第1章接入网概述

接入网是现代通信网的重要组成部分，是从运营商主干网到用户终端的连接技术。一般来说,运营商的主干网络分为三层： 核心层、汇聚层、接入层，从接入层到千家万户终端的网络，就是接入网。接入网长度一般为几百米到几千米，因而被形象地称为“最后一公里”。接入网所应用的技术对应着不同接入系统、不同传输系统和不同网络介质的排列与组合，因此技术构成十分复杂。
1.1接入网概念提出的背景
 自1876年贝尔发明电话，电话网逐步形成、扩大并延续至今。接入层网络早已存在于电话业务网中，只是它的作用不像今天这样突出，人们对它的关心也没有达到今天的程度。图1.1是传统接入网的结构，也称为用户环路系统。最初的用户环路只是从电信局至用户终端的各种线缆及其附属设施。从图中可以看出，用户线路主要包括三大部分： 主干线、配线线路、引入线。一般主干线较长，约2km； 配线较短，约几百米； 引入线一般不超过几十米。目前用作主干线和配线的大多是对绞铜缆，用作引入线的是对称线。


图1.1用户环路系统



该系统从传统电信网的角度看，用户线附属于Z接口，来完成电话业务的传输和分配任务。该用户线系统的管理和维护在交换机侧完成，且在功能上、概念上不属于整个电信网的核心部分，只是网络的附属部分。从网络角度看，该用户线系统的网络拓扑结构为星形，接口为Z接口，传输技术为音频实线传输。从用户角度看，该用户线系统是交换机用户口的延伸。

 接入网（access network，AN）的发展并不是一帆风顺的。1975年英国电信部首次提出接入网概念，1976年在曼切斯特进行了接入网组网的可行性实验，1977年在苏格兰和伦敦地区开展了较大规模的推广应用，1978年正式命名为“接入网组网”。20世纪80年代国际电信电联标准部（ITU-T）着手制订有关接入网的一系列标准，1995年电信接入网标准ITU-T G.902发布，2000年IP接入网标准ITY-T Y.1231发布，直到这些标准的出台，接入网才真正成为独立的网络。特别是Y.1231的发布，标志着接入网进入大发展时期。
除了标准的制定，推动接入网发展的因素还包括需求推动、技术支撑、法规开放和竞争激励。首先随着电信业务向综合化、数字化、智能化、多媒体化、宽带化和个人化方向发展，业务多样化需求、带宽需求以及用户数量不断增长，推动了接入网从支持单一的业务网演进为支持多种业务网的宽带传送平台； 其次，包括光纤技术、数字信号处理技术等接入网宽带传输技术的不断发展和提高，支撑了接入网的快速发展； 第三，世界范围内的电信法规的开放，从最初的严格管制到国内业务市场开放，再到国际业务市场开放，极大地促进了国际电信业的发展和中国电信市场的开放； 第四，接入网市场出现了市场竞争、技术竞争的竞争格局和多家营运商并存、多种技术并存的并存格局，这种竞争和并存有利于提高服务质量、加速新业务的开发、增加用户的选择、降低市场价格，从而推动了接入网技术的发展，极大地活跃了接入网市场。
我国参照国际标准和国情也制定了接入网技术体制、 标准和测试规则，包括《交换机和接入网之间V5.1、V5.2 接口技术标准》，《接入网技术体制（暂行规定）》等。20世纪90年代中期,先进的V5接口光接入系统问世后, 我国进入了接入网正式发展阶段。1996年开始进行为期两年的试验，进而推广。1995年全国接入网建设量约为50万用户线，1999年达到800万用户线，2000年约为1000万用户线。2000年后北京、上海等大中城市大规模开展了“光纤到小区”和“光纤到大楼”的建设活动。
随着人们生活水平的不断提高，网络的不断普及和业务应用的不断丰富，通信业务的种类已从传统的单向电视业务或单一语音通信向高清电视、视频、多方数据交换等诸多业务拓展，诸如高清数字电视、高清互动电视、VOD视频点播、IPTV网络电视等新业务层出不穷。在业务种类增多的同时，人们对各种业务的质量要求也不断提高，这些需要都要求越来越大的网络带宽，特别是视频类业务对带宽的要求最高。网络带宽从过去的几KB、几十KB到现在的几MB、几十MB，这个数值还将继续增加。业务的多样化趋势要求接入网从支持单一的业务网演进为支持多种业务网的传送平台。但是原来连接用户的铜缆性能已不能满足新业务的需要，必须对用户接入网进行改造或新建。
综上所述，在传统用户线概念的基础上逐步进化出接入网概念，它不再附属于交换机，而是自成体系。它采用各种最先进的数字通信技术，通过光纤、铜缆和无线技术，将网络提供的各种业务传递到用户。接入网有自己的管理系统，其技术含量也在迅速提高。随着网络融合和信息社会的需要，宽带接入技术在接入网领域的重要性越来越不可忽视。该领域中，主流接入技术分为有线接入和无线接入。有线接入技术包括光纤接入、电话铜缆接入、以太网接入、HFC接入等； 无线接入技术包括数字微波（LMDS、MMDS、微波等）、WiFi/WiMAX、3G等。上述接入技术各有特点，适合不同的应用场合。
1.2接入网的基本架构
本章将从电信接入网的基本架构着手，介绍接入网的基本概念。电信网是由长途网和本地网两大部分组成。本地网又是由连接着各个电信局之间的中继网和各个局交换设备连接到每个用户的用户接入网所组成。电信网按业务分类，可分为支撑网、传输网、业务网和用户端。图1.2是电信网各网络之间的连接关系。其中传送网由骨干传送网、接入网等组成； 支撑网由No.7信令网、数字同步网、电信管理网等组成； 业务网由固定电话网、移动电话网、IP电话网、数据通信网、智能网、综合业务数字网（ISDN）等组成。数据通信网包括X.25分组交换网、数字数据网（DDN）、帧中继网、计算机互联网等； 智能网包括800号业务、300号业务、虚拟专用网业务、700号业务、电话投票(VOT)业务、大众呼叫(MAS)业务等； 用户驻地网（CPN）是指用户终端到用户网络接口（UNI）之间的网络设施，由完成通信和控制的用户驻地布线系统组成，其中包含机线设备。



图1.2电信网网络架构

 
广电系统的网络架构与电信系统的网络架构在城域和骨干网络上大致相同，不同的是最后一公里的接入网技术。电信接入网的发展遵循光进铜退→宽带提速→FTTH的技术发展路线，而广电接入网的发展遵循双向改造→下一代广播电视网→FTTH的技术发展路线。另外广电和电信接入网的差异主要表现在三个方面。
（1）  业务差异： 电信的视频业务主要表现为IPTV组播和IPTV点播形式，广电的视频业务主要表现为数字电视广播和VOD形式。
（2）  技术差异： 在视频传输方面，电信主要采用组播技术，广电主要采用数字广播技术； 在网络覆盖模式方面，电信以光纤为主，广电以同轴电缆为主； 在IP化程度方面，电信采用纯IP化接入技术，广电为部分IP化接入技术。
（3） 管理差异： 电信和广电在资源管理系统、用户开通和故障报修体制方面均存在差异。
1.2.1接入网的定义与定界
用户接入网是整个网络的最底层，它泛指用户网络接口（UNI）与业务节点接口（SNI）间实现传送承载功能的实体网络。其目标是建立一种标准化的接口方式,以一个可监控的接入网络，使用户能够获得语音、租用线业务、数据多媒体、有线电视等综合业务。
1) 接入网的定义
 国际电信联盟（ITU-T）于1995年通过了关于电信接入网框架结构方面的新建议G.902，它定义了接入网的体系结构和功能、接入类型、管理和业务节点。其中对接入网的具体定义如下。 
接入网由业务节点接口（service node interface,SNI）和用户网络接口（user network interface，UNI）之间的一系列传送实体（如线路设备和传输设施）组成，是为电信业务提供其所需传送能力的实施系统，可通过管理接口（Q3）配置和管理。原则上对接入网可以实现的UNI和SNI的类型和数目没有限制。
2) 接入网的定界
如图1.3所示，G.902定义的接入网范围由三个接口界定，即用户网络接口、业务节点接口和电信管理接口。网络侧经由业务节点接口（SNI）与业务网相连； 用户侧由用户网络接口与用户终端设备（TE）或用户驻地网相连； 管理方面则需经Q3接口与电信管理网（TMN）相连，但通常需经中介设备（MD）。接入网由TMN进行配置和管理，完成电信业务的交叉连接、复用和传输。




 图1.3接入网的定界



3) 接入网接口
接入网接口有三类: 业务节点接口（SNI）、用户网络接口（UNI）和管理接口（Q3）。
业务节点是提供具体业务服务的实体，是一种可接入的各种交换型或永久连接型电信业务的
网元。业务节点对于交换业务提供接入呼叫和连接控制信令，进行接入连接和资源处理。业务节点的业务类型有本地交换机(PSTN、ISDN、B-ISDN、PSDN等)、租用线业务节点（电路方式、ATM方式、分组方式）、IP路由器、信息业务节点（VOD）和有线广播电视业务节点（CATV）等。 SN可分为三种类型： 
① 仅支持一种专用接入类型，如图1.4(a)所示； 
② 支持多种具有同样的接入承载能力规范的接入类型，如图1.4(b)所示； 
③ 支持多种具有不同的接入承载能力规范的接入类型，如图1.4(c)所示。



图1.4接入网与不同类型的业务节点的连接



（a）  接入网与一种专用接入类型业务节点的连接； 

（b） 接入网与多个不同接入类型、相同接入承载能力业务节点的连接； 

（c） 接入网与多个不同接入类型和承载能力的业务节点连接



（1）  业务节点接口（SNI）
SNI是接入网和业务节点之间的接口，它可以通过透明传送通道实现远端连接。SNI有
模拟接口（Z接口）和数字接口（V接口）两种。SNI可分为支持单一接入的SNI和综合接入的SNI。支持单一接入的标准化接口主要有提供ISDN基本速率（2B+D）的V1接口和一次群速率（30B+D）的V3接口； 支持综合业务接入的接口目前有基于2Mbps的V5接口，它支持普通电话、ISDN和专线业务，包括V5.1、V5.2接口，而北美多采用基于1.544Mbps的GR303接口。在实际网络应用中SNI还有很多类型的接口，包括已标准化的SDH、ATM、以太网等多种类型接口。
（2） 用户网络接口（UNI）
UNI是接入网与用户端之间的接口，支持用户终端或用户驻地网的接入，接入业务不同，接口类型和信号方式亦不同。UNI包括单一的UNI和共享的UNI。UNI具有以下特点： 
① 一个UNI只能对应一个SNI； 
②  一个AN可以有多个UNI； 
③  单一的UNI只支持一个用户端口功能，只能对应一个SNI，对应一个SN；
④  共享的UNI可支持多个用户端口功能，对应一个SNI，但可以对应多个SN，即可指派每个用户端口模块对应不同的业务节点SN。
UNI主要包括模拟二线音频接口（Z接口）、ISDN-BRI 的基本速率接口、ISDN-PRI
的基群速率接口以及各种专线接口（64kbps、 2048kbps数据接口、话带数据接口V.24及V.35等）。
（3） 管理接口（Q3）
Q3是电信管理网与电信网其他部分相连接的标准接口。接入网的管理应该纳入电信管理网（telecommunications management network mode，TMN)的范畴，目的是统一协调管理不同的网元。TMN通过Q3接口实施对接入网的管理与协调，管理包括用户端口功能管理、运送功能的管理和业务端口的管理，形成用户所需要的接入和接入承载能力。接入网的管理不但要完成接入网各功能块的管理，而且要附加完成用户线的测试和故障定位。TMN是只对接入网的管理，而非对用户的管理。
G.902建议未考虑其他网管接口规范，如SNMP接口规范。如后所述，AN的管理功能也缺乏对用户接入的管理。这些不能不说是G.902的弱点。
用户网络接口（UNI）与业务节点（SN）的联系是静态的，通过协调支配使UNI与相关的业务节点建立这种联系。同时，分配到业务节点的接入承载能力也是通过支配功能完成的。从业务节点接口（SNI）上看，相当于把接入网划分为多个虚拟接入网，且每个业务节点至少有一个虚拟AN与其对应，如图1.5所示。具体实现上，则是在同一物理配置内，对所有接入网资源进行统一的综合管理。



图1.5虚拟接入网示意图



1.2.2接入网功能结构
接入网在通信网络中主要负责将图像、数据、语音等多种业务透明地传送到用户端。根据接入网框架要求，其主要功能有五种： 用户端口功能（user port function，UPF）、业务端口功能（service port function，SPF）、核心功能（core function，CF）、传送功能（transport function，TF）和系统管理功能（system management function，SMF）。图1.6是接入网的功能结构图。


图1.6接入网功能结构图



（1）  用户端口功能
UPF的主要功能是将特定的UNI要求与核心功能和管理功能相适配。具体功能为接入包括电话、数据、传真、视像和多媒体等窄带和宽带业务，并对这些业务实现终接、数/模转换、信令变换、激活/去激活、承载通道/能力处理、接口测试和维护以及管理控制等功能。


（2）  业务端口功能
SPF的主要功能是将特定SNI规定的要求与公用承载通路相适配，并为接入网的系统管理中处理选择信息。包括SNI功能的终接，将承载要求、定时管理及操作要求映射进核心功能，并在需要时实现对特殊SNI协议映射和业务节点接口的测试、端口的维护及管理控制。
（3） 核心功能
CF位于UPF和SPF之间。它的主要作用是将各个用户端口承载要求或业务端口承载要求与公用传送承载通路相适配，这包括对协议承载通路的适配和复用处理。其具体功能为承载通道集线、信令和分组信息复用，为ATM传送承载进行电路仿真以及控制、管理功能。
（4） 传送功能
TF为接入网中不同地点之间的公共承载通路提供传输通道，并为所用的传输介质提供媒质的适配。其具体功能为完成复用，根据重组和配置的交叉连接、管理、物理媒介等。
（5） 系统管理功能 
SMF的主要作用是对UPF、SPF、CF和TF功能进行管理，如配置、运行、维护等，进而通过UNI与SNI来协调用户终端和业务节点的操作。具体功能为配置和控制、业务协调、故障检测与指示、用户信息和性能数据的采集、安全控制、通过SNI协调UPF和SN的时限管理与运行要求、资源管理、通过Q3接口与TMN通信以便接收监视与接收控制。
1.2.3电信接入网在电信网中的位置
电信网简单地说是由电信核心网和接入网组成。电信核心网通常包括交换网和传输网； 电信接入网是用户到电信核心网的承载电信业务的一系列实体。图1.7给出了电信接入网在电信网中的位置，显然接入网是嫁接电信核心网和用户终端之间的桥梁，接入网通过SNI和UNI将电信核心网和用户终端联系在一起。


图1.7电信接入网在电信网中的位置



在接入网发展史上，ITU G.902建议的作用是不可替代的，是接入网发展的里程碑。它确立了接入网的第一个总体结构，使接入网开始形成一个独立完整的网络，是接入网发展的重要理论依据。但是，在互联网大潮的冲击下，G.902建议在传统电信网络观念上的弱点也开始显现： 它束缚于电信网的体制，不解释信令、不具备交换功能、用户不能通过信令控制接入网的动作； 核心网与业务绑定，不利于其他业务提供者参与； SN必须与核心网绑定，使用业务需要在 UNI和SNI之间建立关联； 不具备独立的用户管理功能等。以上这些局限性与当今互联网发展的主流相矛盾。在全球信息基础建设（GII）影响下产生的ITU Y.1231建议，定义了IP接入网络的总体结构，将接入网推进到一个新的阶段。
1.3IP接入网体系
 2000年11月ITU-T通过了Y.1231建议，该建议定义了IP接入网的总体框架结构。Y.1231不仅对IP接入网具有指导意义，对电信网络的IP化也具有较好的推动作用，并对其他接入网络的总体结构产生了重要意义。
1.3.1IP接入网定义
IP接入网是由网络实体组成的、提供所需接入能力的一个实施系统，用于在一个“IP用户”和一个“IP业务服务者(ISP)”之间提供IP业务所需的承载能力。IP业务提供者是一种逻辑实体，可以是一个服务器群组，或者是一个服务器，甚至可能是一个提供IP服务的进程； IP用户可以动态选择不同的IP服务提供者。
图1.8给出的是IP网络体系结构，从图中可以清楚地看到IP接入网所处的位置。IP接入网位于用户驻地网（customer premises network，CPN）和IP核心网之间，IP接入网与CPN和IP核心网之间的接口均为参考点（refereance point，RP）。RP是一个统一的逻辑接口，用来在逻辑上分离IP核心网和IP接入网功能。与传统电信接入网的用户网络接口(UNI) 和业务节点接口(SNI) 不同,RP 在某些IP网络中不与物理接口对应。在IP网络体系架构中，不管是用户接口、业务接口或管理接口都使用RP接口。IP接入网的用户既可以是各种终端设备，也可以是用户驻地网，用户驻地网可以连接多台用户驻地设备。IP核心网是IP服务提供商网络，可以包括一个或多个IP服务提供商。


图1.8IP网络体系结构



1.3.2IP接入网参考模型
 Y.1231建议给出了IP接入网参考模型，见图1.9。该参考模型描述了IP接入网的三大功能： IP接入网传送功能、IP接入功能和IP接入网系统管理功能，也描述了IP接入网的统一接口RP。


 图1.9IP接入网参考模型


 传送功能的主要任务是承载并传送IP业务； 接入功能的主要任务是对用户接入进行控制和管理； 系统管理功能的主要任务是系统配置、监控和管理。
IP接入网参考模型中增加了IP接入功能，这是IP接入网与电信接入网在总体结构方面的最大区别。IP接入功能主要为用户接入提供传送能力和控制能力，它为接入网的独立运营商提供了强有力的支撑。IP接入网的接入功能包括： 
（1） 用户可以动态选择不同的IP服务提供者； 
（2） 使用PPP 协议，为接入用户动态分配IP地址； 
（3） 实现网络地址转换(network address translation，NAT)； 
（4） 数据加密； 
（5） 用户接入管理（AAA），
AAA功能是认证、授权、记账的缩写。


1.3.3IP接入网的接入类型
IP接入网允许多种接入类型，Y.1231建议中所列出的接入类型包括： 
（1） xDSL； 
（2） cable modem； 
（3） 光纤接入（SDV、PON、HFC和其他光传输技术）； 
（4） LAN、WAN； 
（5） 无线和卫星； 
（6） B-ISDN接入（155Mbps和622Mbps）； 
（7） 基群速率接入(1544kbps和2048kbps)； 
（8） CATV接入。
1.3.4电信接入网体系与IP接入网体系的比较
Y.1231定义的IP接入网体系和G.902定义的电信接入网体系在许多地方有明显的不同。
（1）  定义上的不同
 在G.902建议中，将接入网定义为SNI和UNI之间的承载电信业务能力的实体； 在Y.1231建议中，将接入网定义为IP用户与IP服务提供者之间的承载IP业务能力的实体。
（2）  定界与接口的不同
 在G.902建议中，电信接入网与核心网、CPN之间的接口由SNI、UNI和Q3接口界定； 而在Y.1231建议中，接口抽象为统一的接口RP，它更具灵活性和通用性。
（3） 功能上的不同
 在G.902建议中，接入网的功能包括复用、连接、运送，不包括交换和计费功能，不解释用户信令，UNI和SNI是通过相关SN的静态关联，用户不能动态选业务提供者； 而在Y.1231建议中，除具有复用、连接、运送等功能外，还具有交换和计费功能，并且具有IP接入控制功能，IP用户可以动态选择IP服务提供者。
（4） 接入管理的不同
在G.902建议中，没有关于用户接入管理的功能，对接入网的管理通过电信管理网络实现，受制于电信网的体制； 而在Y.1231建议中，具有独立且统一的AAA用户接入管理模式，便于运营和对用户的管理，适应各种接入技术。
综上所述，Y.1231建议与G.902建议有非常大的区别，IP接入网比电信接入网有了较大的发展。Y.1231建议基于IP技术，是一个十分重要的基础性建议，由它定义的IP接入网在互联网技术大潮流的背景下，推动了通信网络向基于IP技术的融合网络的演进。
1.4接入网的分类
随着各国接入网市场的逐渐开放、新业务需求的迅速出现、有线和无线接入技术的发展，接入网开始成为人们关注的焦点，作为通信网中与用户相连的最后“一公里”网络，接入网的主要功能是将语言、数据、图像等多种业务传送到用户。20世纪90年代后期，宽带接入网的地位越来越重要，为适应这一潜在而巨大的市场，提出了多种接入技术和发展策略，各种技术产品不断问世。制约接入网发展的主要因素是接入的经济性问题，这与用户的业务需求、用户分布、用户的经济承受能力、接入技术等多方面因素密切相关。 
目前的主要宽带接入技术有： 以电话铜缆为接入手段的xDSL技术； 以五类双绞线为接入手段的以太网接入技术； 以同轴电缆为接入手段的HFC技术； 以无线为物理媒质的