宽带接入技术及应用2_QJ

1、宽带接入技术及应用宽带接入技术及应用编著编著 ：郭世满：郭世满 马蕴颖马蕴颖 郭苏宁郭苏宁 北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社 2.1 信息与通信信息与通信2.2 音频信源编码音频信源编码2.3 视频信源编码视频信源编码2.4 电视基础知识电视基础知识2.5 多载波技术多载波技术第第2章章 接入网中的基础技术接入网中的基础技术2.6 二线数字双工传输二线数字双工传输2.7 V5接口及其协议接口及其协议2.8 接入网的概念接入网的概念2.9 Y.1231定义的定义的IP接入网接入网第第2章章 接入网中的基础技术接入网中的基础技术2.1 信息与通信信息与通信o 信息技术就是感测技术、通信技术、计

2、算机技术和控制技术。2.1.1 信息信息o 信息是现实世界现象之间建立联系的一种特殊形式。它反映了物质和能量在实践和空间上分布的不均匀程度以及宇宙中一切过程发生变化的程度。信息的特点信息的特点1. 信息与物质密切联系，但不是物质本身。2. 信息与精神密切相关，人类思维活动基本是跟信息相关的。3. 信息与能量相辅相存4. 信息是一切知识和智能的原材料。5. 信息普遍存在，而且永不枯竭，不断更新。6. 信息可被感知、传递、处理和共享。2.1.2 信息量与熵信息量与熵o 通常信息源是由一系列符号构成的，假设一个信息源所产生的符号序列中的符号取自一个有限符号集，符号集中的符号Si发生的概率为p(si)

3、,则其所携带的信息量定义为：)/1 (log2pI o 如果信息源某一符号的出现概率大小不受前面符号出现与否的影响，则该信息源称为离散无记忆信源，此时信息量又称自信息量，离散无记忆信源中一个符号所携带的平均信息量定义为：)(log)(2iiiSpSpH2.1.3 互信息量与条件熵互信息量与条件熵o 假定信源符号x出现的概率为P(x)，而信源符号y出现之后，出现x符号的条件概率为P(xy),则定义信息量为：)()/(log),(2xpyxpyxIo 根据shannon的证明，消息通过有扰信道后，收到的平均信息量等于信源发出的平均信息量减去由干扰带来的条件平均信息量：)/()(),(yxHxHyx

4、I2.1.4 冗余量、编码效率与压缩比冗余量、编码效率与压缩比o 设原始图像的实际熵为H(x),编码后的平均码长为 ，经压缩后的平均码长为 ，则定义压缩比为_L_crLLC o 如果最大熵为Hmax(x)，则编码效率为冗余度为_max)(LxH)()(1maxxHxHRe o 信道是从发送输出端到接收输入端之间传送的信道。在信息理论中一般从编码器输出到解码器的输入之间的整个变换部分，称为信信道道。2.1.5 信道及信道容量信道及信道容量间（每个消息的）平均时息量（每个消息的）平均信通信速度 o 通信速度相对于码符出现的概率存在某一个最大值Rm，这一最大的通信速度称为信道容量或编码容量，单位为比

5、特秒dB，dBi, dBd, dBc，dBm，dBw释义释义odB dB是一个表征相对值的值，纯粹的比值，只表示两个量的相对大小关系，没有单位，当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时，按下面计算公式：10log（甲功率/乙功率），如果采用两者的电压比计算，要用20log（甲电压/乙电压）。例 甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是说，甲的功率比乙的功率大3 dB。反之，如果甲的功率是乙的功率的一半，则甲的功率比乙的功率小3 dB。odBi 和dBd dBi和dBd是表示天线功率增益的量，两者都是一个相对值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方

6、向性天线，dBd的参考基准为偶极子，所以两者略有不同。一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2.15。例 对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.15dBi（一般忽略小数位，为18dBi）。例 0dBd=2.15dBi。odBc dBc也是一个表示功率相对值的单位，与dB的计算方法完全一样。一般来说，dBc 是相对于载波（Carrier）功率而言，在许多情况下，用来度量与载波功率的相对值，如用来度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等）以及耦合、杂散等的相对量值。 在采用dBc的地方，原则上也可以使用dB替代。dB，dBi, d

7、Bd, dBc，dBm，dBw释义释义odBm dBm是一个表示功率绝对值的值（也可以认为是以1mW功率为基准的一个比值），计算公式为：10log（功率值/1mw）。 例 如果功率P为1mw，折算为dBm后为0dBm。例 对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为： 10log（40W/1mw）=10log（40000）=10log4+10log10000=46dBm。odBw 与dBm一样，dBw是一个表示功率绝对值的单位（也可以认为是以1W功率为基准的一个比值），计算公式为：10log（功率值/1w）。dBw与dBm之间的换算关系为：0 dBw = 10log1 W = 10log1

8、000 mw = 30 dBm。例 如果功率P为1w，折算为dBw后为0dBw。o总之，dB，dBi, dBd, dBc是两个量之间的比值，表示两个量间的相对大小，而dBm、dBw则是表示功率绝对大小的值。在dB，dBm，dBw计算中，要注意基本概念，用一个dBm（或dBw）减另外一个dBm（dBw）时，得到的结果是dB，如：30dBm - 0dBm = 30dB。 一般来讲，在工程中，dBm（或dBw）和dBm（或dBw）之间只有加减，没有乘除。而用得最多的是减法：dBm 减 dBm 实际上是两个功率相除，信号功率和噪声功率相除就是信噪比（SNR）。dBm 加 dBm 实际上是两个功率相乘

9、o 理论分析表明：在线性无失真、只有信号和噪声的系统中，传输频带从0B的信道，当信号是总功率为S的正态分布、噪声是总功率为N的正态分布时，其信道容量为)/1 (log2NSBTHCmo 每个信道都有确定的容量C，只要信道传输速度R不超过信道容量，就一定存在一种速率为R的编码方法，在采用最大似然译码时，随着码长的增加，其译码错误的概率pe可任意小2.1.6 编码定理编码定理)(RnEeepo 在变字的长码中，对于出现概率大的信息符号编以短字长的码，对于出现概率小的信息符号编以长字长的码，如果码字长度严格按照符号概率的大小的相反顺序排列，则平均码字长度一定小于按任何其他符号顺序排列方式得到的码字长

10、度。2.2 音频信源编码音频信源编码o 信源编码就是将来自模拟信源的信号变换为适合在数字通信系统中传输的数字信号。话音编码属于信源编码，主要有波形编码、参量编码波形编码、参量编码和混合编码和混合编码三大类。2.2.1 编码质量的评价编码质量的评价o 评价语音编码质量经常采用主观评定方法，采用的方法有平均意见得分、判断韵字测平均意见得分、判断韵字测试、判断满意度测试试、判断满意度测试等。2.2.2 线性预测编码线性预测编码图2.2.1线性预测语音产生模型图2.2.2LPC语音、编码器原理2.2.3 激励信号源激励信号源o激励信号是Abs-LPC模型的输入，也是这个模型中最重要的部分，它包含了不能

11、由时变滤波器谱模型表征的所有残差结构。Abs-LPC不同的激励类型Abs-LPC不同的激励类型1. 规则脉冲激励长时预测编码（图链接）2. 矢量和激励线性预测编码（图链接）3. 残差激励线性预测编码（图链接）4. 多脉冲线性预测编码器（图链接）图2.2.4 RPE-LTP（规则）话音编码器原理图2.2.5 VSELP（矢量激励）的编译码示意图图2.2.6 RELP（残差）编译码器原理图图2.2.7 MPLPC（多脉冲）语音编码器原理图2.3 视频信源编码视频信源编码o 2.3.1信息压缩的必要性信息压缩的必要性o 信息的压缩技术是多媒体通信领域中的关键技术之一，不能对多媒体数据进行有效的压缩，

12、就难以保证通信的顺利进行。2.3.2 信息压缩的可行性信息压缩的可行性o 数据中通常包含很大的冗余。数据的大小与所携带的信息量的关系下式给出： I=D-r2.3.3 常用的数据压缩技术常用的数据压缩技术o 数据压缩方法一般分为两类：数据压缩方法一般分为两类：1. 可逆编码2. 不可逆编码根据压缩的原理进行划分根据压缩的原理进行划分1. 预测编码2. 变换编码3. 量化与矢量量化编码4. 信息熵编码5. 子带编码6. 模型编码预测编码预测编码o 预测编码有线线性预测性预测和非线和非线性预测性预测两类。两类。图2.3.1 DPCM原理图变换编码变换编码o 预测编码主要是在时域上进行，变换编码则利用

13、频域中能量较集中的特点，在频域上进行图2.3.2 变换编码原理信息熵编码信息熵编码o 信息熵编码又称为统计编码，它是根据信源符号出现概率的分布特性而进行的压缩编码。其目的在于在信源符号和码字之间建立明确的一一对应关系，以便在恢复时能准确地再现原信号，同时要使平均码长或码率尽量小。（1）Huffman编码编码o 人们总以Huffman编码来概括D.A.Huffman个人对计算机领域，特别是数据压缩领域的杰出贡献。 二叉树二叉树o 为了使用不固定的码长表示单个字符，编码必须符合较短的编码决不能是较长编码的前缀。图2.3.3 码树 代码的基本性质代码的基本性质o 当用某种代码把人意的符号序列编成码时

14、，接收端必须能从这种码恢复成原来的符号序列。这样的码称为唯一可解码。唯一可解码还可以进一步分为瞬时可解码和非瞬时可解码。o 瞬时可解码的存在条件是克拉夫特不等式。（2）算术编码）算术编码o 基本原理是将编码的信息编成实数0和1之间的一个间隔，信息越长，编码表示他的间隔就越小，表示这一间隔所需的二进制位就越多。算术编码的特点算术编码的特点o 不必预先定义概率模式，自适应模式具有独特的优点；o 信源符号概率接近时，建议使用算术编码，这种情况下其效率高于Huffman编码。算术编码过程表示算术编码过程表示（3）基于）基于DPCM的无失真编码的无失真编码无失真编码器简化框图无失真编码器简化框图（3）基

15、于）基于DCT的有失真压缩编码的有失真压缩编码o 基于DCT压缩编码算法包括两种不同的系统，即基本系统和增强系统。增强系统是基本系统的扩充。基于基于DCT编码过程编码过程解码过程解码过程2.4 电视基础知识电视基础知识o 电视是利用光电和电光转换原理，将光学图像转换为电信号进行远距离传输，然后再还原为光图像的一门技术。整个电视系统主要由成像、电视信号形成、信号处理、传输系统、电视信号接收与显示等部分组成。2.4 .1 电视信号与图像扫描电视信号与图像扫描o 电视技术是利用光电转换原理实现光学图像到电视信号变换的，这一转换过程通常是在摄像机中完成的。o 景物图像中的任意一个像素P可以用8个物理量

16、来表示： P=f(x,y,z,L,H,S,R,t)电视系统扫描原理电视系统扫描原理2.4.2 彩色电视系统彩色电视系统o 彩色电视系统是按照三基色的原理设计和工作的。三基色原理指出，任何一种彩色都可由另外的三种彩色按不同的比例混合而成的。o 电视系统的亮度方程： Y=0.229R+0.587G+0.114B亮度信号、色差信号及其组成原理亮度信号、色差信号及其组成原理1. 恒定亮度原理与高频混合原理2. 亮度信号和色差信号2.4.3 电视信号的频谱特点与分配电视信号的频谱特点与分配o 电视系统是通过行、场扫描来完成图像的分解与合成的，尽管图像内容是随机的，但电视信号仍具有行、场或祯的准确周期性。

17、活动图像电视信号频谱活动图像电视信号频谱广播电信号频谱结构广播电信号频谱结构2.4.4 电视信号的数字化电视信号的数字化 数字电视技术是在将模拟电视信号转化为数字电视信号的基础上对其处理、存储、传输的技术。 电视信号的数字化需要三个步骤：取样、量化和编码。 数字复合视频编码是利用四倍副载波取样频率直接对模拟复合视频信号数字化的结果。2.4.5 数字视频压缩编码数字视频压缩编码o 使用数字视频压缩技术，借助目前的干线通信网和同轴电缆网，可经济地传输多路电视节目或传输高清晰度电视节目。数字视频压缩编码系统数字视频压缩编码系统系统运用的主要技术系统运用的主要技术o 压缩编码o 复合视频信号的解码o

18、统计复用2.5 多载波技术多载波技术o 随着数字信号处理技术的发展，现在采用多载波技术已成为可能。目前采用的多载波技术主要有：正交频分多路复用和离散多音频。正交频分复用的基本思想正交频分复用的基本思想o 正交频分复用的基本思想是将一段高速串行的数据流变成若干组低速并行的数据流并分别调制到不同的载波上进行并行传输。正交频分多路复用信号频谱正交频分多路复用信号频谱OFDM发送系统原理图发送系统原理图2.6 二线数字双工传输二线数字双工传输o 所谓二线数字双工传输，是指在二线用户环路上实现收、发双向数字传输，这是一种信道收发复用技术，最常用的有两种：频频分双分双工和时分双工工和时分双工。1.时间压缩

19、法时间压缩法乒乓法系统结构乒乓法系统结构TDM方案工作原理图方案工作原理图2.回波抵消法回波抵消法o 该法允许收发双方同时把发送信号送到二线用户环路上，这样，线路上将同时存在手法两端的发送信号。接收端根据信道的传输特性和本短的信号发送特性，自动估算出接收信号中包含的本端发送信号分量，并将其从接收信号中减去。即得到对端发来的信号。回波抵消器工作原理回波抵消器工作原理近代回波抵消器近代回波抵消器 2.7 V5接口及其协议接口及其协议o V5接口是一个在接入网中适用范围广、标准化程度高的新型数字接口，对于设备的开发应用、各种业务的发展和网络的更新起着重要作用。V5带来的好处带来的好处1. 标准接口促

20、进接入网的发展2. 使接入网配置灵活，业务提供快捷便利3. 降低成本4. 增强网管能力，提高服务质量。V5接口的接入模型接口的接入模型o 根据接口容纳的数目和接口有无集线功能， V5接口主要有两种形式： V5.1和和V5.2o 无线本地环路WLL采用 V5+ 支持终端位置移动V5协议的工作工作位置 oV5协议提供了如下用户端口协议：n模拟端口ANALOG；nISDN的基本速率接口BRI(23B+D,1.544,T1)和基群速率接口PRI(30B+D,E1)；n租用线路（或称专线：Leased Line，包括模拟和数字）。 V5协议的功能协议的功能o 允许接入网通过复用复用/解复用解复用对多个用

21、户的信令和数据流更有效低传输；o 允许通过Q3接口对接入网进行网络网络管理；o 允许进行接入网的资源管理（Administration of resources）和资源维护（Maintenance of resources）；o 允许用户选择本地交换网（Selection of the Local Exchange）；o 能充分有效地利用网络带宽资源。V5.1和和V5.2的比较的比较 oV5.1即即ETS300 324-1是一个纯欧洲电信标准（是一个纯欧洲电信标准（ETS）。n只用一个E1速率链路（2048kbit/s）；n不支持集中功能（Concentration）；n不支持用户端口的ISD

22、N基群速率接入；n没有通讯链路保护概念； oV5.2即即ETS300 347-1部分参考了部分参考了ETS300 324-1。 n可以使用大于E1速率的链路（最高16个E1速率）；nV5.2能使用承载通路连接（BCC）协议以允许本地交换网LE向接入网AN发出请求完成接入网AN用户端口和V5接口接口指定时隙间的连接建立和释放；n支持用户端口的ISDN基群速率接入；n提供了专门的保护协议（Protection Protocol）进行通讯通路保护。 V5.2协议的帧格式协议的帧格式 o V5.2协议和V5.1协议都采用了G.703/G.704中定义的包含了32个时隙的2.048Mbps的DS0数据帧

23、结构，只是时隙分配不一样。o V5协议把时隙分为三种： F、B、C通路。其中F为帧同步（Frame Synchronization）通路，B为承载通路（Bearer Channels） ，C为通信通路（Communications Channels），用于传输控制协议信息、链路控制协议信息、PSTN信令、保护协议信息和BCC协议信息。 V5.2协议的帧格式协议的帧格式o 在V5.1协议中仅有一个DS0，根据需要可以使用1-3 个C通路，且根据需要依次分配C1、C2、C3。而V5.2协议中由于最多有16条DS0，每个DS0帧中的第16、15、31时隙被依次称为C1、C2、C3，C48，即最多48

24、个通讯通路可供使用，当然这些时隙也可以依照系统初始化定义为承载通路而不是通讯通路。V5链路及时隙结构链路及时隙结构o 一个v5.1接口只具有一个2.048Mbits链路，而在一个v5.2接口上则有116个2.048Mbits链路。o V5接口有许多不同的通信协议，包括内务处理通信协议和呼叫控制通信协议。o ISDN通信为p型（分组数据）、f型（帧数据）和s型（D通路/信令通路）。2.7.2 V5接口的体系结构接口的体系结构o V5接口包含OSI七层协议的下三层：物理层、数据链路层和网络层。 V5接口的物理层接口的物理层o V5接口的物理层主要实现接入网与本地交换机的物理连接，采用了广泛应用的2

25、.048Mbits数字接口，中间加入了透明数字传输链路。 V5接口的数据链路层接口的数据链路层oV5接口第二层是仅对逻辑C通路而言的。为便于支持不同的业务类型，基于LAPD规程的C通路的第二层，分为两个子层：nV5封装功能子层（LAPV5-EF），用于封装AN和LE间的信息，实现透明传输。 nV5数据链路子层（LAPV5-DL），定义了AN和LE间对等实体的信息交换方式。 V5接口的网络层接口的网络层o V5接口规程中所有的第三层协议都是面向消息的协议。第三层协议消息的格式是一致的，每个消息应由协议鉴别语、第三层地址、消息类型等信息单元和视具体要求而定的其他信息单元组成。2.7.3 V5接口协

26、议接口协议V5接口协议结构接口协议结构 控制协议控制协议o 控制协议由用户端口控制协议和V5接口公共控制协议两部分组成。o 控制协议实体的主要功能是监测用户的状态，实现AN和LE之间的有关控制消息的传递，以及完成变量和接口ID的核实以及解除用户端口阻塞等功能。控制协议控制协议n 用于系统维护，即对系统和PSTN/ISDN-BRA/ISDN-PRA用户端口进行控制。 n 控制消息包括：控制消息包括： o 端口控制：双向的端口控制消息（Bi-directional Control message）； o 端口控制确认消息（PORT CONTROL ACK）； o 通用控制（COMMON CONTR

27、OL）：包括系统重启消息等（双向）；o 通用控制确认（Common Control ACK）； PSTN协议协议oPSTN信令协议的主要功能是建立用户端口状态与LE中的国内标准信令协议有限状态机之间的联系，并由LE来完成用户线的呼叫控制。oPSTN信令协议规定了AN如何获取PSTN用户线（模拟和数字）状态，以及如何向LE传递，以便由LE最终完成呼叫控制。其中可能包括特定呼叫协议的转换和翻译以满足核心网中的LE信令标准。如：AN至LE的线路占用、拨号等信令内容，以及LE至AN的反极性计费等消息。PSTN协议协议o 用于透明向交换机传输用户线状态信息。其中的LE部分负责完成呼叫控制和增值业务功能；

28、AN负责用户线状态识别、铃流产生等功能。下面两个图分别表示呼叫从用户端发起和从交换机端发起的信令过程。PSTN用户端口功能模型 承载通路控制协议承载通路控制协议oBCC为LE提供了一种向AN发出建立和释放连接的方法，这些连接可以在V5接口的特定时隙和特定AN用户端口之间指定分配。oV5.2接口的BCC协议主要是用来将一特定链路上的承载通路分配给用户端口，从而实现V5.2接口的承载通路和用户端口的动态连接，并实现V5接口的集线功能。o三种类型承载通道连接nLE内和V5.2接口上基于呼叫的交换连接，AN内具备话务集线能力nLE内基于呼叫的交换连接， V5.2接口上和AN侧为预连接， AN内不集线n

29、LE和AN内建立半永久连接 承载通路控制协议承载通路控制协议o 协议消息包括：n协议标识符； nBCC参考号：BCC进程号； n用户端口识别符； nISDN端口和时隙识别符； nV5时隙识别符； n多时隙映射信息：ISDN UNI时隙映射和多时隙用户的V5时隙； n拒绝原因：分配/释放原因等； n协议错误：BCC协议错误消息； n不完全的连接：在AN连接不可用时由审计模块Audit发给LE； 保护协议保护协议o保护协议的功能就是提供对所有活动C通路的保护，再出现故障时，把逻辑同信通路切换到其他物理通信通路上，从而维护各种协议的C路径，极大的提高了V5.2接口的可靠性。o根据V5.2的协议结构和

30、复用原则，一个V5.2接口可以绑定多达16个2048kbps链路，从而在一个通讯通路中携带与多个E1链路相关的信息。这样，一旦通讯通路发生故障，就会直接影响一大批的用户（Customer）的通信业务，特别是对BCC协议、控制协议及链路控制协议而言。注意的是保护协议是用于保护通讯通路（Communication Channel），即在通讯失败时能可靠地进行倒换，不是保护承载业务通路。 C路径道逻辑路径道逻辑c通路、到物理通路、到物理c通路的映射通路的映射保护组保护组1保护组保护组2 链路控制协议链路控制协议o链路控制协议（Link Control Protocol）定义了AN或LE如何转达每个独立2048kps链路上用于链路控制的协调信息o链路控制协议的主要功能