HFC及EPON技术

1 HFC与 EPON技术 中国传媒大学 宽带网络研究所 金立标 博士 2 总前端 IP网络核心路由、交换、传输 分前端 IP汇聚路由交换 光节点 OLT/分光器 /其他设备 用户电缆分配网 CPE设备 /终端设备 广播 STB 交互 STB/PC/智能终端 接 入 分 配 网 单向 HFC网 有 线 电 视 双 向 网 用 户 端 ONU/交换机 /其他设备 回传电缆网络 双向光站 CMTS 分前端 总前端 广播 STB 一二级 传输网 光节点 用户分配网 城域网 接 入 网 用 户 端 有线电视网络基本结构 3 CMTS系统 4 一、网络结构 HFC Internet 常规模拟电视 数字电视 CMTS 本地 服务器 Router 混 合 / 分 离 PC TV Phone CM 宽带数据网络 5 二、 CMTS 1.局端系统 CMTS 作为前端路由器 /交换集线器和 CATV网络之间的连接设备 ， CMTS一般在有线电视的前端或者在管理中心的机房； 完成数据到射频 RF转换，并与有线电视的视频信号混合，送入 HFC网络中。 除了与高速网络连接外，也可以作为业务接入设备，通过 Ethernet网口挂接本地服务器提供本地业务。 6 二、 CMTS CMTS与 CM的通信过程为 ： 在 下行 方向，来自路由器的数据包在 CMTS中被封装成 MPEG2-TS帧的形式，经过 64QAM调制后与有线电视模拟信号混合输出 RF信号到HFC网络，下载给各 CM； 在 上行 方向， CMTS将接收到的经 QPSK调制的数据进行解调，转换成以太网帧的形式传送给路由器。同时， CMTS负责处理不同的 MAC程序，这些程序包括下行时隙信息的传输、测距管理以及给各 CM分配 TDMA时隙。 7 三、 Cablemodem Cable Modem工作在物理层和数据链路层，下面介绍 Cable Modem在这两层的工作原理。 （ 1）物理层 下行采用是 64/256QAM(正交振幅调制 )，调制速率可达 36Mbit/s。 上行调制采用 QPSK(四相移键控调制 )，抗干扰性能好，速率可达 10Mbit/s。 另一个上行协议是 S-CDMA(同步码分复用 )。 8 三、 Cablemodem （ 2）媒体通路控制层 媒体通路控制层（ MAC）和逻辑链接控制层（ LLC），即 OSI七层组织中的数据链路层。这两个协议层规定了不同信号和用户怎样共享公共带宽。 在上行方向， Cable Modem从计算机接收数据包，把它们转换成模拟信号，传给网络前端设备。该设备负责分离出数据信号，把信号转换为数据包，并传给因特网服务器。同时该设备还可以剥离出语音（电话）信号并传给交换机。 9 四、系统参数 标准 参数 DOCSIS V1.0 Euro DOCSIS V1.1 下行 上行 下行 上行 调制方式 64/256QAM QPSK 16QAM 64/256QAM QPSK 16QAM 传输速率 （ Mbit/s） 27/38 0.32/0.64/1.28 2.56/5.12/10.24* 38/52 0.32/0.64/1.28 2.56/5.12/10.24* 信道带宽 （ MHz） 6 0.2/0.4/0.8 1.6/3.2 8 0.2/0.4/0.8 1.6/3.2/6.4* 频率响应 （奈奎 斯特） 滤波特性 64QAM =18% 256QAM =12% QPSK =25% 64/256QAM =15% QPSK =25% 输入电平 （ dBV） -16 25dBmV* -1525dBmV 4486* 4373（ 64QAM） 4777（ 256QAM） 输出电平 （ dBV） 5061dBmV 855dBmV （ 16QAM） 858dBmV （ QPSK） 110121 68115（ 16QAM） 68118（ QPSK） 10 五、 CMTS输出特性 参 数 数 值 中心频率（ fc） 112MHz858MHz 30kHz 电平 在 110dBV121dBV内可调 调制类型 64QAM 256QAM 符号率（标称） 64QAM 256QAM 6.952Msym/s 6.952Msym/s 标称信道间隔 8MHz 频率响应 64QAM 256QAM 15%升余弦平方根整形 15%升余弦平方根整形 11 六、 CM输入特性 参 数 值 中心频率 112858MHz 30kHz 电平范围（一个信道） 4373dBV， 64QAM 4777dBV， 256QAM 调制类型 64QAM和 256QAM 符号率（标称） 6.952Msym/s（ 64QAM和 256QAM） 带宽 8MHz（ 15%升余弦平方根整形，64QAM和 256QAM） 总输入功率（ 80862MHz） 6dB（ 565MHz） 连接器 F型连接器，根据 ISO-169-24（与输入公共） 13 八、 CM的接入 1.接入业务对带宽的要求 在 HFC有线电视网上，不同的业务运行会有不同的带宽需求，致使每个 CM对网络有不同的接入要求。 （ 1）网上浏览业务 倾向于非对称的带宽要求，致使每个 CM要求有一个上行和一个下行信道的支持，这正好与 HFC有线电视网的非对称带宽特性相适应 。 （ 2） IP电话业务 倾向于对称的带宽要求，致使每个 CM要求有多个上行信道的支持。 在一个地区有大量的 CM通过同一个光节点接入时，为了提供足够的带宽和防止呼叫阻塞，需要提供 CM能接入到多个上行中的一个信道的支持。 14 八、 CM的接入 （ 3） IP流媒体视频业务 倾向于非常大的下行带宽的要求，致使每个 CM要求有多个下行信道的支持。 在一个地区有大量的 CM通过同一个光节点接入时，为了提供足够的带宽和把多路 IP视频流传送到多个 CM，就需要提供 CM能接入到多个下行中的一个信道的支持 。 （ 4）上述业务的组合应用业务 带宽需求的情况就相当复杂，就可能需要有多个上行和下行信道的支持。 该情况下， CM要能在多个上行之间和多个下行之间移动， CMTS的作用是管理与其相连接的所有 CM的流量负载，即根据各 CM的带宽资源需求和可用的资源，通过动态地移动 CM，在多个上行和下行之间平衡流量。 15 八、 CM的接入 2.CM接入单个下行信道和单个上行信道示例 假设 CMTS有 1个下行输出和 4个上行输入端口，即有 1个下行信道和 4个上行信道 ； 1个下行信道为共享信道， 4个上行信道则分别位于独立的 4根光纤上，并分别为 4个社区的 CM提供服务。 CMTS接入到一个下行光发射机和 4个上行光接收机，而每个 CM则经电缆分配系统接入各自所在社区的光节点（双向光发射 /光接收机），即每个 CM共享一个下行信道和惟一的一个上行信道。 前端 CMTS与社区光节点之间采用了空间分隔的两根光纤（上 /下行各一芯）连接，而社区光节点以下则是树枝型结构的同轴电缆分配系统连接各 CM。 如下图： 16 17 八、 CM的接入 3. CM接入多个下行信道和多个上行信道示例 每个 CMTS均有 2个下行输出端口（ fD0/fD1）和 4个上行输入端口（ fU0 fU3） ； 结构见下图： 18 （ 1）结构 1 将 CMTS的两个下行输出端口混合后接入到一个下行光发射机； 将每两个上行输入端口也混合分别接入上行光接收机。 这样，每个 CM都可查看 2个下行信道。 （ 2）结构 2 将 CMTS的 2个下行输出端口和 4个上行输入端口混合后分别接入下行光发射机和上行光接收机。 这样，每个 CM都可查看 2个下行信道并使用与 2个下行信道相关的全部4个上行信道。 （ 3）结构 3 CMTS的下行输出和上行输入端口的混合方式类似方案1，但 CMTS的上行输入端口采用了交叉连接，即每个上行光接收机分别与不同的下行信道相关。 这样每个 CM都可查看 2个下行信道及每个下行信道相关的一个上行信道。 19 九、 DOCSIS2.0 1.DOCSIS2.0体系 DOCSIS 2.0技术规范，对之前发布的DOCSIS1.1规范进行了扩充，引入了对服务质量(QoS)应用给以优先的技术。 通过使用更高达 128QAM的正交幅度调制做上行，DOCSIS 2.0将上行信道的容量提高了 3倍 。 64QAM调制方式，在 6.4MHz的信道带宽上，DOCSIS 2.0的上行信道可以传输的数据率为30.7Mbps，而 DOCSIS1.0上行传输典型的应用采用 QPSK，在 1.6MHz的信道带宽上可以达到的数据率只有 2.56Mbps。 20 九、 DOCSIS2.0 DOCSIS1.0/1.1 Additional Capabilities with DOCSIS 2.0 调制方式 频道带宽 (MHZ) 数据速率 (Kbps) 调制方式 频道带宽 (MHZ) 数据速率 (Kbps) QPSK 16 QAM QPSK 16 QAM 1.6 1.6 3.2 3.2 2,2560 5,120 5,120 10,240 32 QAM 64 QAM 16 QAM 32 QAM 64 QAM 3.2 3.2 6.4 6.4 6.4 12,800 15,360 20,480 25,600 30,720 21 九、 DOCSIS2.0 2.DOCSIS2.0回传噪声抑制技术 DOCSIS 2.0是专门针对有线电视网络产业所关注的受容量限制和易受噪声侵害的上行而设计的。 它基本上是建立在 DOCSIS1.1的基础之上，通过实现对两种物理层 (PHY)技术的支持而完成的，这两种技术分别是同步码分复用 (S-CDMA)和高级时分复用 (ATDMA)。 S-CDMA和 ATDMA都提供大体上相同的数据速率，但是它们在处理数据的方式和降低噪声干扰方面采用了不同的方法。 22 九、 DOCSIS2.0 (1)S-CDMA S-CDMA是直接序列扩频 (DSSS)通信的一种，专门设计用于在电缆网络上提供更强的抗干扰能力。 DSSS的每一个数据符号在发射机端与伪随机序列码 (码片序列 )相乘，从而“扩展”到较宽的频谱之上，在接收端，同样的伪随机序列码被用来检取出原始信号。 在多个数据流同时传输时，每个数据流分别用它们各自的伪随机序列码相乘。 由于许多个用户共享同一频谱，各用户通过不同的伪随机序列码区分并使干扰最小， DSSS被称做码分复用(CDMA)。 S-CDMA带来的一个优势是每个数据符号在时间上被展宽了，因此每个发送符号抗脉冲噪声的能力也增强了 。 23 九、 DOCSIS2.0 (2)A-TDMA 由早先的 DOCSIS标准演变而来的 A-TDMA是一种“一次一个”的突发通信技术多址接入协议。 通过严格的时间分配控制实现多个用户的访问，其中每个时隙由 CMTS中的调度管理器分配给每个 Modem，控制多个用户对共享信道的接入使用。这种方式可提供的调制阶次可达到 64QAM。 A-TDMA有增强的 FEC，更高的调制 (原最高为16QAM)，信道带宽增加了一倍 (6.4MHz)，Reed-Solomon 码字交织提高了对突发错误的纠错，以及更多的对多径信号反射干扰的抵抗能力。 24 十 DOCSIS3.0 随着宽带网的迅猛发展，用户对大带宽和高速率传输需求进一步的增强，其他电信运营商正在大力建设光纤到户（ FTTH）和光纤到路边（ FTTC）的网络，为用户提供百兆级的传输速率。所以电视运营商极需要达到 100M的速率与之抗衡。另一方面，各种新型业务，如 IPTV、视频点播、电视会议等也如饥似渴地需要更高的数据传输速度，正是基于此种情况， CableLabs在 2006年完成了DOCSIS3.0版本标准的制定工作。 25 1、基于多个上、下行通道的绑定技术 a） DOCSIS 3.0采用四个或四个以上的有线电视频道带宽绑定在一起的方式进行数据传输，当然这种绑定并不是简单的组合。如图所示， 120Mbps的数据被使用“信息包绑定（ Packet bonding）”技术分成四个 30Mbps的数据流（不能大于 30Mbps），通过四个绑定在一起的电视频道进行传输，在接收端通过使用“信息包绑定（ Packet bonding）”技术把四个 30Mbps的数据流整合还原成 120Mbps的数据。这样它的传输能力将是原来使用单一电视频道传输的 4倍以上。 26 27 DOCSIS 3.0标准规定绑定在一起的频道不能低于 4个， DOCSIS 3.0的下行速率起点规定为 160Mbps，而上行速率为 120Mbps，并且还可以通过增加绑定的频道数量来提高上、下行的传输速率。 DOCSIS3.0标准在传输通道中采用的多个频道的绑定技术，在数据传输中则采用的信息包的绑定技术，这些新技术无疑为DOCSIS3.0标准的传输速率带来了飞跃的发展。 28 2、 采用了先进的 IPv6技术： 目前随着互联网的飞速发展，原有的IPv4技术已经不能满足应用的需要，所以采用了更新的 IPv6技术。 DOCSIS3.0标准也顺应时代发展的需要，将 IPv6技术融合到标准之中。DOCSIS3.0标准不仅支持原有的 IPv4技术，而且还能支持新一代的 IPv6技术，在前不久进行的相关测试中， DOCSIS3.0标准的设备在这方面的测试结果是令人满意的。 29 3、 采用组播技术并提供 QoS保证 DOCSIS3.0标准中对于组播技术有了很多的支持，如在 DOCSIS3.0标准中制定了一个基于 DOCSIS特有的 2层组播控制协议，另外在组播的 QoS保证方面也引进了“组业务流”的概念，以业务分类名定义业务流的 QoS参数，这些举措使得DOCSIS3.0标准在未来的 IP组播的应用得到了加强。 30 HFC网络 31 1、前端系统 CMTS CMTS设计 考虑问题： CMTS调制方式： 64QAM、 256QAM 提供给用户的带宽，是否高于 ADSL 上网用户比例（同时上网）； 网络使用比例（同时下载） 32 1、前端系统 CMTS 举例： 下行每信道 8M带宽，采用 64QAM调制方式，每个下行信道实际数据率 36Mbps ； 预计提供给用户的最低并发数据速率 BW在1Mbps以上 ； 使用情况以高峰期上网用户比例 RB为 50%，网络使用比例 UF为 20%预计 。 按照 1000户计算：1000*50%*20%*1Mbps/36Mbps 2.7,即需要 3台 CMTS； 若提供 400kbps的速率，则需 1台 CMTS。 33 2、 HFC回传链路损耗 34 A块： CM至楼放输出口，反向损耗一般设定为 25 5db。 B块：电缆干线网部分（包括干放、延放与楼放）至光站（具有双向传输功能的光节点）的输出端口，反向损耗设定 0db（采用单位增益设计）。 35 C块：光站至光接收机部分，损耗与光设备的选择有关，一但光设备选定了，损耗也就确定了。 D块：光接收机输出端至 CMTS的输入端口部分，这块的作用是将多条光链路输出的信号混合成一路输入 CMTS，此块的插入损耗按下公式计算： 插入损耗（业务带宽 上行通道的每 Hz功率） CMTS要求的输入电平值 36 假设 CM的工作带宽为 3.2MHz，并且接收机输出口的总功率为 108dBuV。 根据每 Hz功率法的公式，此时 CM的实际工作电平应该为 108dBuV 10 log (60MHz/3.2MHz) = 95dBuV 一般将 CMTS的端口接收电平设为 0dBmV即 60dBuV。这样从上行接收机的输出到CMTS上行端口的总衰减应控制为精确等于 95dBuV 60dBuV = 35dB 37 目前， CM的最大输出电平为 118dbV，为了保证系统有较高的 CNR值，将 CM的发射电平范围设定为100-115dbV，动态范围 15db作为 CMTS的测距AGC控制余量（ CMTS的输入电平通过 AGC控制被钳定在 60 1dbV）。动态范围 15dB分配如下： 分配网：由于各 CM的路由差别所造成的汇集电平差较大，分配余量为 10db，所以，在楼放的输出端口处分配网的汇集电平均差不超过 5db。 电缆干线网部分：在调试中按单位增益的概念调试。通过调试使网络中的每一级放大器间的增益均为 0db，从而实现图中 B块总增益为 0db的目的。这块只需分配 3db的余量作为温度所造成电缆损耗的变化和放大器增益变化的补偿。 光纤链路：由于采用了归一化的调试，只需考虑设备增益变化的影响，分配 2db的补偿余量。 38 举例： CM的最大发射电平为： CM的最大发射电平 = CMTS的输入电平 D块损耗 B块损耗 C块损耗分配网 A块的标称损耗 =60+35 0-15+30=110dbV CM的最小发射电平 = CMTS的输入电平 D块损耗 B块损耗 C块损耗分配网 A块的标称损耗 =60+35+0-15+20=100dbV 式中 20是 A块的最小损耗值。 39 从上可知： 光设备型号一旦确定后， B、 C、 D三块的损耗就确定了。由于 CMTS测距 AGC的控制作用，此时 CM的发射电平将取决于分配网的损耗值和附加损耗值。 当分配网的损耗过大时，将导致 CM即使工作在最大的发射状态也满足不了 CMTS的接收电平需要。 当分配网损耗过小时，将使 CM发射电平过低而达不到信道所要求的 CNR值而导致通信不正常。 所以，必须严格分配网的设计与施工，使之达到要求的损耗值。 40 3、上行信号调整 用户回传上行信号时，由于路由各不相同，各路由的上行传输损耗各不相同，必然出现不同用户信号上行到各级汇聚点的电平不一致。 如果其电平差异过大，即使管理 CM的CMTS发出电平调整指令试图使 CM受控调整输出电平，也难以达到各用户电平上行到中心一致的目的。这就要求对上行信号电平进行汇聚均衡 。 41 传统有线电视系统是按下向需求设计的。 下行信号电平： A 100dBV B 73dBV： 73=100-27（ 27为分支损耗） C 75dBV： 75=100-5-20 D 74dBV： 74=100-5-7-14 E 73dBV ： 73=100-5-7-11-4 结论 :下行设计合理 A - 5 - 7 - 1 12 7 2 0 1 4 47 3 7 5 7 4 7 3B C D E1 0 042 对于上行信号，如果每个 CM输出电平为 100dB V。上行频率的衰减分别为 1.2、 1.6和 2.5dB。则： B A 100-27=73 dB V C A 100-20-1.2=78.8 dB V D A 100-14-1.6-1.2=83.2 dB V E A 100-4-2.5-1.6-1.2=90.7 dB V 结果 :B、 C、 D、 E到达 A的电平差最大为 17.7dB A - 1 . 2 - 1 . 6 - 2 . 52 7 2 0 1 4 41 0 0B C D E1 0 0 1 0 0 1 0 043 考虑 CMTS-CM测距自动确定 CM发射电平，假设 A点汇聚电平均衡为 75dB，则有 : B A 75+27=102 dBV C A 75+1.2+20=96.2 dBV D A 75+1.2+1.6+14= 91.8dBV E A 75+1.2+1.6+2.5+4=84.3dBV CM发射电平差有 17.7dB，那么 E点到达 A点的 CNR将会下降 17.7dB A - 1 . 2 - 1 . 6 - 2 . 52 7 2 0 1 4 41 0 2 9 6 . 2 9 1 . 8 8 4 . 3B C D E7 544 上行均衡 离 A越远，上行损耗越低。按正向电缆损耗值各分支端加衰减器，称为汇聚均衡或各分支端口路径损耗归一化。 B A 75+27=102 dBV C A 75+1.2+20 6=102.2 dBV D A 75+1.2+1.6+14+10= 101.8dBV E A 75+1.2+1.6+2.5+4+18=102.3dBV 结论 :汇聚电平差仅 0.5dB ABC D EC M C M C M C M6 d B 1 0 d