面向EPON的DOCSIS EoC解决方案.doc

面向EPON的DOCSIS EoC解决方案关键字: EPONDOCSISEoC以太网有线电视由于中国市场竞争压力越来越大，而且市场在向三网合一业务演进，因此中国的有线电视运营商正在为最后100米接入寻求基于标准的、既经济又能适应未来变化的技术解决方案。上述需求的主要原因是，需要以更大的带宽传输互联网内容、视频和话音业务数据包。目前的解决方案涉及各种不同的、通常被称为“同轴电缆以太网(Ethernet over Coax，简称EoC)”的技术。这类解决方案是特定于厂商的，因而无法实现不同厂商设备之间的互操作性，并且不提供针对诸如话音等实时业务实现服务质量(QoS)的标准化方法。DOCSIS为通过有线电视网提供各种业务提供了一种标准化技术，因此在系统提供商的设备之间实现了强大的互操作性，该技术还提供了各种非常有效的QoS方法，可确保在网络拥塞时仍然能传送数据包。 本文概述了中国有线电视运营商如何用DOCSIS技术实现 EoC解决方案。本文提供的解决方案利用EPON网络的各种特性、跨光缆/同轴电缆提供QoS连续性，同时利用这些特性还使该解决方案能实现与今天的EoC解决方案相媲美的经济性。 市场驱动力 中国的有线电视运营商正在经历着巨大的结构性转变，正在进行省际合并和业务扩展。中国政府已经制订了“下一代广播电视网(NGB)”计划，作为这个计划的一部分，最近指定了12个城市为三网合一业务以及新一代架构的试验地点。这个计划的目标是，建立中国最先进的、广播电视网络，促成电信、互联网和有线电视网络的融合。 预计这项计划在未来几年内将使有线电视运营商大幅增加资本支出，因为这些运营商急于升级网络。在有线电视运营商以经济实惠的方式为中国消费者建设网络的过程中，资本支出的主要去向将是部署创新性网络架构。 在中国的大型城市中，大多数三网合一业务的用户都居住在多住户大楼(多住户单元或MDU)中，通常每栋楼房或楼群的居民数不超过500人。一般用光缆为这类大楼提供服务，并采用几种“最后100米”技术的其中一种，这些技术要利用大楼的竖井来实现。这几种技术包括光缆、双绞线、以太网和同轴电缆，如图1所示。有线电视运营商一般可以使用竖井中的同轴电缆，而且愿意选择用这种电缆提供服务。 图 1：多住户单元可选用的最后100米技术。目前还有几种技术能通过有线电视网实现双向业务，其中包括几种专有和特定于厂商的技术，一般统称为EoC。不过，运营商通常喜欢以基于标准的方式使用有线电视网，因为这可确保厂商之间的互操作性，并可降低成本，因为设备供应商在开发产品时可以从规模经济中受益。DOCSIS(Data Over Cable Systems Interface Standard)和EuroDOCSIS这两种标准定义了有线电视网上的双向业务。DOCSIS还提供必要的服务质量(QoS)工具，以在网络拥塞时确保话音通话连接，因为人们预料三网合一网络会出现拥塞。在过去十二年中，全球每年都部署了数百万台DOCSIS调制解调器，这证明，就话音、视频和IP视频业务而言，DOCSIS是一种可靠和成熟的技术。 不过，DOCSIS的设计初衷是，在通常由数千个用户组成的网络中、以有限的带宽支持不完全确定的RF环境。在共享的有线电视网上，对用户的管理和判优是由“有线电视调制解调器终端系统(CMTS)”完成的。尽管就提供双向有线电视业务而言，CMTS可能相当经济实惠，但是它的成本必须分散在成千上万的用户身上，这样才能与现有EoC解决方案的这类成本持平。对于不超过200个用户的多住户单元设施而言，用传统的商用CMTS提供服务，从成本上来看是不可行的。 本文将探讨一种新的称为DOCSIS EoC的创新方法，这种DOCSIS EoC可用来在中国的多住户单元中部署DOCSIS技术。这种方法利用现有的EPON光终端设备(OLT)、通过有线电视网提供双向业务，而且其成本可与非标准的EoC解决方案相媲美，同时提供高达400Mbps的速率。 DOCSIS EoC是一种独特的适合中国市场的解决方案。它可以利用中国开发的EPON标准，专门针对中国的基础设施要求以及中国的新一代融合需求，将DOCSIS定制为“最后100米”解决方案。 DOCSIS EoC解决方案与技术概述 DOCSIS EoC架构利用DOCSIS MAC/PHY层技术和EPON网络单元实现一种经济的、可利用中国多住户单元(MDU)中DOCSIS用户端设备(CPE)的解决方案。主要的网络单元如图2所示。 图 2：针对EPON网络架构的DOCSIS EoC。光网络和有线电视网络协议栈如图3所示。EPON光线路终端(OLT)在宽带网络的WAN一侧提供数据包入口/出口，并利用图3中光网络协议栈部分所示的EPON协议栈为通向多住户单元的光缆服务。在多住户单元大楼中，为了通过大楼竖井中的同轴电缆传输射频(RF)信号，“同轴电缆媒体转换器(CMC)”提供从EPON到DOCSIS域的桥接功能。DOCSIS协议终止于用户所处位置，用户可采用标准的、现成有售的、通过DOCSIS认证的“有线电视调制解调器(CM)”，还可采用“嵌入式多媒体终端适配器(EMTA)”或含有嵌入式DOCSIS调制解调器(支持DOCSIS机顶盒网关(DSG)协议)的机顶盒。CMC设备负责利用嵌入式“光网络单元(ONU)”终止EPON协议，并利用有线电视调制解调器终端系统设备中的DOCSIS MAC和PHY层技术发起DOCSIS协议。为了实现经济实惠的目标，有必要利用光线路终端(OLT)已有的功能，并仅选择必要的、最先进的DOCSIS功能，以确保已认证的DOCSIS用户端设备的调制解调器和机顶盒(STB)正确运行。具体用到的光线路终端功能包括数据包分类和开关功能，这些功能给数据包附上优先级标记，并指示将数据包发送到CMC的哪一个端口。 图 3：面向EPON的DOCSIS同轴电缆以太网协议。这些网络单元可以利用与符合中国“操作、管理、维护(OAM)”标准的第三方“网络管理系统(NMS)”来部署和管理，或者反过来利用DOCSIS“命令行界面(CLI)”的指令来部署和管理。 CMC支持DOCSIS 3.0和DOCSIS 2.0运行，但为了降低成本没有包括以下各项功能在内。 1.MAC层 有效负荷报头抑制(PHS)：PHS通过先抑制IP数据包TCP部分的字段、然后在接收器端重新插入这些字段，来提高网络效率。PHS是在DOCSIS 1.0中引入的，其设计初衷是服务于上行和下行带宽可能受限的网络。随着DOCSIS 2.0和DOCSIS 3.0设备条件的改善和带宽的增加，PHS的好处大大减少。此外，PHS仅对运营商自行管理的业务有用，即运营商明确设定的单项业务。目前，这种业务基本上意味着话音业务，而且话音带宽在总带宽中所占百分比越来越小，因此提高效率的优势没有以前那么突出了。 运用“高级加密标准(AES)”的“基本保密接口(BPI)”：AES是一种加密方式，是为实现BPI而加入到DOCSIS 3.0中的。DOCSIS 2.0运用“数据加密标准(DES)”密码实现BPI，而CMC将使用DES，以降低MAC层的成本。 逻辑信道：DOCSIS 2.0增加了逻辑信道模式，以使ATDMA和SCDMA PHY在相同的物理信道上运行。DOCSIS EoC CMC仅支持SCDMA模式，因而无需逻辑信道。 2.PHY层 ATDMA：DOCSIS 2.0和DOCSIS 3.0标准运用“同步码分多址(SCDMA)”和“高级时分多址(ATDMA)”模式实现PHY层传输。SCDMA是一种先进的PHY技术，在DOCSIS 2.0中增加这种技术是为了在信道条件不那么理想的电缆线路上进行RF传输。尤其是，SCDMA能减轻电缆线路上的脉冲噪声，而这类噪声有可能通过电吹风、微波炉等常见的家用电器注入用户端设备。而ATDMA在有脉冲噪声的情况下表现不是很好。因此，CMC将仅支持SCDMA模式，以最大限度地利用多住户单元大楼竖井中的同轴电缆运行。 DOCSIS EoC的RF传输 1.上行PHY 如前文所讨论的那样，DOCSIS EoC采用了DOCSIS、SCDMA中所用的最先进的PHY层技术。DOCSIS EoCSCDMA在上行链路中还支持256QAM模式，这种模式在6MHz信道中提供40Mbps线路速率，该速率比64QAM模式提高了33%。此外，SCDMA采用正交码，以提供可靠的有线电视调制解调器传输。 今天的短促脉冲串接收器运用强大的DSP实现复杂算法，这些算法利用SCDMA正交码减轻电缆设备上的突发噪声和脉冲噪声。图4显示的是，与ATDMA接收器以及DSP能力不足、无法利用SCDMA编码减轻噪声的常规SCDMA接收器相比，Broadcom BCM3141 DOCSIS EoC短促脉冲串接收器burst reciever减轻噪声的特性。 图 4：SCDMA在有脉冲噪声的情况下运行。正交编码还允许SCDMA在有非常强的侵入噪声的情况下运行。通过有选择地采用某些代码，SCDMA可以同时检测和避开窄带与宽带侵入噪声。这种技术称为“可选择的主动编码(SAC)”，它是DOCSIS用户端设备的一个标准，允许来自多个厂商的设备在有侵入噪声的情况下运行。 作为这种技术的一个例子，图5显示了频谱分析仪从一台真实的电缆设备中捕捉的频谱图，点状线构成的长方形围住的部分是侵入噪声最严重的情况。 图 5：电缆设备上的侵入噪声。这个侵入噪声加到BCM3141 DOCSIS EoC短促脉冲串接收器上，并与 64QAM、5M符号/秒调制解调器传输进行连接。如果不用“可选择的主动编码(SAC)”，那么那一片星座图就无法恢复，如图6图所示。 图 6：有侵入噪声的常规SCDMA。不过，在接收器上启动SAC以后，侵入噪声就减轻了，而且64QAM星座图能以足够的信噪比(SNR)恢复出来，从而实现了无误差运行，如图7。 图 7：有侵入噪声时DOCSIS同轴缆SCDMA的运行2.下行PHY DOCSIS EoC还以1024QAM(美标DOCSIS)模式支持一种先进的下行传输模式。这种传输模式在6MHz的下行信道中提供50Mbps的线路速率，相比256QAM模式有25%的改进。1024QAM星座图如图8所示。 图8：DOCSIS同轴缆以太网1024 QAM星云。MAC层QoS技术 DOCSIS EoC为端到端QoS提供两级解决方案。DOCSIS MAC针对每个用户、每种业务同时为上行和下行方向提供调度和整形。通过单独控制和监视客户业务，运营商可以为视频会议、虚拟专网、网络备份等各种应用提供互联网之外的增值连接。在PON上，客户业务分成组，并给每组分配有保证的带宽和通过PON的延迟参数。DOCSIS同轴线线缆以太网和CMC在两个QoS域之间提供桥接，如图9。 图9：EPON至DOCSIS的QoS变换。1.DOCSIS服务质量 DOCSIS标准定义了一种经过实用验证的QoS方法，即利用业务流量标识符、针对每个客户和每种业务单独调度数据包。利用这种DOCSIS中提供的QoS方法，CMC可以针对每个客户和每种业务提供服务级别协议。CMC可以针对每种业务监视任何用户的性能。业务可以通过静态配置建立，或动态地基于运营商的要求建立。业务流一旦建立，那么除了上行和下行方向的延迟限制，还拥有最小带宽保证和最大带宽限制。CMC提供准确的整形，这减少了网络对昂贵的流量管理设备的需求。利用多个业务流和嵌入式流量管理，运营商可以在轻负载或超负载网络中提供高质量的三网合一业务。 因为DOCSIS在上行和下行方向均采用频分多路复用(FDM)，所以通过标准QAM或DOCSIS IP视频提供视频业务是可能的。不间断的下行FDM，和针对视频点播，组播，单播视频的隔离的业务流为高质量视频入户提供了保障。而半双工的EoC系统难以向家庭提供高质量视频，因为多个发送器存在争用延迟。2.EPON服务质量 以太网PON(EPON)允许多条逻辑链路在上行和下行方向实现业务隔离。DOCSIS EoC系统运用多条“逻辑链路标识符(LLID)”来隔离在同轴电缆网络上提供的业务。可以设定逻辑链路上的服务合约，以保证满足CMC上业务流的带宽和延迟要求。因为EPON调度程序是节约工作型的，所以在有保证的业务上未使用的带宽将重新分配给其他业务。 网络管理 DOCSIS EoC系统的一个关键特点是PON和DOCSIS的融合式管理。整个系统可以用常见的界面和定义通过EPON OAM规则来管理。与其他解决方案不同，该系统不需要对每一个有线电视调制解调器或每一个CMC进行IP管理。集成到单一的管理降低了成本，并简化了网络分析。 1.CMC网络管理变换 CMC在IEEE、CCSA等定义的802.3以太网OAM规则和有线电视调制解调器上的DOCSIS管理规则之间提供变换。因为CMC提供管理变换，所以可以用单一网络管理系统(NMS)来控制光线路终端(OLT)、FTTH光网络单元(ONU)和DOCSIS有线电视调制解调器。不需要DOCSIS管理系统来管理DOCSIS系统，而PON 网络管理系统(NMS)管理PON网络。在DOCSIS EoC中，EPON网络管理系统或具有“DOCSIS媒介层(DML)”的光线路终端可用来全面管理所有单元。 CMC将响应IEEE和其他标准团体定义的以太网“运营、管理、维护(OAM)”规则。CMC将本地化有线电视调制解调器所需的管理，包括IP地址、SNMP MIB和配置文件的TFTP等的管理。管理域的桥接允许CMC显示PON和DOCSIS网络的标准兼容管理界面。 2.FTTH光网络单元和DOCSIS EoC多住户单元 DOCSIS EoC的设计允许与光纤到户(FTTH)光网络单元(ONU)共存，同时仍然保留标准DOCSIS有线电视调制解调器的管理界面。图10规则的DOCSIS EoC管理显示，光线路终端、光网络单元、CMC和有线电视调制解调器在单一网络体系中都是可见的。有线电视调制解调器和光网络单元由相同的配置属性控制，以像一个光网络单元那样提供VLAN交