能随后结束漫无止境的争论。
7. CAP和DMT

XDSL有两个主要的标准，采用哪个标准也存在争议。尽管争论还在继续，但是市场可是动真格了。CAP目前在市场上占据领先地位。支持CAP 的芯片在数量可以满足用户的需要，而且工作性能也不错。采用这类芯片的众多产品已经在很多地方被服务供应商安装。供应商和产品实现之间的标准和互操作性问题现在也正在逐步解决。
另一方面，DMT投身于标准竞技场也有些时候了而且还在继续发展。有些服务供应商现在已把它采纳为标准。该技术具有一些CAP最初并不具备的特性，例如速率适配等。另一方面，支持DMT的芯片才刚刚出现。试验部署也才开始不久，而且满足CAP特性的高级芯片组已市场所接纳。
谁将最后赢得市场呢？正在建造xDSL网络的服务供应商们将选择那些能够满足他们需要的技术。许多产品供应商也在提供能采用两种技术的产品。某些新型芯片可以在两种技术之间适配。这里的关键是xDSL芯片技术并不是推广xDSL的障碍。这两种标准的工作性能都很好，而且真正的互操作性问题将来才会出现，目前的状况具体来看倒象是满足SONET设备要求的中间产品。
8. 未来展望

回顾模拟调制解调器的过去可供我们参考xDSL的未来。曾经困扰调制解调器的标准问题今后也将是xDSL产品所面临的一个问题。然而，对技术人员来说什么技术最终胜出并不明显。不妨回想一下录象机市场的教训，Betamax的图像质量更好，但是VHS最后赢得了胜利。在任何情况下，只有市场才能在某个时候对这些问题作出回答。