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e p o n 技术在有线电视网络中的应用 摘要 随着通信技术的快速发展，广大用户对高速上网和宽带数据业务的需 求越来越迫切，宽带数据业务这一快速增长的新业务市场就成为各宽带运 营商必争的领域，因此建设一个先进的、可扩展的和能对其进行有效管理 的宽带城域网就成为当前各宽带运营商的工作重点。 本文紧紧围绕如何将e p o n 技术应用于有线电视网络之中，建设可盈 利的具有强大功能的有线电视e p o n 宽带i p 城域网这一主题，结合青岛 有线e p o n 宽带i p 城域网工程建设实例，探讨了e p o n 网络的相关理论 和关键技术，对青岛有线电视网络用户进行了需求分析，对青岛有线 e p o n 宽带i p 城域网的建设背景进行了论述。在此基础上，根据青 岛有线的实际，本文对青岛有线e p o n 宽带i p 城域网从网络建设总体 规划、网络建设市场可行性分析这几个方面进行了具体论述，并在充分利 用青岛有线现有网络资源的基础上，具体论述了青岛有线电视e p o n 宽带i p 城域网建设实施方案。在网络建设实施方案中，详细介绍了青 岛有线电视e p o n 宽带i p 城域网建设的骨干网技术方案、小区接入网技 术方案、楼栋内入户部分技术方案、网络出口解决方案、网络管理、i p 地 址规划、网络安全、计费系统的实现以及功能这八大方面的内容。 最后，本文对青岛有线e p o n 宽带i p 城域网的建设进行了总结，得出 的结论是e p o n 技术在青岛有线两年多来的成功应用表明e p o n 技术在各个 方面都具有显著的优势，实践证明e p o n 这种网络技术是当前有线电视运 营商充分利用现有网络资源建设有线宽带城域网的最佳选择，是当前有线 电视网络最典型、最适用、最合理、最廉价的“三网融合 最好途径。 关键词：e p o n 技术；有线电视网络；应用 e p o nt e c h n o l o g yi nc a b l et vn e t w o r ka p p l i c a t i o n a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n ，t h eu s e rc o m m u n i t y a r eg e t t i n gm o r ea n dm o r eu r g e n tt ot h eh i g hs p e e ds u r f e ra n dt h eb r o a db a n d d a t as e r v i c e ，t h en e ws e r v i c em a r k e to fb r o a db a n dd a t as e r v i c ew h i c hg r o w s f a s th a sb e c o m et h ed o m a i nf o rw h i c hv a r i o u sw i d eb a n do p e r a t o rm u s t s t r u g g l e ，t h e r e f o r et h ew o r kp o i n to fc u r r e n tw i d e b a n do p e r a t o r si sg o i n gt o c o n s t r u c to n ea d v a n c e d ， e x p a n d a b l e a n dc a n m a n a g e a b l ew i d e b a n d m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k h o wi st h i sa r t i c l et h ea u t h o rc l o s e l yr e g a r d i n ga p p l i e st h ee p o nt e c h n o l o g y i nt h ec a b l et vn e t w o r k ，t h ec o n s t r u c t i o nm a yg a i nh a sf o r m i d a b l ef u n c t i o nc a b l e t ve p o nw i d eb a n di pm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r kt h i ss u b j e c t ，u n i f i e sq i n gd a o c a b l et v e p o nt h ew i d eb a n di pm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r ke n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o ne x a m p l e ，h a sd i s c u s s e dt h ee p o nn e t w o r kc o r r e l a t i o nt h e o r i e sa n d t h ek e yt e c h n o l o g i e s ，h a sc a r r i e do nt h ed e m a n da n a l y s i st ot h eq i n gd a oc a b l e t vn e t w o r ku s e r , n e t sc o n s t r u c t i o nb a c k g r o u n dh a sc a r r i e do nt h ee l a b o r a t i o nt o q i n gd a ow i r e de p o nt h ew i d eb a n di e b a s e d o nt h i s ，a c c o r d i n gt ot h eq i n gd a o w i r e dr e a l i t y , t h i sa r t i c l et oo i n gd a ow i r e de p o nt h ew i d eb a n di pn e tm e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r kf r o mt h en e t w o r kc o n s t r u c t i o no v e r a l lp l a n ，t h en e t w o r kc o n s t r u c t e d m a r k e t f e a s i b i l i t ya n a l y s i st h e s ea s p e c t st oc a r r yo n t h ec o n c r e t ee l a b o r a t i o n ， a n dw a s u s i n g t h eq i n gd a ow i r e de x i s t i n gn e t w o r kr e s o u r c ef u l l yi nt h e f o u n d a t i o n ，e l a b o r a t e dc o n c r e t eq i n gd a oc a b l et v e p o n t h ew i d e b a n di p m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k c o n s t r u c t i o ni m p l e m e n t a t i o np l a n i nt h en e t w o r k c o n s t r u c t i o ni m p l e m e n t a t i o np l a n ，i n t r o d u c e di nd e t a i lq i n g d a oc a b l et ve p o n t h ew i d e b a n di pm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r kc o n s t r u c t i o n sb a c k b o n en e t w o r k t e c h n i c a lp r o g r a m ，t h ep l o ta c c e s sn e t w o r kt e c h n i c a lp r o g r a m ，l o ud o n gn e i r e c e i v e sr i g h to fr e s i d e n c et h ep a r t i a lt e c h n i c a lp r o g r a m ，t h en e t w o r ke x p o r t s o l u t i o n ，t h en e t w o r km a n a g e m e n t ，t h ei pa d d r e s sp l a n ，t h en e t w o r ks e c u r i t y , c o s ts y s t e m sr e a l i z a t i o n 弱w e l la st h ef u n c t i o nt h e s ee i g h tb i ga s p e c tc o n t e n t f i n a l l y , t h i s a r t i c l ec a r d e do nt h es u m m a r yt o m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k sc o n s t r u c t i o no fq i n g d a oc a b l et v e p o nw i d eb a n di v , o b t a i n st h e c o n c l u s i o ni st h a tt h es u c c e s sa p p l i c a t i o no fe p o nt e c h n o l o g yi nt h eq i n g d a o f o rm o r et h a nt w oy e a r si n d i c a t e dt h a tt h ee p o nt e c h n o l o g yh a st h e r e m a r k a b l es u p e r i o r i t yi ne a c ha s p e c t ，t h ep r a c t i c ep r o v e dt h a te p o n t e c h n o l o g yi st h eb e s tc h o i c eo fc u r r e n tc a b l e t v o p e r a t o rt om a k et h em o s to f e x i s t i n gn e t w o r kr e s o u r c et o c o n s t r u c tw i r e dw i d eb a n dm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k ，i st h eb e s tw a yo f “t h r e en e tf u s i o n s w h i c hi sm o s tt y p i c a l ，m o s ti s s u i t a b l e ，i sm o s tr e a s o n a b l ei n e x p e n s i v e o ft h ec u r r e n tc a b l et vn e t w o r k k e y w o r d s ：e p o nt e c h n o l o g y ；c a b l et vn e t w o r k ；a p p l i c a t i o n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得( 注：如 遗查墓丝置要缱别主盟数：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：力乏马签字日期：。y 年s 月3 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 多友鸣 签字日期：p 了年y 月j f e l 导师签字： 签字日期： 慨 嘛厂卟 e p o n 技术在有线电视网络中的应用 第1 章绪论 1 1e p o n 技术的发展状况 e p o n 技术u 制是一门新兴技术，e p o n 是e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a l n e t w o r k i n g 的英文缩写，翻译成中文是以太无源光网络。 p o n 技术的概念是2 0 世纪9 0 年代初提出的，可分为用于窄带t d m 业务接入 的窄带p o n 技术和用于宽带接入的基于a t m 传送的b p o n ( a p o n ) h 。、兼顾 a t m e t h e r n e t t d m 综合化的g p o n 技术以及基于e t h e r n e t 分组传送的e p o n 技术。 应该说，经过l o 多年的变迁，p o n 技术经历了从窄带p o n 到b p o n ( a t m p o n ) 再 到e p o n ，i e e e 近几年来在e p o n 标准化上非常活跃，推出了i e e e 8 0 2 3 a h e p o n 标准h 刊。 e p o n 技术具有节省光纤资源、对网络协议透明的特点，在光接入网中扮演 着越来越重要的角色。同时，以太网( e t h e r n e t ) 技术经过二十年的发展，以其 简便实用，价格低廉的特性，几乎已经完全统治了局域网，并在事实上被证明是 承载i p 数据包的最佳载体。随着i p 业务在城域网和干线传输中所占的比例不断 攀升，以太网也在通过传输速率、可管理性等方面的改进，逐渐向接入、城域甚 至骨干网上渗透。而以太网与p o n 的结合，便产生了以太无源光网络( e p o n ) 。 它同时具备了以太网和p o n 的优点，正成为光接入网领域中的热门技术。 近年来，在已发展成熟的窄带p o n 和a p o n 技术基础之上，随着i p 技术的崛 起和飞速发展，大多数运营商已将i p 技术作为数据网络的主要承载技术，同时， 千兆比以太网技术也得到了广泛应用，因此把简单经济的以太网技术与p o n 的传 输结构结合起来的千兆比无源光网络技术结合起来日益受到重视，e p o n 技术自 2 0 0 0 年开始引起技术界和网络运营商的广泛关注。 e p o n 保留了a p o n 的物理层p o n ，但却用e t h e r n e t 技术代替a t m 技术作为数 据链路层协议，构成一个可以提供更高带宽、更低成本和更强业务能力的新的结 合体。这样，e p o n 系统在承载i p 业务时不需要经过复杂的协议转换，而是可直 接承载到p o n 帧上，从而使其更适合于接入i p 业务。 e p o n 技术在有线电视网络中的应用 1 2 课题的来源及意义 本课题是基于青岛有线电视网络中心现有基于双向h f c 的c m 网络运行中的 不足之处提出的，目的是使用新的e p o n 双向网络来替代现有的基于双向h f c 的 c m 网络，最终实现提高用户上网速度和降低网络故障率的目的，从而在整体上 提高有线电视双向网络的利用价值和经济效益。 青岛有线电视中心现有的双向h f c 网络具有分布范围广、结构多变复杂，线 路环节多且线路上各网络器件依赖市电供电，网络速度慢，网络故障率高，维护 费用高昂的特点。如何简化网络结构，减少网络环节，提高用户上网速度，降低 网络故障率，减少网络维护费用，这就需要青岛有线采用新的e p o n 双向网络来 替代原有的h f c 双向c m 网络，用此来提高用户上网速度，降低网络故障率，减 少网络维护费用，提高网络业务的服务水平和竞争能力，从而进一步提高青岛有 线网络的核心竞争力。 1 3 论文的组织与安排 本文首先论述了e p o n 技术的基本概念和发展状况，进行了有线网络用户需 求分析，然后系统阐述了青岛有线电视e p o n 网络设计方案和应用及取得的良好 效果，最后总结了经验，明确了进一步的工作目标和方向。 论文共分5 章，其中， 第l 章首先介绍了e p o n 技术的发展状况及课题的来源及意义，然后是论文 的组织与安排。 第2 章介绍了e p o n 技术相关理论及e p o n 关键技术。 第3 章进行了青岛有线网络用户需求分析，首先对青岛有线电视传输网进 行了介绍，然后论述了青岛有线基于h f c 的c m 网络架构，还对有线网络用户进 行了需求分析，最后论述了青岛有线e p o n 宽带i p 城域网络相对于原有基于h f c 的c m 网络的改进和提高。 第4 章介绍了e p o n 技术应用于青岛有线网络设计方案，分别论述了青岛有 线e p o n 网络建设总体规划、e p o n 网络建设可行性分析和具体实施方案以及e p o n 技术应用于青岛有线网络后取得成果。 第5 章进行了总结和进一步要研究的工作及改进。 2 e p o n 技术在有线电视网络中的应用 第二章e p o n 相关理论及关键技术 2 1e p o n 技术相关理论 e p o n 使用了l ：n 的分光器，而发展出树状分支结构7 圳3 。e p o n 网络包括 光线路终( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ，o l t ) 及光网络单元( 0 p t i c a ln e t w o r ku n i t ， o n u ) 。一般而言，o l t 存在于局端电信机房( c e n t r a lo f f i c e ，c o ) ，多为以太网 络交换机或媒体转换器平台，o n u 则多置于靠近客户端，如路边、建筑物或用户 住处，o n u 则提供8 0 2 3 a h w a n 接口及8 0 2 3 a h 客户端接口。 m p c p 提供了接通网络资源的最佳化，自动化排序的机制减少了带宽松散的 问题，而o n u 自动回报带宽需求给o l t 的机制用以实现动态带宽分配( d y n a m i c b a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，d b a ) ，光收发器的参数藉由o l t 与o n u 的交流机制而达 到最佳化的目的1 。 e p o n 规划了在单一光纤上作全双工传输，并以点对多点的拓朴架构呈现， 用户只看到自己与局端间的传输，而非其它在该拓朴架构的用户。e p o n 系统使 用了分光器( s p l i t t e r ) 1 2 - 1 3 ，利用不同的光波长来进行上行串行传输及下行串 行传输，其波长如下： 一1 4 9 0 r u n 下行串行传输 一1 3 l o n i i l 上行串行传输 e p o n 采用多点控制协议m p c p ，为了管理点对多点( p 2 m p ) 光纤网络，e p o n 使 用多点控制协议( m u l ti p o i n tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ，m p c p ) 1 4 - 1 s 。m p c p 执行带宽 管理工作，包括带宽的询问、自动发现和排序，它在m a c 层实现这些功能，利用 了6 4 位的控制信息： 一g a t ea n dr e p o r t 字段用在分配及给予带宽 - - r e g i s t e r 和r e g i s t e r _ r e q u e s t 字段使用在控制自动发现o n u 过程 2 2e p o n 关键技术 在e p o n 系统中引入了非常多的核心技术，也正是这些核心技术的引入，才 e p o n 技术在有线电视网络中的应用 使得e p o n 在完全不一样工作原理的以太网中实现光网络的接入和多业务的支 持。这些技术主要包括上、下行的t d m a 技术和物理层技术两大类1 6 。2 2 3 。下面分 别予以介绍。 2 2 1 上、下行t d m a 接入技术 目前已成功商用的e p o n 系统通常都是符合i e e e 8 0 2 3 a h - - 2 0 0 4 标准的上 下行传输速率均为1 2 5 g b p s 的宽带光纤接入系统，它主要由局端光线路终端 ( o l t ) 、用户端光网络单元( 0 n u ，) 和光分配网络( o d n ) 等几部分组成。e p o n 作为被广泛看好的下一代宽带接入技术，必须而且也能够提供传统t d m 业务的经 济、可靠接入。t d m 业务包括语音业务( p o t s ，p o p u l a ro l dt e l e p h o n es e r v i c e ， 传统旧式电话服务) 和电路业务( t 1 e 1 ，n * 6 4 k b p s 等租用线) 两大类。 e p o n 采用t d m a 方式时的关键技术有动态带宽分配、上行信道复用实现技 术、以太网在p o n 上的成帧技术与实现技术、测距与延时补偿、光器件、突发信 号的快速同步技术等等。 在t d m a 技术中又包括许多具体的技术，如动态带宽分配技术、上行信道复 用技术、测距技术、搅动技术、时钟撮技术和同步接收技术等。下面分别予以介 绍。 i 、动态带宽分配( d b a ) 技术 动态带宽分配算法就是实时地( m s us 量级) 改变e p o n 的各o n u 上行带 宽的机制。e p o n 中如果用带宽静态分配，对数据通信这样的变速率业务很不适 合，如按峰值速率静态分配带宽，则整个系统带宽很快就被耗尽，带宽利用率很 低，而动态带宽分配使系统带宽利用率大幅度提高。通过d b a ，我们可以根据o n u 突发业务的要求，通过在o n u 之间动态调节带宽来提高p o n 上行带宽效率。由于 能更有效地利用带宽，网络管理员可以在一个已有的p o n 上增加更多用户，终端 用户也可以享有更好的服务，如用户可以用到的带宽峰值可以超过传统的固定分 配方式的带宽。 上行方向信道中的传输是采用时分复用接入方式来共享光纤的，各个o n u 收集来自用户的信息并以1 2 5 g b p s 以上的高速向o l t 发送数据，不同的o n u 发 送的数据占用不同的时隙。随着各种宽带业务的发展，用户对带宽的需求肯定越 4 e p o n 技术在有线电视网络中的应用 来越大，如何根据不同用户的业务类型与业务特点合理分配信道带宽，使网络提 供者以一套最有效的手段利用网络资源，是决定e i 0 n 系统性能的关键技术之一。 根据e l o n 的特点及i t u - tg 9 8 3 建议，可以得出对动态带宽分配设计的具 体要求有：业务透明；高带宽利用率；低时延和低时延抖动；公平分配带宽，健 壮性好，实时性强。动态带宽分配采用集中控制方式：所有的o n u 的上行信息发 送，都要向o l t 申请带宽，0 l t 根据0 n u 的请求按照一定的算法给予带宽( 时隙) 占用授权，其分配准许算法的基本思想是：各0 n u 利用上行可分割时隙反映信元 到达的时间分布并请求带宽，0 l t 根据各0 删的请求公平合理地分配带宽，并同 时考虑处理超载、信道有误码、有信元丢失等情况的处理。 i i 、上行信道复用技术 时分多址复用( t d m a ) 方式又可以采用固定时隙的时分多址复用、 统计时分多址复用、随机接入等方式。固定时隙时分多址复用方式不足之 处有：当其中有的时隙未用时，还是占用一样的带宽；对高突发率业务适 应力不强：o n u 需要同步。随机接入没有确定的接入时间；由于采用 c s m a c d ，故有传输距离的限制。而统计时分多址复用可以克服前两者的 不足，所以一般都选择采用统计时分多址复用。上行信号传输在o n u 被 分配到的时隙里发送以太网帧，统计复用通过提供的数据量的大小来改变 时隙大小的方法来实现。 t d m a 的实现方法是重点，即如何使用t d m a 的方法使上行信道的 带宽利用率、时延和时延抖动等指标达到要求。其中，上行带宽的分配方 法、o n u 发送窗口固定还是可变、最大的o n u 发送窗口应为多大、o n u 发送窗口的间隔、以太网帧是否切割等问题都有待于研究和确定。 由于数据视频业务流是自相似的，不存在最佳大小的固定时隙，故流 量聚合也不能起多大作用。突发包大小分布为长相关性( 大的拖尾) ，即 大多数突发包都比较小，但绝大多数都是有大量的突发包同时出现。上行 信号应该采用灵活的请求许可方式。例如可以通过“逻辑端口”，可以灵 活地为一个o n u 中的每个用户、每个服务提供许可信号，可以实现灵活 操作，或采用“多请求方式”缩短许可周期，并使t c p 流量高。 i i i 、测距技术 e p o n 的点对多点的特殊结构决定了各个o n u 对o l t 的时延不同， 各个o n u 的发出的信号会在上行信道发生碰撞，且信号到达o l t 的时间 具有不确定性。这些特点决定了必须采用测距技术补偿因o n u 和o l t 之 5 e p o n 技术在有线电视网络中的应用 间的距离不同和温度变化引起的传输时间差异。e p o n 产生传输时延的根 源有两个：一个是物理距离的不同，另一个是环境温度的变化和光电器件 的老化等因素。 e p o n 测距的程序也相应的分为两步：( 1 ) 在新o n u 的注册阶段进 行的静态粗测，这是对物理距离差异进行的时延补偿；( 2 ) 在通信过程 中实时进行的动态精测，以校正由于环境温度变化和器件老化等因素引起 的时延漂移。测距方法有扩频法测距、带外法测距和带内开窗法测距等几 种。综合考虑，e p o n 宜采用带内开窗法测距技术。在注册阶段即粗测过 程中，使用的g a t e ( d i s c o v e r y ，发现) 、r e g i s t e rr e q u e s t ( 注 册请求) 帧来完成测距。冲突检测由一个计数器完成，如计数器超时，则 说明有冲突发生，o n u 采取一定的冲突避免策略再次发送g a t e ( d i s c o v e r y ) 帧。在精测过程使用g a t e 、r e p o r t ( 报告) 帧来进行 测距，因为在传输过程中不会发生冲突，计数器不会超时。 i v 、搅动技术 参考g 9 8 3 标准中对下行搅动的建议，根据e p o n 的安全性需求和 对实现代价的综合考虑，在e p o n 系统中采用搅动方案来实现信息安全保 证。通过对下行数据的搅动解搅动，保证用户信息的隔离，下行数据只有 目的o n u 可以接收；通过对上行m a c 控制帧和o a m 帧的搅动解搅动， 防止用户通过数据通道伪造m a c 控制帧或o a m 帧，来更改系统配置或 捣毁系统。这是由于p o n 固有的组播特性决定的。为了保证信息有起码 的保密性，系统必须采用这种所谓“搅动的保护措施。该措施介于传输 系统扰码和高层编码之间，这种搅动功能实施信息扰码并能为信息保密提 供低水平的保护。 搅动过程包括o l t 和o n u 间密钥的同步和更新，分下行搅动和下行 搅动两种方案。通过定义新的o a m 帧来实现o l t 与o n u 之间密钥的握 手动态交互，包括：新密钥请求帧，新密钥确认帧，搅动失步通知帧。根 据i e e e8 0 2 3 a h 草案，o a m 帧格式上包括了通用以太网帧格式中所有的 域，通过唯一的类型标识符0 x 8 8 0 9 标识，并以2 b y t e 操控代码区分不同 的o a m 帧。 在e p o n 的下行方向上，为了隔离用户数据，0 l t 侧根据下行数据的目的地 的不同采用不同的密钥进行搅动处理，为了充分保密，除了保证搅动正常进行的 前导码不搅动外，搅动区间为目的m a c 地址到f c s 域；在0 n u 侧，对接收到的数 6 e p o n 技术在有线电视网络中的应用 据的相应字段根据与o l t 侧相一致的密钥，进行解搅动处理，恢复搅动之前的数 据。通过这种方式，不同的o n u 下行数据根据不同的搅动密钥进行了处理之后， 使得不同o n u 之间的下行数据互不相知，达到了保证o n u 下行数据私密性的要求。 在e p o n 的上行方向，为了防止用户假冒，o n 侧对m a c 控制帧和o a m 帧进 行搅动处理，由于要判断帧类型，搅动区间为帧类型标识符0 x 8 8 0 8 或0 x 8 8 0 9 之后到f c s 域，在o l t 侧根据帧类型标识对控制帧和o a m 帧的相应字段进行解搅 动处理，然后进行f c s 校验，如果正确则表明这是合法的控制帧，进行相关处 理。如果出现f c s 错误表明这是用户伪造的控制帧或者控制帧在线路上传输错 误，应当丢弃，从而防止了合法用户伪造o a m 帧或控制帧。 在密钥的保护方面，g 9 8 3 规定的搅动算法是：用3 b y t e 随机数( x l x 8 ， p 1 一p 1 6 ) 作为搅动码，用搅动码根据固定算法生成1 0 b i t 的辅助搅动参数k l 到 k 1 0 ，这3 4 个比特构成了一组搅动密钥，在搅动端利用p l 到p 8 和k 1 到k 1 0 共 1 8 比特按照固定对8 比特宽的数据流进行搅动，在解搅动端利用同样的1 8 比特 对8 比特宽的经过搅动的数据流进行解搅动。 产生有较好随机性的随机数是这个算法的关键，通常选用随机性较好的m 序列，利用反馈移位寄存器产生，并从m 序列中随机取3 b y t e 作为搅动码。根据 密码学的原则加密算法是可以公开的，而密钥是保密的，e p o n 也是如此。e p o n 的搅动加密是单钥体制( 对称密钥) ，即无论加密还是解密都使用同一个密钥。 这种密钥方案的优点是：安全性高、加解密速度快。o l t 和0 n u 双方通过握 手和同步机制保证密钥同步，密钥是由o l t 进行请求，o n u 产生，上行发送给o l t 的，不可能被用户截获。从连续不断运算的m 序列中随机取3 b y t e 作为搅动码， l b y t e 共有2 8 = 2 5 6 种可能组合，从中随机取3 b y t e 共有2 5 6 x 2 5 4 2 5 3 = 1 6 5 8 11 2 0 种组合，抗密码分析能力很强。 v 、时钟提取技术 对于系统的高速率，快速同步是必须解决的核心问题。而其中0 n u 和o l t 以及上下行比特码的时钟一致是其中的关键。目前一般都采用p l l ( 锁相环) 从 下行信号中提取时钟，利用帧同步字检测方式实现帧同步。 v i 、同步接收技术 e p o n 是一个网同步系统，需要实现o l t 与o n u 之间的快速同步。 各个o n u 与o l t 都需要有一个同步接收的问题，否则一旦发生b i t 错位 7 e p o n 技术在有线电视网络中的应用 或者相位突变，数据接收错误不但影响到数据严重丢失，不断重传，还有 可能导致网络拥塞和网络瘫痪。 v i i 、s l a ( 服务等级协议) 传输话音和视频业务时要求延时既恒定又很小，延时抖动也要小。一 种方法是对不同服务质量要求的信号设置不同的优先权等级。另一种技术 是采用保留带的方法，提供一个开放的高速通道，不传输数据，而专门用 来传输语音业务，以确保p o t s 等需要保证响应时间的业务能得到高速传 送。 2 2 2 物理层关键技术 在e p o n 物理层( 主要是p m d ( 物理媒介相关层) 中也引入的了几种 关键技术，主要用于上、下行数据突发和接收，以及突发时钟恢复。下面 是具体的介绍。 i 、突发数据发送技术 e p o n 的点对多点( p 2 m p ) 的特殊结构和时分多址( t d m a ) 的接入 方式决定了o n u 发送机工作在突发发送的模式下。这就对激光器的响应 速度，更重要的是对发射机输出光功率控制电路提出了新的要求。传统 a p c 电路针对连续传输设计，其偏置电流在整个传输过程中恒定不变。然 而在突发模式中，激光器被不断地打开和关闭，其偏置电流必须能快速地 响应变化。否则很可能在直流偏置还没有调整到指定值之前，o n u 的发送 已经结束，激光器又要关闭，直流偏置重新归零，这导致自动功率控制回 路无法正常工作。因此，传统连续模式的自动功率控制回路是无法正常工 作在突发模式下的。针对这种情况提出两种解决方案： 方案一是采用数字a p c 电路的方法。在每个o n u 突发发送期间特定 时间点对激光器的输出光信号进行采样，根据激光器输出光功率的具体样 值，按一定的算法对激光器的直流偏置进行调整。采样值在两段数据发送 时间间隔内保存，这就解决突发模式下的自动功率控制问题。但是数字 a p c 存在一些缺点，如它需要一个微控制器的参与，并需要一块高速的 r a m ，不利于模块的集成，且对微控制器的速率要求较高。 方案二是对传统连续模式自动功率控制电路进行修改，使其能工作于 突发模式之下。连续模式的自动功率控制回路之所以不能正常工作在突发 模式下，是由于当激光器关闭时，直流偏置切断，当激光器被重新打开时， 自动功率控制回路已丢失了原来的状态，直流偏置呈现不连续的变化。只 8 e p o n 技术在有线电视网络中的应用 要能在激光器关闭期间保持自动功率控制回路的状态不变，当激光器被重 新打开时，自动功率控制回路就能在前一个突发间隔结束状态的基础上继 续进行工作，直流偏置的变化将是一个连续的过程，因而自动功率控制回 路将能稳定工作在突发模式下。 自动功率控制回路主要是通过一个模拟开关和一个运放来实现。图中 模拟开关c o m 引脚连接激光器a p c 控制的反馈回路，i n 引脚连接激光器 的控制信号，低电平时选通激光器。当输入信号i n 为高电平时，输出c o m 与输入n o 连通；当输入信号为低电平时，输出c o m 与输入n c 连通。 通过利用运放近似无穷大的输入阻抗，在激光器关闭期间来保持电容 c a p c 上的电荷不被释放掉，同时保持激光器c a p c 引脚的电压不变，从 而实现在激光器关闭时，“记忆”自动功率控制回路的直流偏置值来满足 突发工作要求。 经过实验比较，使用激光驱动芯片自带的e n a b l e 引脚开关激光器典型 值为：打开延迟2 5 0 n s ，关断延迟3 4 n s 。而通过方案二所示的a p c 稳定 电路控制激光器直流偏置，激光器从截至状态过渡( 光功率为0 ) 到打开 状态( 光功率稳定) 需要约1 0 n s ，从稳定的打开状态到截至状态仅需要5 n s ， 完全满足1 2 5 g b p s 速率下突发传送的要求。 i i 、突发数据接收技术 在e p o n 系统中，上行数据流由各个o n u 以突发形式到达o l t 。由 于突发信号的不确定性，0 码和l 码在整个上行信道上的不均衡性以及每 个o n u 和o l t 之间的不同传输距离等各种因素造成各个o l t 接收到的各 个o n u 的信号强度各不相同。在极限情况下，从最近o n u 发来的代表0 信号的光强度甚至比从最远o n u 传来的代表1 信号的光强度还要大。为了 正确恢复出原有数据，o l t 必须根据每个o n u 的信号强度实时调整接收 机的判决门限。 现有的突发模式接收机分为直接耦合方式和交流耦合两大类。 直流耦合模式的基本构思：依据接收的突发信号，通过测量其光功率 而做出相应的调节。根据反馈方式不同又可以分为自动增益控制( 后向反 馈模式) 和自动门限控制( 前向反馈模式) 两种方式。直流耦合模式接收 机在整个信元时间内动态调整判决电平，如果为了提高传输效率而减小自 适应阀值控制电路放电时间，但这样会使误码性能下降，因此会引入传输 容量代价，而且在一个信元时间内阈值的抖动也会引入灵敏度代价。如果 9 e p o n 技术在有线电视网络中的应用 通过在信头插入一定的比特位来确定判决阂值，则引入了传输容量代价， 并且噪声对阈值的影响会引入灵敏度代价。 交流耦合模式的基本构思：由于接收到的高速数据流被看做是高频信 号的话，前后两个数据流之间平均功率的变化可以认为是低频信号，因此， 只需要一个高通滤波器滤除低频信号就可以完成判决门限恢复。经过交流 耦合的信号即转换成可以用o 电平作为门限电压的信号。采用交流耦合方 式的系统相对直流耦合方式将会付出约1 5 d b 的灵敏度代价。 不管采用哪种模式，突发接收会都对系统性能造成一定影响，相对于 传统连续模式光接收机将付出一定的光功率代价。在突发接收过程中，对 系统性能造成影响的因素主要有两个：一是接收机中固有高斯噪声影响了 判决门限的判定，使其偏离最佳值，进而造成接收灵敏度损失；第二个因 素来源于接收机中门限检测电路的有限的充放电时间常数。 i i i 、突发时钟恢复技术 e p o n 中o l t 端的接收机必须工作在突发模式下。因此，突发模式下 的高速时钟和数据恢复技术就成为其关键技术之一。传统的锁相环虽然能 应用于g h z 数量级的系统中，但是其同步时间较长，不能满足突发模式下 的高速时钟同步的要求。突发模式下的时钟恢复技术可总结为时间上的附 加抽样和空间上的附加抽样两大类。 时间上的附加抽样法，即用一个更高速的时钟，由对数据抽样所得的 图案和已知图案比较，从而得到同步时钟。但是对g 比特级别的数据来说， 需要一个达到约5 g 的采样速率，使得这种方案相当难实现。相对来说， 使用多路时钟进行空间上的附加抽样要简单得多，也易于实现。 2 3 小结 本章介绍了e p o n 的相关理论和关键技术。我们可以看出e p o n 与以太网的 高兼容性、高带宽、低成本、高安全性和网络建设成本低是e p o n 网络的优势所 在，青岛有线综合考虑了自身网络情况，最终选择了e p o n 技术，最大限度的利 用了已有的网络资源，建设了青岛有线e p o n 宽带i p 城域网，整个网络自建成以 来整体运行效果良好。 1 0 e p o n 技术在有线电视网络中的应用 第3 章有线电视网络用户需求分析 3 1 青岛有线电视传输网介绍 青岛市地处山东半岛南部，位于东经1 1 9 。3 07 1 2 1 。0 0 ，、北纬 3 5 。3 5 3 7 6 0 97 ，东、南濒临黄海，东北与烟台市毗邻，西与潍坊市相连， 西南与日照市接壤。全市总面积为1 0 6 5 4 平方公里，其中青岛主城区含市南区、 市北区、四方区、李沧区及崂山主城区，面积2 4 6 8 5 平方公里，约有6 3 万户居 民。 青岛有线电视传输网始建于1 9 9 2 年。目前己建成覆盖市区的8 6 0 m h z h f c ( h y b r i df i b e r - c o a xn e t w o r k ，光缆同轴混合网) 宽带接入网；连接远郊五市二 区( 即墨、莱西、平度、胶州、胶南五市与城阳、黄岛二区) 的s d h ( s y n c h r o n o u s d i g i t a lh i e r a r c h y ，同步数字传输体制) 环形骨干传输网；具有2 3 个分站点的 a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，异步转移模式) 综合业务网；市区具有1 6 个分站点的1 5 5 0 n m 数字模拟双环网以及6 2 2 m b s 的s d h 数字传输网，自1 9 9 8 年开始，青岛有线开始在全国广电系统首家进行f h c 网络的双向改造，同时开始 建设c m ( c a b l em o d e m ，电缆调制解调器) 双向数据传输系统。青岛有线电视网 络中心i s p 综合服务平台，将各种数据由a t m 综合业务网传输至分布式c l d t s ( c a b l em o d e mt e r m i n a ls y s t e m ，电缆调制解调器终接系统) 前端，然后高速数 据业务通过1 5 5 0 二环网、有线电视h f c 网传输，在用户端通过c m 终端连接千家 万户，提供5 1 2 ，1 0 2 4 ，2 0 4 8 k b p s 等速率的双向数据业务，解决了各种综合布线 或重新铺设电缆等问题，在当时是业界公认的信息高速公路最后一公里的最佳接 入方案。 2 0 0 5 年8 月，青岛有线在国内率先开展了ep on 宽带ip 城域网络的建 设，目前已基本完成了城区用户的覆盖，全市范围内已开通1 2 0 0 个e p o n 接入小 区，实现覆盖5 0 万户。 青岛有线传输网现在服务区内设立的1 6 个分前端机房分别是广电中心、贮 水山、李山东路、西藏路、河南路、莱芜二路、龙潭路、澄海三路、镇江路、伊 1 2 e p o n 技术在有线电视网络中的应用 春路、浮山后、人民一路、永平路、九江路、金岭路、楼山后分前端机房，每机 房覆盖3 5 4 万用户。青岛有线分布式传输机房设置及其传输覆盖范围具备通信 网的特征，适合开展面对普通居民的宽带i p 接入业务。青岛有线传输机房情况 见表1 。 表1青岛有线现状传输机房情况一览表 机房面积 序号机房名称 地址备注 ( m 2 ) 1 广电中心宁夏路2 0 0 号 7 0 0产权办公楼 2贮水山辽宁路2 8 0 号2 0 0 产权办公楼 3金岭路金岭路3 7 号2 4 0 产权办公楼 4西藏路西藏路4 1 号1 11 6 3 商品网点房 5河南路河南路7 0 号2 2 0 2 6 商品网点房 6莱芜