广电下一代EoC技术探讨.doc

剑指百兆入户：广电下一代同轴接入技术展望1 引言广电运营商要实现自身的业务发展目标，关键在于如何在所拥有的广大有线电视群体用户之上拓展新的业务。发展业务的前提和基础是对现有的广电网络通过选择合适的接入网技术实现网络的双向改造，为互动电视，IP话音以及未来的大客户专线等高附加值业务的开展提供可靠的网络支撑。多业务发展是目标，网络双向改造是基础。“内容的运营+带宽的运营”是广电运营商实现战略目标的必由之路。以下为广电业务平台发展方向示意。图中广电的HDTV/互动电视发展可以分为四个阶段：l SinglePlay的业务模式是以提供视频类业务为主；战略目标是进入宽带视频领域，建立商业模式。l DoublePlay的业务模式是以提供视频、数据接入二者捆绑业务为主；战略目标是宽带接入与内容服务的联动发展。l TriplePlay（VoIP政策放开之后）的业务模式是以提供视频、数据接入、语音（VoIP）三者捆绑的业务为主；战略目标是以范围经济形成竞争优势。l MultiPlay的业务模式是以提供面向家庭用户的综合信息服务业务为主；战略目标是实现客户价值最大化。由此，广电业务发展趋势演进如下图所示。与电信等运营商不同的是，适合广电的三网合一建设思路是：首先，以单向业务创新为重点，同时积极推进双向交互业务应用；然后，规模推进VOD、互动电视、电子商务业务，试点VOIP；最后，全面整合各项业务，重点发展付费电视、VOD、电子商务、网络游戏、VOIP、高清电视等。 经过数年的努力，中国广电行业的数字化演进和双向化改造取得了显著的进展。据业内权威研究公司格兰研究统计：截至2012年2月底，我国有线数字电视用户达到11588.5万户，有线数字化程度约为57.51%（有线电视用户基数为20152万户,数据来源于国家广电总局）。据保守预测，到2012年底，全国广电的覆盖用户和渗透用户将分别达到8000万户和2000万户。由此不难判断，随着三网融合的逐步推进，广电网络正在以视频业务为基础向多业务经营发展，广电运营商当前正处于从Double Play到Triple Play乃至Multiplay演进的的关键阶段。针对这一发展趋势，作为广电网络三网融合双向化演进的关键的广电同轴接入网技术也需要相应的向下一代同轴接入技术演进，以满足Multiplay阶段SD/HD IP VoD, VoIP, Media Video, P2P等大带宽、高等级业务的传输承载需求。2 广电下一代同轴接入技术的几个关键问题2.1 N+X问题在广电接入网的双向化演进过程中，曾经出现过关于N+X问题的一些争论，争论的主要焦点包括：光进铜退是广电必然的趋势吗？光进铜退发展到FTTH网络之后还需要同轴接入段吗？或者说光进到哪里竞争优势最大、同轴在哪一段发挥优势最大？关于这些问题需要结合我国广电网络的特点和用户的实际需求来分析。首先，光进铜退是我国广电网络发展的必然趋势。2007年，广电总局发布有线电视网双向化改造指导意见指出：“光进铜退”是有线电视网络宽带化、双向化的发展趋势，有线电视网络双向化改造应将光纤进一步向用户端推进，基本实现光纤到楼，逐步向光纤到户发展。接入分配网的双向化改造应依据各自的业务规划，充分利用入户线路的同轴电缆资源，采用适合当地的宽带双向接入技术，使有线电视网络具备承载模拟和标准清晰度数字电视节目、高清晰度电视、广播、视频点播、宽带数据接入、语音服务等多种业务的能力。在中国广电的NGB建设总体规划中，更进一步明确提出了广电光进铜退的目标是实现PON网络随HFC网络同步光进铜退后FTTB光纤到楼栋，HFC网络实现小光站覆盖50户用户的具体目标。这一目标的提出是合理的：其一，在当前“光进铜退”的大趋势下，广电HFC网络采用光进铜退方案，能够在接入层光网络部分充分与采用相同树形网络拓扑的xPON技术结合起来，从而节省主干光纤，提供对称高带宽，在以太网标准框架下解决广电HFC网络中光部分双向改造中的所有难题。其二，光进铜退到楼道之后，HFC网络通过同轴不出楼的方式能够去除原有线同轴网中的有源电放大器，从而大大改进同轴网络的网络质量，减小维护难度；其次，与欧美国家不同，我国的有线网络具有用户密集分布的特征，因此为实现光纤和同轴段分别发挥最大优势，采用N+0方式将光纤部署到原HFC网络的最后一个放大器甚至楼道中，综合性能价格比最高；最后，应该指出的是，受到各种实际条件的限制，国内广电在较长的时间内不具备规模部署FTTH网络的能力。因此，虽然中国广电的光进铜退是总体趋势，但是同轴线仍有很长的生命周期，中间节点设备是必不可少的。与此对应的是，国内其他电信运营商的FTTH部署过于迅速，广电在此竞争阶段如果没有一种面向未来的下一代同轴接入技术将是十分不利的。为与FTTH进程已经事实上走在前面的电信运营商竞争而利用或改造现有HFC网络，通过创新挖掘HFC的潜力以面对未来业务需求，将是国内广电长期需要面对的问题。2.2 带宽需求如图，与电信运营商的电话双绞线相比，广电同轴电缆的可利用频率资源可以高达3000MHz以上，因此理论上广电的同轴接入网传输速率是可以达到10Gbps级别的。那么，广电同轴接入网的传输速率应该如何选择呢？即广电N+0方案中的同轴段汇聚的带宽应选择100Mbps、Nx100Mbps、1Gbps还是10Gbps呢？回答这个问题需要从实际的业务承载需求来进行具体分析。如前所述，面向三网融合全业务运营的广电接入网需要满足未来Multiplay阶段的多种业务IP化接入的需求。各种业务的典型带宽需求如下图所示。在近期，典型的广电接入网是FTTC模式的，光节点典型覆盖200户左右。按照每户1路4Mbps的宽带上网业务，1路100kbps的VoD业务，1路2Mbps的视频通信业务，1路2Mbps的标清IP OTT业务和1路8Mbps的高清IP VoD业务来计算，考虑一定的用户渗透率和并发率，则户均带宽为4Mbps，户动态突发带宽为16Mbps左右。在光节点处需要汇聚的总带宽为4Mbps * 200户 = 800Mbps左右。类似地，可以分析得出未来远期业务渗透率提高之后的总汇聚带宽需求为1Gbps左右。总汇聚带宽没有本质变化的原因是，虽然每户的入户带宽随着新业务渗透而提高到30Mbps左右（广电总局NGB总体设计目标中提出的相应需求是40Mbps），但是未来光进铜退之后每光节点覆盖的用户数也会相应下降到50户以内。因此，NGB提出的百兆入户，千兆到楼的目标是有充分的现实依据的。能够与电信FTTH竞争的下一代同轴接入网的目标带宽应达到同轴汇聚1Gbps的双向接入速率需求。应该看到，广电同轴网络上的频率资源是各种业务实现共享的。同轴接入端支持到1Gbps的双向接入速率是最合适的。其他频段可以留给广播和单向数据传播等。2.3 参数化的QoS需求作为全业务运营商，广电未来的接入网需要解决NGB的全业务承载需求。典型的业务和性能需求如下表所示：针对各种业务的分组化承载需求，为实现面向三网融合的全业务运营，广电的下一代NGB接入网应提供以下相关参数化QoS功能：(1) DBA功能，针对用户端设备不同的业务配置CIR、PIR等参数，因而在网络拥塞时能实现灵活的统计复用和带宽调度；(2) 高并发功能：通过TDMA等方式真正支持点对多点的接入网应用场景，在存在强交互业务的多业务混合场景下真正解决CSMA带来的多用户冲突问题；(3) 满足时延和抖动需求。3 向下一代同轴接入网演进下图给出了广电接入网可能的主要技术演进路线。与广电总局NGB推荐的两类主要的广电双向接入网技术EPON+EoC和CMTS方案相对应，总体而言，广电接入网可以经由xPON, EoC和CMTS三类技术路线演进。其中xPON的FTTN/C到FTTH演进方式与电信运营商类似，以下主要讨论与广电同轴接入相关的EoC技术和基于DoCSIS的下一代同轴接入技术。当前关于同轴接入的广电下一代接入网技术的讨论比较多，可能的选择包括IEEE P1901, HiNOC, DoCSIS EoC, DPoE, EPoC等等。其中在当前阶段产品和技术已经成熟且适合中国广电建设需求的主要可用方案是IEEE P1901和DoCSIS EoC，而尚处于前期论证阶段的EPoC方案则有可能代表未来的融合发展方向。例如，如果标准化进展顺利，中国的HiNOC未来也有可能并入EPoC架构中成为最终NG EoC EPoC技术标准的一部分。从远期看，EPON和EoC的进一步融合是一个总体发展趋势。采用基于EPON的EPON To The Home (ETTH)演进的EPoC方案正在被IEEE 802.3工作组批准成立相关研究组，以探索采用电信级的EPON MAC层、能够与同轴接入技术端到端融合的远景目标。EPoC架构的特点是把部分或全部光分路器转换为同轴介质入户，OLT侧则可以放入DoCSIS适配层（DML），把基于DoCSIS建立的OSS、BSS、OAM体系移植到PON，在CMC侧则单纯进行物理介质转换，从而使得光纤和同轴融为一体，由OLT直接管理CNU。EPoC技术目前讨论的重心在于具体的Cable PHY技术。EPoC的提出体现了国际标准向中国的靠拢，而中国的EoC也在向PON靠拢、向DOCSIS靠拢。3.1 下一代EoC技术：IEEE P1901和HiNOC经过长期的技术论证和综合分析，广电总局推荐的高低频EoC技术分别是中国自主知识产权的HiNOC技术和Homeplug AV技术。经过多年的实际网络建设，基于Homeplug方案的广电EoC建设实际部署占到所有EoC方案的74%，已经成为事实上的低频EoC建设标准。而高频的HiNOC技术采用了860MHz-1006MHz的频段，预计在2012年内带为100Mbps的HiNoC1.0能够完成工程化版本；而带宽达到1Gbps的HiNoC2.0也已经成立了相关的技术专家委员会，可望在未来一年内完成试验样机。相信随着HiNOC技术和方案的成熟，未来广电高频EoC解决方案会最终统一到HiNOC路线上来。IEEEP1901标准是以HomeplugAV技术规范为基础发展起来的，并就接入网络，PLC技术发展做了很多提升。以目前市场主流的Qualcomm Atheros的HomeplugAV芯片INT6400的EoC和基于P1901标准的AR7400芯片进行对比来看下一代EoC的优点： l 工作频段的扩展和灵活性INT6400工作频率依从HomeplugAV标准，是7.5M30MHz；AR7400不仅满足P1901标准工作频段，从7.5MHz50MMHz，而且Atheros还扩展了Turbo模式，理论上最高工作频率到75MHz（采样速率是150MHz），但考虑滤波器特性等，实际最高达67.5MHz(在广电应用中，考虑数据回传的标准要求，一般最高频率设定为65MHz)。IEEE P1901不仅频率得到扩展，而且其工作频率是可以自协商的，即指定头端Master设备的工作频率，终端可自适应头端的工作频率。同时，头端也可以跟踪终端的发送频率，设备是P1901还是HomeplugAV，如果是HomeplugAV则采用HomeplugAV的格式来连接，前向兼容HomeplugAV。 l 传输性能显著提高AR741x的物理速率最高达700Mbps，MAC速率达340Mbps，是INT6400（100Mbps MAC速率）的3倍多。 P1901标准相比HomeplugAV，工作频段大大扩展：IEEE P1901采用7.565MHz（57.5MHz带宽），其频段是INT6400 7.530MHz（22.5MHz）的2.6倍。另外，P1901支持4096QAM，而INT6400只支持1024QAM；P1901 FEC可以采用8/9编码，而INT6400的FEC编码效率为16/21；最后，AR7400支持更短的帧间隔，提高带宽利用率。因此，理想情况下，AR7400的性能比INT6400大约高： 57.5MHz/22.5MHz（8/9/1621）12bit/10bit=3.6倍。 l 抗干扰性能和环境适应性提高。 低频有两个缺点，一是低频电缆接触不好时，接头阻抗大，干扰容易串入；高频由于寄生电容等影响，即使接头接触不良接头衰减小，影响较小。二是低频15MHz以下频段的干扰信号。电视，机顶盒，放大器等设备都会产生15MHz以下的干扰信号，影响系统的性能。INT6400由于虽然在EoC标准中，把1.8MHz提升到7.5MHz，把低频干扰最严重的低频段隔离，但由于工作频段比较窄，不可能把15MHz以下的频段都舍弃不用，因此7.5M15MHz还是会受低频干扰的影响；AR7400工作频段提升，30M65MHz这段非常干净，适合传输数据，因此实际在噪声环境的性能提升远不止三倍。对低频接触不良和抗低频干扰的性能提升很多。 l CPU处理性能大大提高，软件特性丰富。 AR741x采用ARM11和DDR SDRAM，相比INT6400的ARM9和SDRAM，性能大大提高。因此，AR7400的CPU资源可以更好的开放给EoC设备厂家开发特性用。随着7400的CPU性能提升，在QoS上也能够通过CPU能力的增加而改进算法，通过增加QoS管理报文优先等处理方式，将报文传输的延迟降低到20mS以内。 基于Homeplug AV/IEEE P1901的低频EoC技术一直在持续演进之中。未来支持到1Gbps以上带宽和参数化QoS能力的芯片解决方案也正在研制之中。3.2 下一代CMTS技术：DoCSIS EoC/C-DOCSISDoCSIS EoC是指局端采用EPON OLT，远端采用ONU+DoCSIS头端设备，用户端沿用DoCSIS的Cable Modem的广电EPON + DoCSIS解决方案，业内也称之为C-CMTS、CMC、C-DOCSIS、DoCSIS MDU 或mini CMTS等。DoCSIS EoC技术通过融合EPON和CMTS技术的优势，具备以下特点：l 基于DoCSIS的CMTS在中国广电现网有实际部署的场景下，采用EPON+DoCSIS组合能有效保护广电运营商的投资。l 远端采用了ONU+DoCSIS头端设备，使得原先的CMTS设备下移，节省了上行光纤资源。通过免除上行光发射机，减低了接入网的复杂度、节省了网络投资。l 更高的抗噪声能力：通过先进的侵入噪声和线路噪声减轻技术能够在现有CMTS产品技术的基础上大大提高DoCSIS EoC系统同轴部分的抗噪声能力，由此也实现了最大限度地利用反向带宽，提供可靠高速的业务接入能力。l 高带宽：与现有CMTS