如何正确测试和评估同轴双向接入新技术

一、概述 2006 年 CCBN 展 会 上 推 出 EPON+EoC 解 决 方 案 以 来 ， 经 过 2007 年 的 讨 论 和 试 点 ， EPON+EoC 技 术 已 经 成 为 广 电 HFC 双 向 网 络 改 造 首 选 的 解 决 方 案 。 目 前 存 在 多 种 基 于 有 线 电 视 电 缆 分 配 网 的 双 向 接 入 技 术 ， 往 往 都 被 称 之 为 “EoC”技 术 ， 但 这 些 所 谓 的 “EoC”技 术 在 实 现 方 式 和 采 用 的 技 术 路 线 上 存 在 很 大 差 异 ； 设 备 产 品 种 类 繁 多 、 网 络 承 载 性 能 差 异 很 大 ， 提 供 的 带 宽 和 支 持 的 业 务 也 各 不 相 同 ， 缺 乏 标 准 规 范 。 一 方 面 ， 众 多 技 术 方 案 的 出 现 反 映 了 市 场 的 需 求 ， 给 运 营 商 提 供 了 更 多 的 选 择 空 间 ； 另 一 方 面 众 多 的 方 案 也 给 决 策 带 来 了 困 难 ， 往 往 无 所 适 从 ， 因 此 如 何 正 确 测 试 和 评 估 同 轴 双 向 接 入 的 各 种 “EoC”技 术 显 得 非 常 的 重 要 和 迫 切 。 广 电 总 局 对 此 十 分 重 视 ， 从 2007 年 11 月 广 电 总 局 规 划 院 就 开 始 了 无 源 光 网 络 （ PON） 测 试 评 估 及 标 准 预 研 究 和 有 线 电 视 网 络 用 户 接 入 技 术 评 估 测 试 标 准 预 研 两 个 项 目 组 的 测 试 评 估 工 作 ， 取 得 了 阶 段 性 成 果 。 在 2008 年 CCBN 期 间 发 布 了 有 线 电 视 电 缆 宽 带 接 入 技 术 需 求 白 皮 书 （ 征 求 意 见 版 ） ， 站 在 广 大 运 营 商 的 立 场 阐 述 了 需 求 对 技 术 的 要 求 ， 提 供 了 一 定 的 指 导 意 见 和 方 向 。 从 技 术 角 度 来 说 ， 各 技 术 方 案 均 有 其 各 自 的 特 点 。 比 如 说 ， 从 工 作 频 带 看 ， 现 有 电 缆 接 入 技 术 大 多 工 作 于 当 前 广 播 电 视 工 作 允 许 的 频 段 之 外 ， 有 些 工 作 在 低 于 65MHz 的 低 频 段 ， 有 些 则 为 高 于 860MHz 的 高 频 段 。 低 频 段 信 道 内 干 扰 和 噪 声 较 大 ， 信 道 也 较 为 拥 挤 ； 而 高 频 段 信 道 内 信 号 衰 减 和 反 射 较 为 严 重 ， 有 可 能 大 大 影 响 系 统 的 性 能 或 者 降 低 该 技 术 的 适 用 性 。 由 于 各 种 “EoC”产 品 种 类 繁 多 ， 各 个 设 备 厂 家 由 于 利 益 驱 动 在 本 技 术 的 宣 传 上 也 认 为 造 成 了 一 些 误 解 。 本 文 拟 结 合 本 次 广 电 总 局 的 测 试 情 况 和 我 们 在 全 国 各 地 的 测 试 情 况 ， 能 比 较 全 面 、 系 统 和 客 观 地 评 价 各 种 同 轴 双 向 接 入 新 技 术 ， 使 运 营 商 对 技 术 的 选 择 有 个 较 好 的 参 考 。 二、从网络协议性能方面看 首 先 我 们 从 网 络 协 议 性 能 方 面 看 ， 基 于 802.3 标 准 的 无 源 基 带 EoC 产 品 内 置 以 太 交 换 模 块 ， 产 品 的 各 项 性 能 比 较 优 越 、 稳 定 。 产 品 可 以 根 据 用 户 不 同 类 型 的 需 要 采 用 不 同 性 能 的 交 换 模 块 ， 可 以 具 备 以 下 优 异 的 性 能 ， 满 足 运 营 商 各 种 复 杂 业 务 的 电 信 级 运 营 要 求 。 1、 丰 富 的 管 理 方 式 ： 支 持 SNMP v1/v2/v3 所 有 MIB， 可 以 接 受 HP OpenView 等 通 用 网 管 平 台 ， 并 且 支 持 CLI 命 令 行 ， Web 网 管 ， Telnet 等 多 种 方 式 ， 便 于 设 备 维 护 。 2、 极 高 的 可 靠 性 ： 支 持 802.1d 标 准 生 成 树 协 议 、 802.1w 快 速 生 成 树 协 议 、 802.1s 多 生 成 树 和 静 态 /LACP 动 态 端 口 汇 聚 ， 提 供 链 路 的 冗 余 备 份 和 容 错 性 ， 保 证 网 络 的 可 靠 运 行 。 3、 完 善 的 安 全 功 能 ： 具 备 端 口 限 速 功 能 ， 可 以 64Kbps/128Kbps 的 精 细 粒 度 进 行 端 口 带 宽 分 配 ， 控 制 用 户 的 接 入 速 率 ， 防 止 恶 意 侵 占 网 络 带 宽 ， 支 持 4K 个 802.1Q VLAN， 支 持 MAC 地 址 绑 定 ， 可 以 设 置 黑 洞 MAC 地 址 表 来 过 滤 非 法 用 户 ， 并 且 支 持 基 于 逻 辑 端 口 的 802.1x 认 证 ， 以 屏 蔽 和 隔 离 非 法 用 户 ， 保 障 网 络 的 正 常 运 行 。 4、 丰 富 的 业 务 特 性 ： 支 持 128 个 静 态 /动 态 组 播 组 和 丰 富 的 QoS 特 性 ， 还 支 持 端 口 镜 像 ， 良 好 的 支 持 各 种 多 媒 体 业 务 ， 并 满 足 各 种 业 务 的 需 求 。 5、 方 便 的 维 护 特 性 ： 支 持 配 置 的 反 编 译 功 能 ， 可 以 随 时 导 出 和 导 入 配 置 ， 方 便 批 操 作 和 日 常 的 维 护 管 理 。 基 于 802.3 标 准 的 无 源 基 带 EoC 产 品 可 以 采 用 多 种 交 换 模 块 ， 支 持 各 种 丰 富 、 强 大 的 网 络 协 议 ， 从 而 支 持 各 种 电 信 级 业 务 的 需 要 。 其 他 基 于 调 制 解 调 的 有 源 EoC 产 品 ， 包 括 802.11 over Coax、 MoCA、 HCNA（ HPNA over Coax） ， HomePLUG over Coax 等 四 大 类 技 术 和 产 品 。 由 于 这 些 技 术 诞 生 之 初 是 为 家 庭 （ 桌 面 ） 联 网 和 家 庭 （ 桌 面 ） 多 媒 体 共 享 和 互 联 为 目 的 ， 因 此 无 需 支 持 各 种 复 杂 的 网 络 协 议 ， 无 需 承 担 电 信 级 业 务 运 营 的 需 要 ， 因 此 以 上 基 于 调 制 解 调 的 有 源 EoC 技 术 和 产 品 支 持 的 协 议 比 较 简 单 。 如 HomePLUG over Coax 支 持 透 明 桥 和 生 成 树 协 议 、 802.1Q、 802.1p、 IGMP、 SNMP 等 协 议 。 HCNA（ HPNA over Coax） 支 持 先 进 的 TDMA， CSMA/CA MAC 层 协 议 、 支 持 TR-69 远 程 监 控 协 议 、 现 场 和 远 程 监 控 软 件 、 支 持 IGMP/MLD 窥 探 和 过 滤 、 有 效 的 支 持 广 播 ， 组 播 ， 单 播 ， 和 VLAN 路 由 、 支 持 IPv6 协 议 等 。 MoCA 支 持 VLAN、 IGMP snooping、 802.1p、 QoS 和 SNMP 等 。 802.11 over Coax 支 持 802.11 系 列 等 协 议 。 综 上 所 述 ， 基 于 802.3 标 准 的 无 源 基 带 EoC 产 品 在 网 络 协 议 性 能 方 面 有 很 大 的 技 术 优 势 ， 同 时 由 于 以 太 网 的 802.3 系 列 协 议 和 产 品 经 过 几 十 年 在 城 域 网 和 接 入 网 上 应 用 已 经 非 常 成 熟 ， 产 品 的 技 术 风 险 极 小 。 其 他 基 于 调 制 解 调 的 有 源 IPoC 产 品 还 处 于 发 展 和 完 善 时 期 。 三、从网络稳定和抗干扰性能方面看 随 着 网 络 的 发 展 和 业 务 的 开 展 ， HFC 双 向 接 入 网 络 的 稳 定 性 和 抗 干 扰 性 能 必 须 引 起 我 们 充 分 的 重 视 ， Cable Modem 在 国 内 一 直 发 展 不 良 就 是 因 为 网 络 的 稳 定 性 和 抗 干 扰 性 能 问 题 。 那 么 EoC 和 有 源 EoC（ IPoC） 技 术 和 产 品 在 这 方 面 表 现 怎 么 样 呢 ？ 这 次 广 电 总 局 专 门 进 行 了 这 方 面 的 测 试 。 图 1（ a） 和 图 1（ b） 就 是 测 试 系 统 设 置 图 。 图 1(a) 基 于 无 源 树 型 电 缆 分 配 网 络 的 有 源 EOC 测 试 框 图 图 1(b) 基 于 集 中 分 配 型 电 缆 分 配 网 络 的 基 带 无 调 制 EOC 测 试 框 图 通 过 测 试 发 现 ， 当 宽 带 噪 声 源 和 脉 冲 噪 声 源 的 功 率 逐 渐 加 大 ， 当 加 大 到 一 定 程 度 时 ， 各 种 有 源 EOC 产 品 就 会 掉 线 、 死 机 。 然 而 宽 带 噪 声 源 和 脉 冲 噪 声 源 的 功 率 加 大 最 大 时 ， 却 对 无 源 EOC 产 品 没 有 任 何 影 响 ， 系 统 仍 然 保 持 稳 定 的 流 量 。 这 是 由 于 ： 基 带 信 号 的 幅 度 较 高 ， 可 以 达 到 3 伏 ， 如 下 图 2 基 带 信 号 模 板 图 。 宽 带 噪 声 源 和 脉 冲 噪 声 源 的 功 率 输 出 功 率 达 不 到 干 扰 信 号 的 程 度 ， 因 此 系 统 仍 然 稳 定 可 靠 。 图 2 基 带 信 号 模 板 图 在 实 际 系 统 中 ， 尽 管 低 频 段 的 噪 声 和 干 扰 较 大 ， 由 于 低 频 段 的 噪 声 和 干 扰 都 是 在 dBuV 级 水 平 ， 因 此 很 难 对 基 带 EoC 信 号 造 成 威 胁 ， 因 此 实 际 测 试 证 实 基 带 EoC 产 品 的 稳 定 性 远 远 超 过 其 他 产 品 。 这 充 分 证 明 目 前 有 些 人 宣 称 的 基 带 EoC 产 品 抗 干 扰 性 能 差 是 错 误 的 。 四、从 MAC 层协议方面看 媒 体 访 问 控 制 （ MAC） 作 为 网 络 的 关 键 技 术 之 一 ， 完 全 决 定 局 域 网 的 网 络 性 能 （ 诸 如 吞 吐 性 能 与 迟 延 性 能 ） 等 等 。 OSI 将 网 络 通 信 协 议 体 系 区 分 为 7 个 层 ， 体 系 的 最 底 层 称 为 物 理 层 ， 网 络 所 采 用 的 不 同 的 传 输 介 质 ， 对 应 不 同 的 物 理 层 ， 如 双 绞 线 或 同 轴 线 。 体 系 内 第 二 层 为 数 据 链 路 层 （ Data link Sub-layer） ， 数 据 链 路 层 的 上 半 部 为 LLC(Logical Link Control Sub-layer)逻 辑 链 路 控 制 子 层 ， 负 责 将 数 据 正 确 的 发 送 到 物 理 层 ， 在 数 据 链 路 层 的 下 半 部 为 MAC(Media Access Control)子 层 ， 负 责 控 制 与 连 接 物 理 层 的 物 理 介 质 。 当 发 送 数 据 时 ， MAC 层 要 完 成 以 下 任 务 ： 首 先 它 按 规 则 从 LLC 层 接 收 数 据 ， 然 后 执 行 媒 体 访 问 规 程 ， 查 看 网 络 是 否 可 以 发 送 ； 一 旦 网 络 可 以 发 送 ， 它 将 给 数 据 附 加 上 一 些 控 制 信 息 ， 把 数 据 及 控 制 信 息 以 规 定 的 格 式 （ 一 般 称 做 帧 ） 送 往 物 理 层 。 当 接 收 数 据 时 ， MAC 层 要 完 成 以 下 任 务 ： 首 先 它 从 物 理 层 接 收 到 数 据 帧 并 检 查 数 据 帧 中 的 控 制 信 息 ， 从 而 判 断 是 否 发 生 传 输 错 误 。 如 数 据 正 确 ， 则 去 掉 控 制 信 息 后 把 其 送 至 LLC 层 。 MAC 层 发 送 和 接 收 数 据 流 程 如 下 图 所 示 ： 图 3（ a） MAC 发 送 数 据 流 程 图 3（ b） MAC 接 收 数 据 流 程 而 无 线 局 域 网 （ WLAN） 由 于 其 传 输 介 质 以 及 移 动 性 等 特 点 ， 采 用 与 有 线 局 域 网 有 所 区 别 的 MAC 协 议 。 4.1、 IEEE 802.3 标 准 的 MAC 协 议 在 网 络 标 准 内 ， 各 种 传 输 介 质 的 物 理 层 对 应 到 相 对 的 MAC 层 ， 例 如 以 同 轴 线 为 传 输 介 质 时 ， 对 应 的 MAC 层 标 准 为 802.14， 各 个 计 算 机 连 接 成 环 状 时 ， 对 应 MAC 标 准 为 802.5。 目 前 ， 最 普 及 的 网 络 标 准 称 为 以 太 网 ， 其 在 MAC 层 定 义 为 802.3。 802.3 的 MAC 层 定 义 对 传 输 介 质 的 访 问 控 制 方 式 为 CSMA/CD。 4.1.1、 CSMA/CD 媒 体 访 问 控 制 协 议 由 于 以 太 网 （ Ethernet） 成 为 现 存 局 域 网 络 结 构 的 绝 大 多 形 式 ， CSMA/CD（ Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection） 载 波 监 测 多 址 接 入 协 议 也 成 为 局 域 网 采 用 最 多 的 MAC 协 议 。 CSMA/CD 适 宜 于 总 线 型 局 域 网 拓 朴 结 构 的 随 机 竞 争 型 媒 体 访 问 控 制 。 总 线 型 网 络 允 许 同 一 时 刻 只 有 一 个 节 点 （ Node） 发 送 数 据 ， 一 旦 两 个 或 以 上 节 点 同 时 发 送 数 据 ， 则 会 发 生 数 据 碰 撞 ， 数 据 不 能 正 常 发 送 和 接 收 。 CSMA/CD 协 议 就 是 尽 可 能 保 证 网 络 上 同 时 只 有 一 个 节 点 发 送 数 据 ， 减 小 数 据 “碰 撞 ”概 率 。 CSMA/CD 工 作 过 程 ： 当 MAC 收 到 LLC（ Logical Link Control Sub-Layer） 发 来 的 数 据 以 后 ， 首 先 监 测 网 络 电 缆 上 是 否 具 有 数 据 ， 即 载 波 传 送 。 如 果 网 络 空 闲 ， 即 没 有 载 波 传 送 ， 刚 将 数 据 装 帧 ， 经 物 理 层 发 送 出 去 。 如 果 网 络 繁 忙 ， 则 监 测 网 络 直 到 网 络 空 闲 ， 再 将 数 据 装 帧 发 送 。 从 10 BASE-T 到 现 在 全 双 工 的 1000BASE-T 等 技 术 的 出 现 ， IEEE 802.3 标 准 局 域 网 拓 扑 结 构 已 经 开 始 由 总 线 型 结 构 向 点 到 点 的 星 型 结 构 发 展 ， CSMA/CD 为 基 础 的 MAC 子 层 同 样 适 用 双 工 工 作 模 式 的 局 域 网 。 4.2、 无 线 局 域 网 （ WLAN） 的 MAC 协 议 无 线 局 域 网 （ WLAN） 中 MAC 所 对 应 的 标 准 为 IEEE 802.11， IEEE 802.11 MAC 综 合 了 两 种 工 作 方 式 ： 分 布 控 制 (DCF)和 中 心 控 制 (PCF)两 种 工 作 方 式 ： 1.分 布 控 制 方 式 (DCF)， 类 似 CDMA/CD， 利 用 载 波 监 听 机 制 ， 适 用 于 分 布 式 网 络 ， 传 输 具 有 突 发 性 和 随 机 性 的 普 通 分 组 数 据 ， 支 持 无 竞 争 型 实 时 业 务 及 竞 争 型 非 实 时 业 务 。 2.中 心 控 制 方 式 (PCF)， 建 立 在 DCF 工 作 方 式 之 上 并 且 仅 支 持 竞 争 型 非 实 时 业 务 ， 适 用 于 具 备 中 央 控 制 器 的 网 络 。 4.2.1、 分 布 控 制 方 式 (DCF) DCF 机 制 是 MAC 层 中 最 基 本 的 媒 体 接 入 控 制 机 制 。 DCF 机 制 基 于 CSMA/CA(CSMA/Collision Avoidance 载 波 监 听 多 址 接 入 /碰 撞 避 免 )， 并 以 RTS/CTS 消 息 交 换 机 制 作 为 辅 助 的 介 质 访 问 方 式 4.2.2、 CSMA/CA 协 议 CSMA 作 为 随 机 竞 争 类 MAC 协 议 ， 算 法 简 单 而 且 性 能 丰 富 ， 所 以 在 实 际 局 域 网 的 使 用 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 但 是 在 无 线 局 域 网 中 ， 由 于 无 线 传 输 媒 体 固 有 的 特 性 及 移 动 性 的 影 响 ， 无 线 局 域 网 的 MAC 在 差 错 控 制 、 解 决 隐 藏 终 端 等 方 面 存 在 应 有 别 于 有 线 局 域 网 。 因 此 WLAN 与 有 线 局 域 网 所 采 用 的 CSMA 具 备 一 定 的 差 异 。 WLAN 采 用 CSMA/CA（ CSMA/Collision Avoidance） 协 议 ， 其 与 CSMA/CD 最 大 的 不 同 点 在 于 其 采 取 避 免 冲 突 工 作 方 式 。 与 CSMA/CD 不 同 ， WLAN 媒 体 访 问 控 制 (MAC)层 采 用 的 CSMA/CA（ CSMA/Collision Avoidance） 协 议 ， 由 于 在 RF 传 输 网 络 中 冲 突 检 测 比 较 困 难 ， 所 以 该 协 议 用 避 免 冲 突 检 测 代 替 802.3 协 议 使 用 的 冲 突 检 测 ， 采 用 冲 突 避 免 机 制 尽 量 减 小 冲 突 碰 撞 发 生 的 概 率 ， 以 提 高 网 络 吞 吐 性 能 与 迟 延 性 能 。 协 议 使 用 信 道 空 闲 评 估 (CCA)算 法 来 决 定 信 道 是 否 空 闲 ， 通 过 测 试 天 线 能 量 和 决 定 接 收 信 号 强 度 RSSI 来 完 成 ， 并 且 使 用 RTS、 CTS 和 ACK 帧 减 少 冲 突 。 数 据 加 密 与 普 通 局 域 网 的 等 同 加 密 (WEP)算 法 一 样 ， 使 用 64 位 密 钥 和 RC4 加 密 算 法 。 4.2.3、 CSMA/CA 工 作 过 程 ： 如 图 所 示 ： 图 4 带 RTS/CTS 的 DCF 机 制 工 作 过 程 当 发 射 端 希 望 发 送 数 据 时 ， 首 先 检 测 介 质 是 否 空 闲 ， 若 是 介 质 为 空 闲 时 ， 送 出 RTS（ Request To Send 请 求 发 送 ） ， RTS 信 号 包 括 发 射 端 的 地 址 、 接 收 端 的 地 址 、 下 一 笔 数 据 将 持 续 发 送 的 时 间 等 信 息 ， 接 收 端 收 到 RTS 信 号 后 ， 将 响 应 短 信 号 CTS(Clear To Send)， CTS 信 号 上 也 RTS 内 记 录 的 持 续 发 送 的 时 间 ， 当 发 射 端 收 到 CTS 包 后 ， 随 即 开 始 发 送 数 据 包 ， 如 图 5 所 示 ， 接 收 端 收 到 数 据 包 后 ， 将 以 包 内 的 CRC(Cyclic Redundancy Check， 循 环 冗 余 校 验 )的 数 值 来 检 验 包 数 据 是 否 正 确 ， 若 是 检 验 结 果 正 确 时 ， 接 收 端 将 响 应 ACK 包 ， 告 知 发 射 端 数 据 已 经 被 成 功 地 接 收 。 当 发 射 端 没 有 收 到 接 收 端 的 ACK 包 时 ， 将 认 为 包 在 传 输 过 程 中 丢 失 ， 而 一 直 重 新 发 送 包 。 4.2.4、 CSMA/CA 与 CSMA/CD 的 区 别 1、 载 波 检 测 方 式 ： 因 传 输 介 质 不 同 ， CSMA/CD 与 CSMA/CA 的 检 测 方 式 也 不 同 。 CSMA/CD 通 过 电 缆 中 电 压 的 变 化 来 检 测 ， 当 数 据 发 生 碰 撞 时 ， 电 缆 中 的 电 压 就 会 随 着 发 生 变 化 ； 而 CSMA/CA 采 用 能 量 检 测 (ED)、 载 波 检 测 (CS)和 能 量 载 波 混 合 检 测 三 种 检 测 信 道 空 闲 的 方 式 。 2、 信 道 利 用 率 比 较 ： CSMA/CA 协 议 信 道 利 用 率 低 于 CSMA/CD 协 议 信 道 利 用 率 。 但 是 由 于 无 线 传 输 的 特 性 ， 在 无 线 局 域 网 不 能 采 用 有 线 局 域 网 的 CSMA/CD 协 议 。 信 道 利 用 率 受 传 输 距 离 和 空 旷 程 度 的 影 响 ， 当 距 离 远 或 者 有 障 碍 物 影 响 时 会 存 在 隐 藏 终 端 问 题 ， 降 低 信 道 利 用 率 。 具 体 最 高 的 信 道 利 用 率 与 传 输 速 率 有 关 。 在 IEEE802.11b 无 线 局 域 网 中 ， 在 1Mbit/s 速 率 时 最 高 信 道 利 用 率 可 到 90 ， 而 在 11Mbit/s 时 最 高 信 道 利 用 率 只 有 65 左 右 。 4.3、 HomePNA MAC 层 协 议 HomePNA 2.0 的 MAC 层 协 议 为 CSMA/CA， 为 提 供 QoS 服 务 ， 它 采 取 八 种 不 同 优 先 等 级 (0 7， 7 代 表 最 高 优 先 等 级 )的 帧 传 送 方 式 ， 由 测 量 帧 确 认 否 有 碰 撞 发 生 。 一 个 正 常 帧 传 送 时 间 须 介 于 92.5 us 3122 us 之 间 ， 因 此 ， 当 传 送 数 据 的 工 作 站 侦 测 到 网 络 上 发 生 碰 撞 时 ， 必 须 在 70 us 内 停 止 传 送 数 据 。 换 言 之 ， 当 帧 传 送 时 间 小 于 92.5 us 或 大 于 3122 us， 就 表 示 网 络 上 有 碰 撞 发 生 。 若 网 络 上 发 生 碰 撞 ， 则 每 部 工 作 站 （ 含 先 前 未 传 送 数 据 的 工 作 站 ） 必 须 执 行 分 布 公 平 优 先 级 排 队 DFPQ（ Distributed Fair Priority Queuing） 算 法 ， 以 便 决 定 由 那 一 部 工 作 站 取 得 传 输 媒 体 的 使 用 权 。 图 5 不同版本（右上角）HomePNA 在 32 Mbps 时节点数与吞吐率的关系 当 网 络 中 HomePNA 设 备 节 点 增 加 时 ， 碰 撞 的 几 率 大 大 增 加 ， 数 据 传 输 的 速 率 也 大 大 降 低 。 在 试 验 中 发 现 ， 以 一 条 电 话 线 或 同 轴 线 上 连 接 6 台 以 上 的 电 脑 时 ， 电 脑 之 间 复 制 文 件 的 速 度 会 变 得 较 慢 ， 因 此 HomePNA 比 较 适 合 节 点 数 较 少 的 家 庭 联 网 场 合 ， 如 果 用 于 点 到 多 点 的 、 数 据 流 量 要 求 较 高 的 接 入 时 ， 难 免 有 点 力 不 从 心 ！ HomePNA Ver3+版 本 对 此 有 改 善 ， 但 是 此 现 象 仍 然 存 在 。 4.4、 HomePLUG AV 的 MAC 层 HomePLUG AV 设 计 了 十 分 高 效 的 MAC 层 ， 支 持 基 于 工 频 周 期 同 步 机 制 的 TDMA 和 CSMA/CA。 TDMA 面 向 连 接 ， 提 供 QoS 保 障 ， 确 保 带 宽 预 留 、 高 可 靠 性 和 严 格 的 时 延 抖 动 控 制 。 CSMA/CA 面 向 优 先 级 ， 提 供 四 级 优 先 级 。 工 频 周 期 同 步 机 制 确 保 良 好 的 抗 工 频 周 期 同 步 噪 声 的 信 道 适 应 能 力 ， 如 调 光 灯 、 充 电 器 等 产 生 的 谐 波 。 基 于 128 位 AES 严 格 加 密 。 中 央 协 调 者 CCo(Central Coordinator)控 制 所 在 电 力 线 网 络 设 备 的 活 动 ， 并 协 调 同 相 邻 电 力 线 网 络 的 共 存 ， 以 支 持 电 力 线 宽 带 接 入 、 多 电 力 线 网 络 运 行 和 隐 藏 节 点 服 务 。 由 于 MAC 层 仍 然 采 用 CSMA 机 制 ， 当 网 络 中 HomePLUG AV 设 备 节 点 增 加 时 ， 碰 撞 的 几 率 会 增 加 ， 数 据 传 输 的 速 率 也 会 大 大 降 低 ， 延 迟 也 会 增 加 。 之 所 以 HomePLUG AV 要 保 持 CSMA 模 式 是 为 了 兼 容 以 前 的 HomePLUG 规 范 和 协 议 。 以 前 的 HomePLUG 规 范 和 协 议 只 支 持 CSMA， 这 种 情 况 也 会 出 现 在 HomePNA3 上 。 4.5、 MoCA 的 MAC 层 MoCA 规 范 的 技 术 基 础 是 基 于 美 国 Entropic 公 司 的 c-link 技 术 。 c.LINK 采 用 TDMA/TDD 全 协 同 工 作 的 MAC， 所 以 可 以 在 各 个 节 点 之 间 实 现 高 可 靠 性 的 发 送 调 度 和 传 输 。 尽 管 在 物 理 层 上 是 共 享 媒 介 的 ， 但 在 逻 辑 网 络 层 上 是 一 个 网 格 点 对 点 连 接 的 网 络 。 另 外 ， 除 点 对 点 的 连 接 外 ， c.LINK 协 议 还 支 持 广 播 和 多 播 通 信 。 图 6 四 个 节 点 的 c.LINK 网 络 图 6 表 示 四 个 节 点 的 c.LINK 网 络 ， 收 发 信 道 的 容 量 可 以 不 同 ， 粗 细 表 示 容 量 的 大 小 。 由 于 MOCA 的 MAC 层 是 完 全 协 同 的 ， 网 络 中 的 每 个 节 点 必 须 有 一 个 参 考 时 钟 与 系 统 时 钟 同 步 。 在 MOCA 网 络 中 ， 由 NC 来 产 生 系 统 时 钟 。 所 有 其 它 的 节 点 ， 通 过 读 取 NC 的 系 统 时 钟 戳 ， 将 其 内 部 时 钟 与 系 统 时 钟 同 步 。 每 个 信 标 （ Beacon） 包 含 一 个 系 统 时 钟 戳 ， 新 的 节 点 在 包 的 发 送 和 接 收 时 ， 用 来 同 步 自 己 的 内 部 时 钟 与 NC 的 时 钟 。 时 钟 戳 在 每 个 MAC 帧 中 都 要 发 送 。 在 MAC 协 议 中 ， 包 含 控 制 包 和 数 据 包 。 控 制 包 用 于 链 路 层 的 控 制 操 作 ， 比 如 同 步 、 网 络 许 可 、 保 持 请 求 和 MAP 等 。 数 据 包 传 输 用 户 信 息 。 另 外 ， 协 议 还 支 持 检 测 包 的 传 输 ， 用 来 确 定 通 道 的 特 性 。 新 的 节 点 使 用 信 标 来 发 现 和 加 入 MOCA 网 络 。 NC 必 须 使 用 分 集 模 式 （ diversity mode） 和 设 定 的 最 大 功 率 来 发 送 信 标 。 信 标 必 须 是 以 非 加 密 的 方 式 来 传 送 。 NC 发 送 信 标 采 用 固 定 的 时 间 间 隔 ， 这 个 时 间 间 隔 称 为 信 标 同 步 间 隔 （ beacon synch interval BSI） 。 每 个 信 标 包 含 有 系 统 时 间 戳 （ system time stamp） ， 这 样 新 的 节 点 几 可 以 用 系 统 时 间 戳 来 同 步 它 的 内 部 参 考 时 钟 。 图 7 MoCA 信 标 工 作 示 意 图 NC 通过在称为 Asynchronous MAPs 的控制包向网络中的所有节点广播发送 机会信息来控制整个网络的发送工作。一个 MAP 包含有在给定的时间段上的发 送机会许可信息。 网络协同控制器（NC）通过使用 MAP 包广播发送机会给所有的节点，控制 了网络中所有的发送。一个 MAP 包包含了在分配的时间段上发送机会；MAP 包 中标示了每个发送什么时候开始、持续时间、发送的类型、使用的 PHY 参数、 以及发送的源节点和目的节点 MAP 的长度由网络协同控制器（NC）确定，其长 度是可变的。在一个 BSI（信标周期）内，可能有多个 MAP。MAP 还确定了下一 个 MAP 和信标的发送时间。 当一个节点要发送数据的时候，就等待在 MAP 中的发送机会，然后发送请 求给网络协同控制器（NC）。网络协同控制器（NC）处理请求，在下一个 MAP 中给出一个发送机会。节点就使用这个发送机会发送数据包到给定的节点。接 收接点也在监测 MAP 包，所以，它知道什么时候，谁给它发送了数据包。 当然，在网络终端很多的情况下，当一个节点要发送数据的时候，其等待 发送机会的时间就会越长，降低了网络传输效率。 综 上 所 述 ， 802.3 的 CSMA/CD、 HomePNA 和 HomePLUG 的 CSMA/CA 和 TDMA、 MoCA 的 TDMA/TDD、 802.11g 的 CSMA/CA 五 种 类 型 的 MAC 协 议 ， 由 于 后 四 种 均 为 共 享 介 质 、 半 双 工 工 作 模 式 ， 在网络终端很多的情况 下，局端的协调和终端的等待时间都会大大增加，网络时延增大，降低了网络 传输流量和效率，利用率较低。 因此要使有源调制 EoC 系统工作稳定，系统的设计、用户终端数量的控制 必须少，一味强调带十几个、甚至二、三十以上终端的网络，系统的稳定性和 可靠性是很难保证的！但是控制局端下面的用户终端数量会导致网络建设成本 大大增加。 802.3 的 CSMA/CD 在 采 用 点 到 点 网 络 拓 扑 结 构 时 ， 可 以 全 双 工 工 作 ， 不 论 网 络 规 模 状 况 ， 局端的协调和终端的等待时间不会增加，网络传输流量和效 率能够有效保证。 五、从物理层方面看 5.1、 HomePLUG AV 的 物 理 层 HomePLUG AV 的 物 理 层 使 用 OFDM 调 制 方 式 ， 它 是 将 待 发 送 的 信 息 码 元 通 过 串 并 变 换 ， 降 低 速 率 ， 从 而 增 大 码 元 周 期 ， 以 削 弱 多 径 干 扰 的 影 响 。 当 然 ， 这 样 做 也 付 出 了 带 宽 的 代 价 ， 并 带 来 了 能 量 损 失 ： CP 越 长 ， 能 量 损 失 就 越 大 。 OFDM 中 各 个 子 载 波 频 谱 有 1/2 重 叠 正 交 ， 这 样 提 高 了 OFDM 调 制 方 式 的 频 谱 利 用 率 。 在 接 收 端 通 过 相 关 解 调 技 术 分 离 出 各 载 波 ， 同 时 消 除 码 间 干 扰 的 影 响 。 HomePLUG AV 去 除 无 线 电 爱 好 者 使 用 的 频 率 后 ， 在 2-28MHz 频 段 使 用 917 个 子 载 波 ； 功 率 谱 密 度 可 编 程 ， 以 满 足 不 同 国 家 的 频 率 管 制 ； 每 个 子 载 波 可 以 单 独 进 行 BPSK、 QPSK、 8QAM、 16QAM、 64QAM、 256QAM 和 1024QAM 调 制 ； 采 用 Turbo FEC 错 误 校 验 ； 物 理 层 线 路 速 率 达 到 200Mbps， 净 荷 为 150Mbps， 前 同 步 码 可 被 HomePLUG 1.0 设 备 检 测 ， 从 而 实 现 两 者 共 存 ， 但 互 操 作 是 可 选 项 。 在 10 个 家 庭 中 进 行 的 性 能 测 试 中 ， 80%的 插 座 达 到 55Mbps 以 上 的 带 宽 ， 95%的 插 座 达 到 35Mbps 以 上 的 带 宽 ， 98%的 插 座 达 到 27Mbps 以 上 的 带 宽 ， 典 型 的 物 理 层 速 率 为 70-100Mbps。 由 于 采 用 OFDM 调 制 方 式 使 得 HomePLUG AV 在 现 场 测 试 中 往 往 取 得 较 好 的 表 现 。 5.2、 HomePNA PHY 的 物 理 层 HomePNA 1.0 物 理 层 使 用 PPM（ 脉 冲 位 置 调 制 -Pulse Position Modulation） 调 制 技 术 ， 而 HomePNA 2.0 使 用 QAM（ 正 交 幅 度 调 制 - Quadrature Amplitude Modulation） 调 制 技 术 。 HomePNA 3.0 采 用 FDQAM（ 变 频 QAM-Frequency Diverse QAM） 调 制 技 术 ， 以 保 障 较 稳 定 的 数 据 传 送 速 率 。 一 般 而 言 ， 在 较 低 的 SNR 传 输 环 境 下 ， FDQAM 的 效 率 优 于 QAM， 但 是 其 抗 干 扰 能 力 上 不 如 OFDM。 G.9954 2007 年 1 月 ITU 规 定 了 基 于 HomePNA V3.1 的 同 轴 电 缆 传 输 规 范 （ 称 之 为 HomePNA V3.1C） 。 HomePNA V3.1C 提 供 2、 4、 8、 16 和 32Mbaud 符 号 率 ， 每 个 baud 符 号 可 承 载 210 位 ， 因 此 其 数 据 传 送 速 率 介 于 4Mbps 320Mbps（ 4 36MHz 频 谱 结 构 ， 占 32MHz 带 宽 ） 。 图 8 HomePNA 频 谱 结 构 图 9 HomePNA 发 射 机 框 图 ITU G.9954 HomePNA V3.1C Over Coax 支 持 四 种 带 宽 频 谱 ： 、 频 谱 结 构 #A (4-20MHz)： 2、 4、 8、 16MBaud(4Mbps160Mbps) 、 频 谱 结 构 #B (12-28MHz)： 2、 4、 8、 16MBaud(4Mbps160Mbps) 、 频 谱 结 构 #C (36-52MHz)： 2、 4、 8、 16MBaud(4Mbps160Mbps) 、 频 谱 结 构 #D (4-36MHz)： 2、 4、 8、 16、 32Mbaud(4Mbps320Mbps) 5.3、 MoCA 的 物 理 层 物 理 层 主 要 由 RF 子 系 统 和 基 带 数 字 信 号 处 理 （ DSP） 子 系 统 组 成 。 由 于 实 际 使 用 CATV 环 境 的 特 性 是 不 确 定 的 ， 一 种 对 信 道 、 频 率 和 信 号 强 度 的 估 计 和 补 偿 算 法 （ estimation and compensation algorithm） 是 DSP 的 主 要 部 分 ， 用 来 减 轻 网 络 的 各 种 多 径 环 境 ， 从 而 可 以 在 高 阶 QAM 调 制 的 情 况 下 提 高 解 调 的 准 确 性 。 图 10 c.LINK 物 理 层 RF 子 系 统 采 用 直 接 正 交 转 换 （ zero IF） 来 完 成 收 /发 功 能 。 在 发 送 通 道 上 ， 一 个 可 变 功 率 放 大 器 用 来 精 确 控 制 发 送 功 率 。 在 接 收 通 道 上 ， 一 个 具 有 可 变 增 益 的 低 噪 声 放 大 器 ， 用 来 提 供 高 线 性 宽 带 ZERO IF 的 解 决 方 案 。 本 地 振 荡 器 由 一 个 可 编 程 PLL 的 晶 体 组 成 ， 频 率 范 围 为 850MHz 1500MHz。 c.LINK PHY 层 是 基 于 TDMA/TDD 突 发 OFDM 调 制 方 式 的 ， 也 称 为 自 适 应 星 座 多 音 （ adaptive constellation multi-tone ACMT） 。 OFDM 信 号 由 一 些 正 交 的 载 波 构 成 ， 每 个 载 波 上 均 进 行 数 字 调 制 ， 与 相 同 数 据 速 率 的 单 载 波 技 术 相 比 ， OFDM 信 号 具 有 更 长 的 符 号 周 期 ， 所 以 ， 该 技 术 具 有 很 强 的 抗 多 径 衰 落 的 性 能 。 此 外 ， 在 载 波 上 应 用 的 调 制 方 式 是 BPSK、 QPSK、 16QAM 和 64QAM， 各 种 调 制 根 据 传 输 速 率 的 要 求 自 适 应 切 换 。 每 个 发 射 突 发 （ 一 个 包 ） 由 一 个 前 缀 ， 增 益 的 训 练 信 息 、 频 率 和 通 道 估 计 、 OFDM 调 制 符 号 的 负 载 组 成 。 PHY 的 性 能 依 赖 于 高 阶 QAM 调 制 达 到 的 最 大 吞 吐 能 力 为 250MBPS， 采 用 RS 编 码 来 完 成 FEC， 使 包 错 率 （ PER） 小 于 10-6。 每 个 OFDM 符 号 有 由 一 组 使 用 8 种 QAM 方 式 之 一 进 行 调 制 的 子 载 波 组 成 ， 8 种 QAM 调 制 模 式 是 BPSK、 QPSK、 8QAM、 16QAM、 32QAM、 64QAM、 128QAM 和 256QAM。 QAM 调 制 方 式 的 选 择 是 根 据 OFDM 子 载 波 的 信 噪 比 进 行 的 （ 也 就 是 后 面 要 说 明 的 位 装 载 过 程 ） 。 每 个 OFDM 子 载 波 带 宽 大 约 是 192KHz， 因 此 ， 可 以 在 CATV 网 络 中 进 行 diverse 和 dispersive 通 道 条 件 的 精 细 调 整 。 调 制 速 率 通 过 选 择 OFDM 子 载 波 和 变 化 每 个 子 载 波 上 的 位 装 载 来 调 整 。 对 每 个 OFDM 子 载 波 ， QAM 星 座 的 符 号 可 以 从 1 到 8 位 变 化 （ 从 BPSK 到 256QAM 变 化 ） 。 使 用 通 道 检 测 和 管 理 来 确 定 通 道 的 条 件 ， 不 同 类 型 的 先 导 符 的 选 择 可 以 进 一 步 优 化 系 统 的 MAC 层 的 开 销 。 在 接 收 端 ， 有 三 种 控 制 循 环 ， 也 就 是 AGC、 时 间 跟 踪 和 频 率 跟 踪 ， 用 来 进 行 信 号 恢 复 。 AGC 使 用 快 速 算 法 快 速 调 整 RF 子 系 统 到 合 适 的 增 益 。 所 有 的 这 些 循 环 都 设 计 成 很 宽 的 动 态 范 围 和 频 率 偏 移 。 5.4、 基 带 EoC 的 物 理 层 EOC 技 术 将 以 太 数 据 信 号 IP DATA 和 有 线 电 视 信 号 TV RF 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 ， 因 此 ， 基 带 EoC 的 物 理 层 一 方 面 完 全 与 IEEE 802.3 标 准 一 致 ， 同 时 增 加 了 平 衡 -不 平 衡 转 换 的 变 换 器 ， 双 工 滤 波 器 是 为 了 频 分 复 用 所 加 。 电 视 信 号 占 用 87 860MHz， 与 传 统 有 线 电 视 频 率 划 分 一 致 。 基 带 10Mbps 以 太 信 号 占 用 0.5 25MHz， 实 现 无 调 制 传 输 。 无 源 EoC（ Ethernet over Coax） 技 术 基 于 IEEE 802.3 相 关 的 一 系 列 协 议 ， 原 有 以 太 网 络 信 号 的 帧 格 式 和 MAC 层 都 没 有 改 变 ， 最 大 的 改 变 是 ： 从 双 极 性 （ 差 分 ） 信 号 （ 便 于 双 绞 线 传 输 ） 转 换 成 单 极 性 信 号 （ 便 于 同 轴 电 缆 传 输 ） 。 其 最 大 的 特 点 是 通 过 无 源 器 件 的 处 理 可 实 现 ， 与 下 图 13 所 示 。 图 11 平 衡 -不 平 衡 转 换 的 变 换 器 六、从衰减与吞吐量关系方面看 无 源 EoC（ Ethernet over Coax） 技 术 基 于 IEEE 802.3 相 关 的 一 系 列 协 议 ， 根 据 GBT/T 50311-2000 和 TIA/EIA-568 标 准 ， 增 强 型 五 类 线 5e 链 路 传 输 的 最 大 衷 减 和 回 波 损 耗 限 值 如 下 表 所 列 。 频率（MHz） 插入损耗（dB） 回波损耗（dB） 1.00 2.20 17.00 4.00 4.50 17.00 8.00 6.30 17.00 10.00 7.10 17.00 16.00 9.10 17.00 20.00 10.20 17.00 25.00 11.40 16.00 31.25 12.90 15.10 62.50 18.60 12.10 100.00 24