广电接入网技术与发展进程

广电接入网技术与发展进程综述唐明光中广协会技术工作委员会2012.7.15青岛市一、广电接入网的提出1992年美国贝尔实验室的科学家Oshinsiky针对当时电信传统的铜线接入网带宽小，不能满足业务发展需求的弊病，提出了将HFC网络改造为双向网络，充分利用HFC网络的宽带特性，在双向HFC网络上实现宽带数据通信。并且在贝尔实验室区域架设了一个试验网络，实现了双向数据通信。从此，双向HFC网络作为宽带接入网为世人所熟知。二、广电接入网标准发展历程最初的HFC接入网并没有标准，所以在双向HFC网络上实现数据通信的方式和设备五花八门。直到1996年，美国四大有线电视机构TimeWarner、TCI、Cox、Comcast发起组织的多媒体电缆网络协会MCNS(MultimediaCableNetworkSociety)，制定了“基于电缆的数据接口服务规范”DOCSIS(DataOverCableServiceInterfaceSprcification)技术规范，该规范得到了Cisco、3Com、Intel、Motorola、NEC等诸多厂商的支持。1998年3月，DOCSIS1.0规范被国际电信联盟（ITU）所采纳，标准号为ITU-Tj.112，从而DOCSIS成为HFC网络内进行高速数据通信的国际标准。2000年CableLabs发布了DOCSIS1.1规范。2002年12月，国际电信联盟采用了DOCSIS2.0标准，标准号为ITU-Tj.122。为了更好地支持欧洲和亚洲的有线电视制式，CableLabs组织提出了EuroDOCSIS标准。美标和欧标的DOCSIS运行机制和核心协议完全相同，其区别主要在物理层：美标DOCSIS符合ITU-Tj.83-B,占用6MHz带宽，QAM调制；上行频谱采用低分割5—42MHz，QPSK/16QAM调制。欧标DOCSIS符合ITU-Tj.83A(同DVB-C)，占用8MHz带宽，QAM调制；上行频谱采用中分割5—65MHz,QPSK/16QAM调制。我国尚无电缆调制解调器系统完整的国家标准或行业标准。但有两个相关的标准：GY/T106(有线电视广播系统技术规范)，该规范规定了有线电视网络RF下行信道的行业标准；GY/T180(HFC上行传输物理通道技术规范)，该规范规定了有线电视网络RF上行信道的行业标准。这两个标准很大程度上是参考照了DOCSIS标准中的相关项目而制定的。三、采用DOCSIS技术对HFC网络改造的要求及优缺点1、改造的要求HFC网络的双向改造必须达到HFC接入网的要求。采用CMTS-CM技术，HFC网络一定是接入网，绝不是广播网。作为接入网，双向HFC网络具有如下特点。1）网络设计的特点a）在满足系统指标分配条件下，光纤网和同轴电缆网的设计分别进行，b）光纤网上、下行各自独立设计，c）同轴电缆网以上行设计为主要考虑因素，辅之以下行设计考虑。通常，只要上行设计满足，则下行一般都能满足。2）网络施工工程特点a）要有完善的施工工艺规范标准b）要有严格的第三方工程监理标准c）要有严格的第三方工程验收标准3）网络调试特点a）必须制定回传网络系统调试的统一规范b）回传系统的调试,必须确保用户电平的归一性。即从任一用户端发送同一频率的上行信号，通过上行回路传输至上行光接收机，注入CMTS的信号功率应基本恒定。c）在上行光发射机激光器工作在最佳工作点、实现RF放大器工作在基准电平的情况下，确保前端所有上行光接收机的输出电平保持基本一致。4）网络运维特点a）广播和DOCSIS维护一套人员b）运维队伍要有高水平的领军人才c）必须配备完善的运维监测系统d）24小时连续监测，实现主动运维5）网络设备、机房要求a）设备必须满足接入网要求b）设备和路由需备份c）机房设计须达到电信运营级要求6）分前端配置的原则：a）至少两个路由的光缆出入b）用户相对集中的地方c）与数据分中心同一机房、机房留有扩展的空间及机架d）分前端复盖的光节点最大距离尽量控制在3km以内e）复盖用户1—2万户7）光节点配置原则：a）路由：最短原则；无重复原则；沿街道、马路，尽量减少出/入地b）光纤芯数：环形网：分前端个数+交互数据信道芯数+备纤芯数星形网：上、下行各一芯+网络扩展备用芯c）用户数下行频道550—750MHz（860MHz）传输数据信号，可安排25—38个频道，扣除VOD、HDTV、网管占用频道，用于数据传输的频道约20个。一台光发射机复盖4个光节点，每个光节点占用5个数据频道，按64QAM调制计算，每个数据频道可传输40Mbps，每光节点200Mbps。如每用户占用4Mbps，可分给50个用户同时使用，如按20%接入率计可覆盖250户。上行频带5—65MHz，其中5—15MHz干拢大不能用，余下50MHz带宽可安排6个8MHz带宽的频道，每用户上行带宽按1Mbps，每个8MHz频道能允许30个用户同时上传信号。考虑用户接入率20%，并发率50%，则一个光节点可容纳300个用户。从上/下行考虑，一个光节点复盖250用户为宜。8）有源设备配置原则：a）光发射机、光工作站、回传光接收机、双向放大器、集中供电设备等应采用高端设备。b）同技术规格的设备N+1备份，不同技术规格的设备1+1备份。2、DOCSIS技术优势和缺陷1）优势：a）基于已有的HFC网络的双向网。b）高度集中，除了分前端（前端）的CMTS和用户端的CM以外，没有其他有源的数据网设备，因此管理、维护比较方便。c）CMTS的另一大优势是时间成本低：一旦部署了CMTS，就像电信ADSL一样可以随时开通用户，这对竞争是重要的。d）覆盖范围大，单从宽带接入业务考虑，CMTS可以分期投资，逐步扩充。e）CM的标准化、成熟度高。2）缺陷：a）CMTS单位带宽成本太高是这个方案的致命弱点。短期内如果只作宽带接入和上网，每个信道实际接入服务200户以下（覆盖2000户以下），由于共享和非同时应用，上网速率还可以达到200k-2M。如果作流媒体服务（IPTV、VOD等现在流行的新业务），每个用户都需要长时间占用网络、大流量吞吐数据，每个信道只能服务40户以下，成本就太高了。b）反向噪声汇聚也是一个工程和维护的难题，HFC网络反向设计和施工工艺的控制在我国大部分地区（特别是中、小城市）实施也还存在一定难度，而维护和运行故障排除需要的技术支撑在我国大部分地区短期内也难妥善解决。c）由于受频谱标准限制，上行带宽扩展困难，对于日益增长的对称宽带通信需求无法支撑。d）由于大量采用光设备（光发、光工作站、上行光收等）、IP-QAM设备和CMTS，对机房和用电量的需求，将随着用户接入量的增加而达到无法容忍的地步。据欧盟ReDesign项目数据，当每用户接入带宽40Mbit/s时，每用户需要的耗电量将达到39W。这是不可容忍的。四、无源光网络随着业务种类和带宽需求不断增长，DOCSIS的局限性显露无余。为了提供性能更好的接入网方案，IEEE802.3成立了以太网第一英里工作组，负责制定新一代接入网标准。1、关于EPON标准2000年11月,IEEE802.3工作组成立第一英里以太网(EFM)研究小组，致力于制定EPON接入技术。第一英里以太网联盟（EFM）在2001年初提出了在二层用以太网取代ATM协议的EPON技术，IEEE正式批准成立IEEE802.3ah工作小组对其进行了标准化。2004年，IEEE正式发布了EPON的相关标准IEEE802.3ah。1）EPON网络基本特性a）更高的带宽EPON支持1Gbps上/下行对称带宽；能方便地升级到上/下行非对称1Gbps/10Gbps带宽和10Gbps对称带宽。b）更经济可靠的网络性能EPON是以太网技术与PON技术完美结合，因此成为了非常适合IP业务的宽带接入技术。EPON采用无源光网络，上/下行单光纤波分复用传输，上行光波长1310nm，下行光波长1490nm。网络全部无源，经济性可靠性高。单位带宽成本低。和传统的以太网相比，EPON增加了两部分功能：位于媒体接入控制(MAC)层之下的仿真子层和安装多点控制协议（MPCP）的MAC子层。仿真子层使PON的点到多点网络在上层协议看来象是多个点到点链路。c）更强的适应性和QoS在实际应用方面，EPON通过附加一些增强特性，已经能越来越好地满足更多技术需求。目前，EPON设备商采用各种专利技术，一般都能满足不同环境下的TDM业务传输需求；通过在设备方面附加增强特性，EPON在QoS和OAM方面已经能很好与GPON标准中定义的大部分功能相媲美。中国的主流EPON生产商，已经解决了EPON产品的兼容性问题。2、EPON的优点1）相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。EPON结构的优势，在于传输途中没有有源电子部件，不需电源，因此容易铺设，基本不用维护，节省长期运营成本和管理成本；EPON系统对局端资源占用很少，模块化程度高，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高；2）EPON系统是面向未来的技术，EPON系统是一个多业务平台，对于网络向全IP网络过渡是一个很好的选择。3）提供非常高的带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1Gb／s的带宽，并可以升级到10Gb／s。4）服务范围大。EPON作为一种点到多点网络，以一种扇出的结构来节省前端的资源，服务大量用户。5）带宽分配灵活，服务有保证。对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。3、关于10GEPON的标准10GEPON的标准IEEE802.3av，从2006年开始制定，2009年9月正式颁布标准。IEEE802.3av标准专注于物理层技术的研究，最大限度沿用EPON的IEEE802.3ah的MPCP协议，该标准对于IEEE802.3ah有很好的继承性。IEEE802.3av确定了两种物理层模式：一种是非对称模式，即10G速率下行和1G速率上行；一种是对称模式，即上下行速率均为10G。非对称模式可以认为是对称模式的一种过渡形式，在初期对上行带宽需求较少和成本较为敏感的场合，适合使用非对称模式。随着业务的发展，再逐步过渡到对称模式。IEEE802.3av的波长分配：下行采用1574-1580nm波段，上行和1GEPON的波长重叠，采用1260-1280nm波段。10G-EPON与1G-EPON系统共存兼容于波长分配示意图10GEPON目前规定了3种功率预算的光模块：PR10/PRX10PR20/PRX20PR30/PRX3010GEPON的功率预算可以支持到20KM传输距离和1∶32分光比。4、EPON网络的光网络结构EPON系统是一个典型的光接入网，它由ITU-T定义，如下图示：ONUONUOLTODN业务节点功能V参考点SNIT参考点UNIR/SS/RAN系统管理功能Q3AF一套典型的EPON系统由OLT,ONU/ONT,ODN组成。OLT位于根节点，通过ODN与各个ONU相连，在下行方向，OLT提供面向无源光纤网络的光纤接口；在上行方向，OLT提供了GE接口。为了支持其他流行的协议，OLT还可支持ATM,FR以及OC3/12/48/192等速率的SDH/SONET的接口标准。OLT通过支持E1接口来实现传统的TDM话音的接入。在EPON的统一网管方面，OLT是主要的控制中心，实现网络管理的主要功能。ODN（OpticalDistributionNetwork）是无源光分配网，是连接OLT和ONU的无源光网络。ONU放在用户驻地侧，接入用户终端。EPON网络结构如下图5、采用EPON作为接入网的网络架构EPON作为接入网的网络架构有三种：1）FTTH---光纤到户2）FTTB+LAN光纤到楼-五类线入户3）FTTB+EoC光纤到楼-同轴电缆入户五、广电接入网体系结构由于接入技术的多样性，广电接入网体系结构可以归纳如下：交互信道骨干网广播信道骨干网电源网管电源网管电源网管分前端边缘路由交换机互动电视系统OLTCMTSEDFA/光发射机ONU光节点IP电话PC机顶盒CM光节点用户端LAN\EOC\HPNA\MOCA\PLC\无线1、中国广电