广电EPON+HiNOC模式

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  1概述
  下一代广播电视网的目标是以自主知识产权的关键技术与标准为核心,构建覆盖全国家庭的、平均接入速率100Mbit/s的、可扩展的、全程全网的、宽带交互式的、具有业务质量保证的、国际先进水平的网络平台。下一代广播电视网的建设对于推动国家信息化发展,满足人民日益增长的精神文化需求,维护我国信息和文化安全,促进战略性新兴产业的发展,加快推进三网融合具有十分重要的意义。在NGB的规划中,网络建设是重点,需要建设可以支持包括语音、视频和互联网等各类数字业务的强大融合性支撑网络,同时,未来业务的发展将以视频为主,对网络带宽的需求将日益增强。
  当前我国分布和使用最广泛的有线电视网络具有得天独厚的频带宽、容量大、抗干扰能力强等优点,而且骨干网带宽基本可以满足网络融合的需要,只有接入网速率的限制成为影响业务融合发展的瓶颈。随着宽带业务的发展,现有的接入网技术由于带宽、建设成本、重新布线、保护已有投资以及用户接收程度等原因都难以提供有效可行的解决方案。
  现阶段伴随着有线电视数字化和网络化的推进,有线电视系统从技术体系、组网方式和运营管理等各个方面都发生了深刻变化。随着“光进铜退”进程的发展和FTTB的迅速兴起,特别是HiNOC技术的研发与发展,利用楼内和户内有线电视分配网络解决最后100米范围的宽带接入网瓶颈成为可能,而且无需重新布线或改造便可提供多业务宽带接入服务。2007年7月,由国家广电总局科技司颁发的《有线电视网双向化改造指导意见》,为广电接入网的发展指明了方向,而EPON+HiNOC模式终将成为广电未来接入网发展的优选方案。
  2EPON技术及其特点
  EPON是一种新型的基于吉比特以太网的无源光网络接入技术,它采用点到多点的用户网络拓扑结构,在物理层采用了PON技术,在链路层使用以太网协议,利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入,因此,它综合了PON技术和以太网技术的优点:低成本、高带宽、扩展性强、灵活快速的服务重组、与现有以太网的兼容性、方便的管理等等。EPON协议基于以太网基本MAC协议扩展,容易与其他以太网接口或设备进行集成或互连,有利于降低接入系统和网络的成本。
  2.1EPON系统的构成
  一个典型的EPON系统由OLT、ONU、ODN组成,系统结构如图1所示。OLT(Optical Line Terminal光线路终端)在广电组网系统中一般放置于前端;ONU(Optical Network Unit光网络单元)在光纤铺设到楼的情况下,放置于楼道;ODN(Optical Distribution Network光分配网络)可多级连接,灵活组网。EPON系统使用单模光纤,在一芯光纤上利用上下行两个波长(上行波长1310 nm,下行波长1490nm)传输双向数据。
  图1系统结构图
  2.2EPON的传输原理
  EPON从OLT到多个ONU下行传输数据和从多个ONU到OLT上行传输数据是不同的,所采取的上行/下行技术分别如图2所示。下行方向:数据从OLT到多个ONU以广播方式传输下行数据信号,采用时分复用技术(TDM),根据IEEE802.3ah协议,每一个数据帧的帧头包含注册时分配的、特定ONU的逻辑链路标识(LLID),该标识表明本数据帧是给ONU(ONU1、ONU2、ONU3,……,ONUn)中的惟一一个。另外,部分数据帧可以是给所有的ONU(广播式)或者特殊的一组ONU(组播)。在图2的组网结构下,在分光器处,流量分成独立的三组信号,每一组载有到所有ONU的信号。当数据信号到达ONU时,ONU根据LLID,在物理层上做判断,接收给它自己的数据帧,摒弃那些给其它ONU的数据帧。如图2中,ONU1收到包1、2、3,但是它仅仅发送包1给终端用户1,摒弃包2和包3。
  对于上行,采用时分多址接入技术(TDMA),分时隙给ONU传输上行流量。当ONU注册成功后,OLT会根据系统的配置,给ONU分配特定的带宽(在采用动态带宽调整时,OLT会根据指定的带宽分配策略和各个ONU的状态报告,动态地给每一个ONU分配带宽)。带宽对于PON层面来说,就是可以传输数据的基本时隙,每一个基本时隙单位时间长度为16ns。在一个OLT端口(PON端口)下面,所有的ONU与OLT端口之间的时钟是严格同步的,每一个ONU只能够在OLT给它分配的时刻开始,用分配给它的时隙长度传输数据。通过时隙分配和时延补偿,确保多个ONU的数据信号耦合到一根光纤时,各个ONU的上行包不会互相干扰。同时,在PON的传输机制上,通过新增加的MAC控制命令来控制和优化各光网络单元(ONU)与光线路终端(OLT)之间突发性数据通信和实时的TDM通信。由于ONU在自己的时隙内发送数据报,因此没有碰撞,不需CDMA/CD,从而充分利用带宽。另外,EPON通过在MAC层中实现802.1p来提供与APON/GPON类似的QoS。
  2.3EPON技术特点
  EPON技术是由IEEE802.3 EFM工作组进行标准化的。在该标准中,将以太网和PON技术相结合,在无源光网络体系架构的基础上,定义了一种新的、应用于EPON系统的物理层(主要是光接口)规范和扩展的以太网数据链路层协议,以实现在点到多点的PON中以太网帧的TDM接入。此外,EPON还定义了一种运行、维护和管理(OAM)机制,以实现必要的运行管理和维护功能。
  在物理层,IEEE 802.3-2005规定采用单纤波分复用技术(下行1490 nm,上行1310 nm)实现单纤双向传输,同时定义了1000 BASE-PX-10 U/D和1000 BASE-PX-20 U/D两种PON光接口,分别支持10 km和20 km的最大距离传输。在物理编码子层,EPON系统继承了吉比特以太网的原有标准,采用8B/10B编码方式和标准的上下行对称的1 Gbit/s数据速率(线路码速率为1.25 Gbit/s)。   在数据链路层,多点MAC控制协议(MPCP)的功能是在一个点到多点的EPON系统中实现点到点的仿真,支持点到多点网络中多个MAC客户层实体,并支持对额外MAC的控制功能。MPCP主要处理ONU的发现和注册,多个ONU之间上行传输资源的分配,动态带宽分配,统计复用的ONU本地拥塞状态的汇报等。
  利用其下行广播的传输方式,EPON定义了广播LLID(LLID=0xFF)作为单拷贝广播(SCB)信道,用于高效传输下行视频广播/组播业务。EPON还提供了一种可选的OAM功能,提供一种诸如远端故障指示和远端环回控制等管理链路的运行机制,用于管理、测试和诊断已激活OAM功能的链路。此外,IEEE 802.3-2005还定义了特定的机构扩展机制,以实现对OAM功能的扩展,并用于其他链路层或高层应用的远程管理和控制。
  相对于BPON和GPON,EPON协议简单,对光收发模块技术指标要求低,因此系统成本较低。另外,它继承了以太网的可扩展性强、对IP数据业务适配效率高等优点,同时支持高速Internet接入、语音、IPTV、TDM专线甚至CATV等多种业务综合接入,并具有很好的QoS保证和组播业务支持能力,是目前建设高质量接入网的重要备选技术之一。
  图2EPON上/下行数据流原理图
  3HiNOC技术及其特点
  HINOC(High performance Network Over Coax)技术是我国自主研发的、具有自主知识产权的、面向NGB需求的一种基于高性能同轴电缆射频调制接入技术。HINOC系统以其低成本、高性能的特点为高速和高质量多业务的接入提供高速通道。HINOC技术的发展与应用,将对我国新一代信息基础设施、形成新的网络体系结构、新的运营模式发挥重要作用。
  HINOC技术利用现有有线电视网络的同轴电缆,通过增加HINOC桥(HINOC Bridge,HB)和HINOC调解器(HINOC Modem,HM)等相关设备,可实现承载包括IPTV、HDTV、SDTV、VOD、VOIP以及高速上网等高速和高质量多业务接入宽带服务。
  3.1HiNOC技术原理
  HiNOC技术使用860MHz以上的空余频段进行以IP为主的数据信号传输。HiNOC技术采用16MHz频带作为一个数据传输信道,在16MHz信道带宽上实现物理层112Mbps的传输数据率,在有效频带上达到7比特/s/Hz。工作频带满足现有有线电视网络频率规划要求,可支持从QPSK到1024QAM的自适应调制。采用TDD双工模式和TDMA多址方式,支持基于优先级的QoS保证机制。单信道最大支持接入终端数为32个,支持IPV4/V6、可控组播、广播式传输和点到点传输。同时,为避免多径引发码间干扰、提高信道利用率,HiNOC技术选择多载波OFDM体制传输数据。
  HiNOC头端设备和处于同一信道的HiNOC Modem(HM)构成一个逻辑独立的楼内分配网络,HiNOC技术支持在多个信道同时构建多个相互独立的分配网络。HiNOC的头端设备可以是只支持一个信道的HiNOC Bridge(HB),也可以是支持多个信道集成的HiNOC Switch(HS)。HiNOC技术典型组成原理图如图3。
  图3HiNOC典型组成原理图
  图中圈内代表一个独立的有线电视楼内分配网络,由HiNOC头端HB和若干HM设备组成。数据信号到达HB结点后,被调制到同轴电缆的一个HINOC信道上,然后进入楼内分配网络,经楼内分配网络到达位于同一信道的各HM结点,并经HM解调后传送到用户数字终端设备。另外,在一个楼内分配网络也可以划出多个HINOC信道,在每个信道都可以单独构建一个HINOC网络,各信道之间按照FDM方式分隔。
  3.2HINOC的技术特点
  (1)可同时支持低、高频段:目前,HINOC的工作频段可同时兼顾到低频段与高频段,单信道带宽为16MHz;低频段为0~32MHz,高频段为860~1006MHz,中心频点连续可调。
  (2)频谱利用率较高:HINOC物理层传输效率的理论值大于7b/s/Hz。由于采用了OFDM调制技术(从QPSK到1024QAM调制,且误码率低于1×10-9,从而可实时支持视频传输。在1个信道中可实现最高112Mbps的物理层速率)以及自主创新、基于同轴网络时不变信道特征的分布式信道均衡技术,MAC层频谱利用率的理论值大于4b/s/Hz(实际测试值为3.85b/s/Hz)。
  (3)支持DBA(动态带宽分配)功能:MAC层采用TDD/基于预约/许可的TDMA工作模式,实现无冲突的信道接入与灵活的带宽分配。通过DBA,设置接入用户的保证带宽与分配带宽,实现对用户接入带宽的控制,可满足有线运营商的带宽分配管理需求。
  (4)支持流分类功能:HINOC内置了流分类模块(用于处理流分类、流过滤、流标记、QoS等),可确保业务优先级。HINOC的协处理器可根据报文头部的控制信息进行流分类,可完成从第二层到第四层关键元素的过滤,可实现访问控制、报文捕获、QoS处理、IGMP组播、黑/白名单等功能。
  (5)基于CPU+协处理器实现MAC功能:HINOC采用了基于CPU+硬件协处理器来实现MAC的方案,由于其将原有MAC部分可以固化的功能硬件化,从而大大降低了对于CPU的要求,可以低成本的实现原有MAC功能。MAC层的设计能够到达媒质接入控制和业务适配技术方案及对物理层的规划控制的要求。另外,物理层硬件结构设计也能够很好的达到HINOC物理层传输模式技术方案以及与MAC层交互的要求。
  4EPON+HiNOC组网技术及其应用
  结合有线电视网络双向化改造,EPON系统可以安排部署在分前端与光节点之间,并延伸至楼道,提供FTTB方式的宽带接入;HiNOC设备部署在ONU出口和用户终端之间,解决用户分配问题。采用EPON+HiNOC技术进行双向化改造的典型组网方式结构如图4所示。这种基于光纤到楼(FTTB)的组网方式是目前最为可行的接入方式。
  图中左圈为一典型的EPON系统,右圈为一典型的HiNOC系统。
  工作原理:首先看下行链路:来自骨干网络侧的以太网数据信号,经由OLT、ODN、ONU组成的EPON系统,以FTTB方式到达小区楼宇门口;然后经HiNOC系统设备HB调制到同轴电缆的一个HINOC信道内,并通过楼内分配网络和电缆终端盒传送到位于住户家内的HM,经HM解调后(通过HM的以太网接口)传送给个人电脑(PC)、高清电视接收机(通过IP机顶盒)等终端设备。在上行链路上:从各终端设备上行的数据信号经对应的HM调制后进入同轴电缆分配网络到达HB,由HB解调转换后经EPON系统送回到骨干网络。
  CATV节目信号在HB处与以太网信号一起混合进入电缆分配网络,被户内的电视机接收,因此不影响原有电视节目的收看。
  5结束语
  EPON技术利用PON的拓扑结构实现以太网的接入,具有高带宽、易维护、低成本等优点,可以通过单一平台综合接入语音、数据、视频等多种业务。HiNOC技术遵循以太网协议,技术标准高,并且客户端为有源终端,提高了系统的稳定性;同时,工程安装不需重新敷设五类线,有效的解决了楼内重新敷设线缆施工困难问题,建设成本较低。采用EPON + HiNOC技术可同时支持数字电视、互动电视、数据业务和传统TDM业务,满足全业务运营接入网的目标要求。在组网方式上,可通过同一个平台上提供电视、数据、语音和视频应用,也可以采用A、B两个平台,分别传输电视和数据信号。因此,EPON+HiNOC的应用将为广电在新形势下建设NGB,开辟一条全新的发展道路。
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