dsl

定义

dsl 是一类以双绞铜线为传输介质、点对点传送数字信号的接入技术组合,其名称来源于数字信号直接进入用户线路而不再经过窄带话音交换机的做法^[4]。传统用户线只为模拟电话分配约 300 Hz 至 3400 Hz 的频带,语音调制解调器受交换网络限制,速率上限约为 56 kbit/s^[4]。dsl 绕开这一限制,在同一对铜线上使用更高的频段承载数据,因此又称数字用户线^[1]。按上下行速率是否相等,dsl 分为对称与非对称两大类;按具体制式,则形成以 xDSL 统称的技术族,包括 ADSL、RADSL、VDSL、SDSL、IDSL 和 HDSL 等^[5]。

参见

dsl 系统由局端与用户端成对的调制解调设备构成,局端设备通常装在电话交换局或路边交接箱,用户端设备放在住宅或办公室,两者之间是一段铜质用户环路^[6]。数据经调制后占用 4 kHz 以上的频段,话音仍留在低频段,依靠分离器或滤波器把两路信号分开,因而上网与通话可以同时进行^[5]。上行与下行采用频分复用的系统中,近端串音可由滤波器抑制;而远端串音随频段升高而增强,成为限制速率的主要因素之一^[7]。工程上常用香农公式估计可达速率:$C = B \log_2(1 + S/N)$,其中 $B$ 为带宽、$S/N$ 为信噪比,串音被计入噪声项后直接压低 $C$^[7]。

下面以 ADSL 为例示意信号从局端到用户的路径:

flowchart LR

A[局端 DSLAM] --> B[分离器/滤波器]

B --> C[铜质双绞用户线]

C --> D[用户端分离器]

D --> E[DSL 调制解调器]

D --> F[电话机]

E --> G[计算机或家庭网关]

主流 dsl 制式采用离散多音(DMT)调制,把可用带宽切成大量窄子信道,每个子信道单独做正交幅度调制;线路启动时依据各子信道的信噪比分配比特,条件好的子载波多承载、条件差的少承载或关闭^[6]。在 ADSL 中,子信道带宽为 4.3125 kHz,下行可用 256 个子信道,覆盖到约 1.1 MHz^[6]。VDSL2 把可用频谱扩展到 17 MHz 或 35 MHz,子信道数增至 4096,因而能在短环路上获得更高的总速率^[6]。早期系统也使用 2B1Q 等基带线路码,把每对比特映射为一个四电平符号,使符号速率降为比特率的一半^[8]。

dsl 的技术源头与综合业务数字网(ISDN)的基本速率接入有关,其线路系统最初就是为 ISDN 基本速率接入设计的^[9]。20 世纪 80 年代末至 90 年代初,北美与欧洲的标准组织推动基于铜线的 HDSL 标准化,目标是无需中继即可在 3 至 4 km 范围内提供 1.544 Mbit/s 或 2.048 Mbit/s 的租用线业务,高性能数字信号处理器的出现是重要使能条件^[9]。按 ISDN 设计的第一套 HDSL 系统于 1992 年投入使用^[8]。

1993 年,美国标准学会开始对 xDSL 技术进行标准化研究,为 ADSL 系统定义了离散多音调制方案^[8]。1997 年起,国际电信联盟电信标准化部门陆续发布 G.99x 系列建议,涵盖 HDSL、ADSL、无分离器 ADSL 的收发信机以及信号交换、测试和管理规程^[8]。1998 年前后,国际电信联盟定义了带分离器与不带分离器两类 ADSL 系统,ADSL 因此具备大规模部署的条件^[8]。此后 ADSL2、ADSL2+ 通过扩展可用频段把下行速率分别提高到 12 Mbit/s 和 24 Mbit/s^[1]。

为进一步提升速率,业界转向缩短环路长度的 VDSL 与 VDSL2,后者在数百米以内的环路上支持超过 100 Mbit/s 的合计速率,常与光纤到路边配合部署^[1]。更晚的 G.fast 把频谱延伸到 212 MHz,面向 100 至 250 m 的短环,合计速率接近 1 Gbit/s^[1]。与之配套的抗串音手段是矢量化技术,在局端通过下行预编码和上行联合接收构造反相串音信号,与线路中的远端串音相互抵消^[7]。

dsl 最主要的用途是借助既有电话网提供住宅宽带接入,在光纤与同轴电缆尚未覆盖的地区作为替代方案,也可用于农村和偏远社区的联网^[1]。在同一条铜线上,dsl 还能承载基于 IP 的语音电话,以及把互联网、电话和网络电视打包提供的三重播放业务^[6]。面向企业的场景包括小型办公与远程办公室接入,对称制式因上下行带宽相等而适合点对点专线与分支机构互联^[1]。

dsl 的局端汇聚设备是数字用户线接入复用器(DSLAM),它把多条用户线路的信号集中处理后送往骨干网^[10]。在光纤到路边架构中,VDSL2 与 G.fast 负责从路边机柜到用户的最后一段铜线,与光纤回传共同构成混合接入网络^[1]。早期 ADSL 的典型业务设想是视频点播一类非对称流量,因为下行数据量远大于上行^[8]。

dsl 的速率与环路长度强相关。铜线对高频信号的衰减随距离增大,串音也在高频段加剧,因此可用速率随用户与交换局之间的距离下降,这直接决定了各制式的部署半径与速率档位^[1]。按国际电信联盟的归纳,影响传输性能的因素还包括铜线对的衰减与传输函数、线对上的桥接抽头、电缆串音以及突发噪声^[9]。

同一电缆束内多路 dsl 同时开通时,远端串音会随占用频段变宽而增强,使部分线路速率偏低甚至无法开通,导致 DSLAM 的出线率下降^[7]。对称制式虽然上下行带宽相等,但代价是合计带宽较低,SDSL 的可提供速率大致在 384 kbit/s 到 2 Mbit/s 之间^[8]。此外,住宅内部布线质量与家庭网络状况会影响可达到的最高速率和传输距离,在某些情况下不适合采用无分离器方案^[8]。dsl 仍以铜线为介质,其带宽上限低于光纤,在光纤逐步扩展后让位于后者作为宽带主流介质^[1]。

• 非对称数字用户线路 —— dsl 技术族中部署最广的制式,上下行速率不相等。

• 甚高速数字用户线路 —— 面向短环路的制式,常与光纤到路边架构配合使用。

• 数字用户线接入复用器 —— 部署在局端、汇聚多条 dsl 线路的设备。

• 综合业务数字网 —— dsl 线路系统最初所服务的数字接入网络。

• 离散多音调制 —— 主流 dsl 制式采用的子载波调制方式。

• 双绞线 —— dsl 赖以传输的铜质介质。