三网融合下的广电宽带接入技术探讨

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  1.三网融合背景
  三网融合指的是通过技术改造,使电信网、计算机互联网和有线电视网在技术上趋向一致,网络层上可以实现互联互通,形成无缝覆盖,业务层上互相渗透和交叉,能够提供包括语音、数据、图像等综合多媒体的通信业务。2010年初国务院制定三网融合的规划方案,年中又出台了12个试点城市,2012年前为试点阶段,然后再向全国范围推广。可见三网融合为大势所向,势在必行。
  传统的广电网络仅能满足基本广播电视节目的传送,既不能承载多媒体交互业务,也不能有效实现网络、业务和用户管理。随着三网融合的启动,广电当前面临着最重要的任务是加快有线电视网络数字化升级改造,加快建设下一代广播电视网,在这一过程中广电网络需要大量采用双向改造的技术,从而确保广电在三网融合竞争的中取得优势。广电网络的双向改造不仅仅要改,而且还要去探索如何去改、怎样去改的好,适合三网融合后网络的宽带宽、高速率、互动等多业务发展要求,同时,在电信已瞄准三网融合的先机,发展互动电视、网络电视,已在提前升级带宽,这样一个背景下,更逼迫要求广电网络必须加快速度的去双向改造。
  2.广电网络主流接入技术
  广电有线电视网的骨干网都采用光纤传输,光纤传输的优点是损耗小、带宽高、传输距离远等,所以广电网络的双向改造问题,归根结底是用户到网络的最后一公里接入问题。这不仅是电信、联通等传统电信运营商开展业务重点考虑不可缺少的基础设施,也是当前广电网络双向改造必须面临的问题。因此,本文将从技术层面上,重点分析广电网络如何去解决最后一公里的接入问题。
  2.1CMTS(DOCSIS)接入方式
  2.1.1CMTS及Cable接入技术
  CMTS(CableModemTerminationSystem)是线缆调制解调器终端系统,它是采用标准DOCSIS技术,位于有线电视网前端的设备系统,允许有线电视运营商向家庭计算机提供高速Internet接入。CMTS通过有线电视网发送和接收数字线缆调制解调器信号。它接收从用户的线缆调制解调器发来的信号,将信号转换成IP包,然后将信号按一定路由发送给ISP,连接Internet。CMTS还能将信号下行发送到用户的线缆调制解调器。线缆调制解调器之间不能互相直接通信,必须通过CMTS才能沟通。
  CMTS系统主要由以下几部分组成:
  (1)电缆调制解调器头端系统(CMTS)设备。其功能是提供从WAN和本地服务器到宽带HFC网络的桥接。
  (2)位于终端用户侧的电缆数据调制解调器(CableModem),它提供HFC网络到用户端的LAN或PC的連接。
  (3)控制和接入服务器,使用户可以登录,获得本地信息内容,接入Internet,以及保证安全的通信。
  (4)网管和计费系统,实现对网络设备的故障管理,配置管理,性能管理,和计费管理。
  另外,为了与外部网络相接,还需要相应的交换机、路由器、防火墙等接口设备。
  2.1.2CMTS的优势与缺陷
  基于HFC网络的双向改造方案(CMTS+CM方案)的最大优势:
  1、CMTS技术利用现有的CATV网络提供双向通信,适合稀疏模式网络覆盖区域。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。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,这对竞争是非常重要的。
  2、CMTS系统覆盖范围大,单从宽带接入业务考虑,CMTS可以分期投资,逐步扩充。
  3、CMTS的标准化、成熟度也是其它方案难以比拟的。DOCSIS标准的带宽利用率最高,能达到的吞吐量也最高。DOCSIS3.0采用频道捆绑技术可以大大提高速率,甚至达到下行1Gbps、上行500Mbps的水平,这是目前所有其它铜缆接入技术无法达到的。
  所以在同轴电缆占HFC网络中较大比例的时代,CMTS几乎是基于同轴电缆的唯一可选的双向改造方案。
  CMTS系统的缺点:
  1、需要对HFC光电传输链路部分进行双向改造。
  2、HFC网络中噪声汇聚效应影响系统的带宽和性能,同轴缆及接头质量要求较高,后续维护工作量较大。对于大多数有线电视运营商而言,上行噪声是一个普遍存在的问题,特别是在低频带(<65MHz),尤其是在视频或IP话音等实时业务情形下,噪声干扰将引起数据传输延时和抖动,造成视频图象失真或话音不连续。上行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。
  3、采用CMTS进行双向改造,需要反向光发射,接收机,上变频器等多种设备。由于CMTS与光发射机的对应关系,如果每个光节点服务100户、双向各占用2个频道(下行采用64QAM调制时50户共享38Mdps)的话,一台光发射机只能带4个光节点。这样就只能选用4-6mW的小功率光发射机。如果一个分前端服务2万户的话,就需要50台光发射机和50台8通道CMTS,2万个CM。这种方案前端设备数量巨大,维护管理复杂,单位带宽成本太高。后续系统扩容成本巨大。
  4、CMTS采用多值正交幅度调制MQAM(其中M=2m,当m=2,3,4,5,6,8时,分别对应QPSK,8QAM,16QAM,32QAM,64QAM,256QAM)调制方式,本质上是传输射频载波信号的模拟网络,和网络IP化和以太网化背道而驰。
  由于我国广电HFC网络的现状以及DOCSIS3.0技术的逐渐普及,CMTS+CM接入方式现在仍然是我国广电宽带网络的主要接入方式之一。
  2.2EPON/EOC接入技术
  EoC(EthernetoverCoax)是用于在同轴电缆上传输以太网数据信号的一种技术,主要将机房传送至小区或大楼的宽带数据信号通过电缆向用户传输,满足用户端多业务开展带来的高带宽需求。EoC可以根据数据信号分为基带和调制两种传输方式,分别是基带EoC和调制EoC。
  2.2.1基带(无源)EOC
  基带EoC是无源设备,采用基于IEEE802.3相关的一系列协议,它将以太数据信号和有线电视信号采用频分复用技术,使这两个信号在同一根同轴电缆里共缆传输。它是将120Ω平衡方式传输的10Mbps以太网经过平衡-非平衡转换器再经过低通滤波器,与高通滤波器的RF信号进行混合后进入入户电缆。基带EOC,只能用在集中分配网上,42线转换电路在空载时,交换机就会有环回死机的缺陷。在用户端,用一个相同器件分离以太网信号和RF信号。
  它适用于集中分配的小区,一般情况下数据信号必须到楼道。因此基带EoC技术无法适用于网络中普遍存在的树型网络。
  因为无源EOC利用了最后100米同轴电缆进行了数据信号的混频传输。但由于数据信号本身物理特性,无法通过分支分配器,而必须对最后100米同轴电缆进行星型结构改造,给施工带来不少的麻烦。同时由于是基带传输,入户后也无法通过分支分配器,数据信号也易受到信号干扰。同时无法对网络进行QoS保证,无法进行不同业务的不同优先级传输。
  2.2.2调制(有源)EOC技术
  调制EoC利用正交频分复用(OFDM)等技术在头端把以太网信号调制到某个频段上,然后再耦合到同轴电缆上传输,在用户端通过类似于CM的设备终端对调制在同轴电缆上的信号进行解调处理恢复成基带信号通过以太网接口向用户提供服务,同时,也将用户的回传信号进行调制加载到电缆网上传输到头端,即实现了通过同轴电缆传输以太网信号的过程。由于采用了先进高效的调制方式以及错误校验技术,物理层速率远远超出无源EoC能够提供的带宽,对未来用户高带宽的接入需求将提供有力的支持。调制EoC系统能克服基带EoC的缺点,具有传输距离远,能跨越放大器、分支分配器,较高带宽,支持QoS,支持集中网管等优点。
  调制EoC又可细分出很多技术,如MoCA、HomePNA、HomePlug、Wi-Fi等。各种技术方案也是各有优劣势,虽然成熟度不一,但都是基于再次调制解调技术。均将数据信号调制到能在CATV同轴网传输的某一频段上(有低频45M以下、高频:700-1200M、800-1500M、2.4G),混合传输到用户端。
  2.2.3EOC技术的优劣势:
  目前广电已经拥有丰富的同轴电缆资源,为了保护投资,避免重复建设,无论是从国家层面还是从企业层面,使用EOC来进行双向网络改造是符合国家和广电运营商的利益的。同时同轴电缆的频带资源丰富,好的线缆可达1.5GHz以上,如果采用调制技术,加上其屏蔽效果良好,有十分丰富的频谱资源。
  EoC系统作为光纤到小区(FTTC)或光纤到楼栋(FTTB)或光纤到户(FTTH)的最后一段电缆传输技术,可将光纤收发器、PON的终端ONU作为上联汇聚设备。从组网方式来看,类似于CMTS在有线电视网络中的应用,只是将CMTS头端设备下降至小区以下使用,以符合“光进铜退”的网络发展趋势。而且从经济性看,调制EoC技术的价格比CMTS技术要低得多。
  當然EoC技术本身也存在一些劣势。目前EoC存在的一个最大问题就是它的技术尚在发展之中,多种技术并存竞争市场的局面尚有时日,价格仍然是比较高,究竟何种技术领先需要在实践中进行判断。例如基带EOC,只能用在集中分配网上,42线转换电路在空载时,交换机就会环回死机,而留给网卡的富余电平只有几个DB;而调制类EOC,技术成熟度低,市场极其混乱。低频调制类的缺点是受噪声影响大。高频调制类的缺点是传输损耗大,虽然灵敏度高,但电平太小时信噪比差,吞吐率会下降。另外由于采用带宽共享机制,故不适宜开展IPTV之类的高带宽业务
  2.2.4EOC+EPON技术方案的应用
  目前,双向网络改造的主流方案有两种,一种是基于HFC网络的双向改造方案(CMTS方案),另一种是EPON到楼+EoC技术方案。随着广电双向网络改造的深入,基于EPON+EOC的技术解决方案受到越来越多广电宽带运营商的青睐。
  双向改造的投资成本:选用EPON+EOC作为双向改造时,该技术在到户带宽、户均覆盖成本等方面,相比CMTS和EPON+LAN,EPON+EoC均具有一定优势。
  双向改造的速度和难度:EPON+EoC在双向网络改造中,改造难度小、速度快,同时户均覆盖成本低;而CMTS技术成熟但带宽成本高;EPON+LAN面临全网改造难度大、低接入率时覆盖成本高、楼道交换机管理等众多问题。
  双向改造的有效利用资源:采用EPON+EOC解决方案,可以有效利用广电运营商丰富的HFC资源,减少网络改造的投资,实现视频、数据和话音的高效综合承载。
  2.3FTTH技术
  FTTH是指将光网络单元(ONU)安装在住家用户或企业用户处,是光接入系列中除FTTD(光纤到桌面)外最靠近用户的光接入网应用类型。FTTH的显著技术特点是不但提供更大的带宽,而且增强了网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性,放宽了对环境条件和供电等要求,简化了维护和安装。
  FTTH采用光纤作为传输媒质,优势主要显现在:
  1、它是无源网络,从局端到用户,中间基本上可以做到无源;
  2、它的带宽是比较宽的,长距离、抗电磁干扰正好符合运营商的大规模运用方式;
  3、由于它采用光波传输技术,支持的协议比较灵活,增强了传输数据的可靠性;
  4、随着技术的发展,适于引入各种新业务,是理想的业务透明网络,是接入网较为合适的发展方式。
  光纤到户的魅力在于它具有极大的带宽,它是解决从互联网主干网到用户桌面的“最后一公里”瓶颈现象的最佳方案。随着技术的更新换代,光纤到户的成本大大降低。在我国,光纤到户也是时代发展的方向,可以说光纤到户是光纤通信的一个亮点,伴随着相应技术的成熟与实用化,成本进一步降低到家庭能承受的水平,FTTH的大趋势是不可阻挡的。
  但是我们也应该认识到实施FTTH的现实问题。从技术方面看,目前FTTH作为最理想的最后一公里接入技术已成熟,不存在无法到户的技术问题。但是,“光纤到户”技术在面对市场需求、网络效益、设备成本、维护成本、安全性的全面综合考量下,其可行性可能性并非现实,它存在如下一系列问题:
  1、光纤工程的改造施工,所用设备,人员的技术、文化素质等均大大高于铜缆的改造施工。
  2、维护运营成本太高,光纤到户每户必须两芯,光纤易碎且折弯半径不能过小,相比铜线断折的几率会更大些。
  3、市场驱动力不足,网络效益难求。
  4、带宽付费问题,带宽是有成本的,并非多多益善,用户只对其所需的接入带宽付费。
  综上所述,我们建议采用光纤到楼(FTTB)技术作为FTTH的过渡方案,避免FTTH超前实施引起的一系列问题。
  FTTB是FTTX+LAN的一种网络连接模式,意即光纤到楼,是一种基于优化光纤网络技术的宽带接入方式,采用光纤到楼,网线入户的方式实现用户的宽带接入,我们称为FTTX+LAN的宽带接入网(简称FTTB),这是一种最合理、最实用、最经济有效的宽带接入方法。
  3.新兴的基于DOCSIS的EoC接入技术
  由于传统的基于EPON+EoC接入技术和基于DOCSIS的CMTS接入技术存在一些固有的缺陷,因此各个广电宽带运营商正在寻求一种能集上述两种技术优点于一身,同时能克服上述技术缺点的崭新的接入技术。因此采用DOCSIS技术的EoC接入解决方案应运而生。该技术将EPON和DOCSIS结合起来,形成一种新的经济实惠的EoC解决方案。它可以被用于在中国的多住户建筑物中部署DOCSIS。其基本设计思路是,利用现有的EPON设备来实现通过有线提供双向服务,并且该方案比现有EoC解决方案更有价格竞争优势,它可以提供高达400Mbps的速度,更好的覆盖,更少的通话掉线以及为中国三网融合提供经济实惠的解决方案。
  3.1.1技术要点
  在面向EPON的DOCSISEoC解决方案中,系统利用EPONOLT引擎实现流量分类和交换功能,OLT在宽带网络的WAN一侧提供数据包入口/出口,并利用光网络协议栈部分所示的EPON协议栈为通向多住户单元的光缆服务。
  同轴电缆媒体转换器(CMC)提供从EPON到DOCSIS域的桥接功能,同时管理EPON到有线电视网的转换,实现DOCSISCMTSMAC和PHY功能,并用FTTHONU和MDU提供无缝的网络管理。
  DOCSIS协议终止于用户所处位置,用户可采用标准的DOCSIS认证的有线电视调制解调器(CM),还可采用嵌入式多媒体终端适配器(EMTA)或含有嵌入式CM的机顶盒。
  面向EPON的DOCSISEoC技术需要完整的芯片组和软件解决方案,其中包括CMC、DOCSIS2.0和3.0有线电视调制解调器以及机顶盒单芯片系统(SoC)解决方案。其中,同轴缆媒体转换器CMC将DOCSIS用户端设备(CPE)从多住户单元同轴缆网络转换到EPON光网络。通过采用Broadcom的TurboQAM技术,使下行速率达到400Mbps,提高25%,同时,使上行速率达到160Mbps,提高33%,以支持DOCSIS3.0标准。
  DOCSISEoC方案还面向S-CDMA(同步码分多址)传输模式提供先进的侵入噪声和脉冲噪声减轻技术。Broadcom的S-CDMA侵入噪声消除(SINC)技术,可使运营商能够最大限度地利用DOCSISEoC应用的反向通路带宽,以提供可靠、快速的电话、电视和互联网等多种互动业务。
  3.1.2技术小结
  面向EPON的DOCSISEoC使中国的广电网络运营商能以媲美专用EoC技术的成本部署基于DOCSIS的网络,同时获得使用基于标准的设备的所有好处。这些好处包括多厂商互操作性、标准化和经过实用验证的话音业务QoS、最低的成本以及有大量可供选择的有线电视调制解调器和机顶盒系统。
  现在支持采用EPON的DOCSISEoC技术的厂家还比较少,该种技术也还未成为标准协议,前途还不是很明朗,但该技术很好的解决了传统接入方式的缺陷,有希望很快成为标准技术,被各大运营商所采用。
  4.总结
  综上所述,各种网络双向改造的最后一公里接入方式,各自有各自的特点和优劣势,考虑到各个广电网络公司的实际情况、网络特点可能不同,因此三网融合过程中各个广电网络可能采取不一定全部一样的技术标准和改造方案。但可以肯定的是,总体上“光进铜退”是公认的选择之路,是各种方案的发展所趋。
  三网真正融合后的网络,能真正融合到市场经济条件下平等竞争、和谐发展的进程中去,这才是三网融合的成功、广电网络改造的成功。广电网络借助先进的接入技术一定能建设一条高速、双向的多业务视频通信网络平台。■
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