RFoG关键技术研究及应用.doc

浙江省广电科技股份有限公司浙江省有线数字电视网络技术重点实验室郑新源王玩球摘要：本文介绍了 RFoG 网络架构、网络优点，特别对 RFoG 关键技术光突发模式技术进行了深入分析，对如何利用 RFoG 关键技术进行双向网络改造作了进一步探讨。关键词：RFoG 光突发模式 HFC 无源全光网双向网络改造RFoG 简述在把一些研究成果共享给大家，以供参考。RFoG 是一种深度光纤网络，它用单纤无源光网 络传输代替了 HFC 网络中的同轴电缆电传输部分。 下行、回传传输采用不同波长波分复用同一根光纤， 典 型 如 下 行 用 1550nm 波 长 ， 回 传 用 1310nm 或1610nm 波长。回传使用 1610nm 波长可使光纤通过波 分复用同时支持标准的 PON 系统，PON 系统的下行 使用 1490nm 波长，回传使用 1310nm 波长。如图 1 所 示。在 RFoG 技术网络上正向通道与传统 HFC 网络1现在国内基于有线的双向接入网技术有传统的HFC 双向网、EPON+EoC 或 EPON+LAN 等。HFC 双向 网存在回传汇聚噪声、带宽瓶颈等问题，采用 EPON+ EoC 或 EPON+LAN 就要铺一张新网，成本较高。有没 有新的接入网技术呢？RFoG 网络技术，或许是一种不 错的选择。我们从 2008 年开始立项对“基于 CMTS 系 统的 RFoG 关键技术”进行研究，取得了一些成果，该 研究项目获得广电总局 2010 年科技创新三等奖。现图 1 RFoG+PON 网络201 2 年第 2 期（总第 266 期）19有线电视技术CATV 双向网表1完全相同，采用广播式传输业务，根本性区别在回传通道上。在回传通道上，RFoG 光节点的反向光发射工 作在“突发”模式上，采用和 CMTS 相同的时分复用技 术（TDMA）来控制光节点反向光发射的“突发”，从而 达到在任一给定的时点，只允许一个光节点与 CMTS 头端保持通讯。CM 不发送回传信号时，用户端的反向 激光发射机处于关断状态，只在 CM 发送回传信号时 才打开光发射机。足 CMTS+CM 系统的应用？下面做一详细叙述。如图 2 所示，RFoG 光节点中回传电路由 4 部分 组成。回传信号放大电路放大射频信号，传给回传光 发射电路实现光调制信号输出。回传信号检波电路对 输入射频信号进行检波测量，产生相应的电压值输 出。激光器光功率控制电路根据输入的电压高低控制 回传光发射电路工作；即根据输入电平的高或低，判 断该信号是数据传输信号还是噪声信号，从而去控制 回传激光器的开通和关断。RFoG 网络优点2（1）点对多点回传光传输网络架构。HFC 光网络部分，一个回传光发射机对应一个回传光接收机，以 点对点的网络拓扑进行光信号传输。RFoG 光网络部 分，由于采用光突发模式工作，多个回传光发射机可 经过光混合后以一根光纤传输，对应一个回传光接收 机，以点对多点的网络拓扑进行光信号传输。这就使 得 FTTH 光纤到户接入用户端成为可能。（2）屏蔽回传汇聚噪声。基于 CMTS/CM 系统采用 时分控制技术（TDMA），一个 CMTS 端口所连的所有 CM 中，任意时点只有一个 CM 向 CMTS 发送数据。即 在 RFoG 网络中任意时点只有一个 RFoG 光节点的反 向光发射机工作，产生光信号传输，其它光节点的反 向激光发射机处于关断状态。回传到 CMTS 的用户端 噪声就只有一个工作的反向光发射机传回的噪声。这 样在 HFC 网络中难以对付的回传汇聚噪声，在 RFoG 网络中就得以彻底的屏蔽。下面我们构建 1 个分前端带 32 户的 FTTH 接入 网模型，分别用传统 HFC 双向技术和 RFoG 技术，进 一步说明在网络架构和回传噪声方面差异。详细数据 如表 1 所示。图 2如图 3 所示，回传射频电平/激光器输出光功率 对应关系。图中 T1 指激光器开通时延；T2 指激光器 关断时延；P1 指激光器关断光功率；P2 指激光器开通 光功率；U1 指射频输入开通电平；U2 指射频输入关 断电平。激光器开通时延，时延时间不能太长，否则会产 生数据丢失，导致通信失败。根据 DOCSIS 标准中数 据分发时隙特性的要求，突发模式上行光发射的开通 时延必须1.3s。激光器关断时延，时延时间不能太长，否则会导 致某个激光器尚未关断，另一个激光器又已开通，导 致同一时点有 2 个或多个光信号同时在同根光纤中 传输，产生不可容忍的光噪声，最终导致通信失败。根 据 DOCSIS 标准中数据分发时隙特性的要求，突发模 式上行光发射的关断时延必须1.6s。激光器开通光功率，根据网络设计需要可选。一 般回传 DFB 激光器功率范围在 06dBm 之间。激光器关断光功率，标准要求-30dBm。射频输入开通电平，根据网络设计需要可选，范光突发模式技术分析3显然，回传通道的光突发模式传输是 RFoG 关键技术所在。光突发模式到底是怎样的呢？如何才能满）20201 2 年第 2 期（总第 266 期FTTH 网络对比项目HFCRFoG分前端：1 个 CMTS 用户端：32 个光节点 户均噪声：N1 dB网络架构32 个光节点32 根光纤到分前端32 个回传光接收机32 个光节点1 根光纤到分前端1 个回传光接收机1 个 32 路光混合器回传噪声N 总=N1+10log32=N1+15dBN 总=N1 dB有线电视技术CATV 双向网图3围在 6090dBV 之间。射频输入关断电平，根据网络设计需要可选，一 般比射频输入开通电平低 1030dB。这一点很重要， 因为在实网数据传输过程中，由于信号调制方式、数 据组包大小、网络环境变化等原因，射频电平值会在 一定范围内变化。当输入射频电平值处在通断电平阈 值附近时，高于阈值激光器开通，低于阈值激光器关 断，于是激光器会频繁通断，导致数据传输不正常，出 现丢包或断线现象。 关断电平比开通电平低 10 30dB，即从开通到关断有一段过渡电平范围，从而能 保证基于光突发模式的上行信号传输更稳定。目前市 场上绝大部分产品都做不到这一点。我们对国内外 10 余种 RFoG 双向光节点进行对 比测试，光突发模式关键指标归纳一下，大致有 5 种 情况，如表 2。第 1 种是完全符合光突发模式技术标准要求的 结果。第 2、3、4 种开通电平和关断电平为同一值。第3 种开通时延 6s 和关断时延 8s 达不到标准要求， 这种产品在 DOCSIS1.0 版本的系统中使用没什么问表题，在 DOCSIS3.0 版本的系统中就不能正常使用。第5 种产品贴了 RFoG 的标牌，其实就是连续光发射的 传统光节点，属于挂羊头卖狗肉的假冒产品。第 4 种 产品开通时延、关断时延都很长，关断光功率也很大， 居然在市场上有一定的流通量，令人纳闷。通过进一 步测试分析后才知道内中玄机。分析如下：激光器开通时延 20s、关断时延 30s，按理在DOCSIS 系统中是无法正常通信的。当此产品的回传光发射处于关断状态时，实际上 还有-15dBm 的光信号产生。此时在回传光接收机端 解调出的射频信号和回传光发射光功率 0dBm 时在 回传光接收机端解调出的射频信号幅度居然差不多。 原因在于当光功率从 0dBm 变为-15dBm 时，激光器 的偏置电流变小了。根据光调制度公式可知偏置电流 越小，光调制度越大，故在回传光接收机端解调出的 射频信号幅度也相应增加。光调制度公式：m= 姨姨 2 (10(SI-60)/20 )/75 姨/(I -I )bthSI 表示激光器输入电平，Ib 表示激光器偏置电流，Ith 表示激光器阈值电流。2201 2 年第 2 期（总第 266 期）21序号开通时延关断时延开通光功率关断光功率开通电平关断电平11s1.5s0dBm-35dBm70dBV60dBV21.2s1.5s-3dBm-32dBm68dBV68dBV36s8s0dBm-33dBm72dBV72dBV420s30s0dBm-15dBm75dBV75dBV5-2dBm-有线电视技术CATV 双向网图4图5于是不论处于开通状态还是处于关断状态，信号和噪声都毫无保留的传到 CMTS 端，射频角度看类似 于普通光节点的功能，使得 CM 和 CMTS 能正常通 信。但是这种光节点是不能使用的，因为一方面采用 点对多点网络架构时，-15dBm 的光信号强度还是太 大 （32 个-15dBm 的光信号混合后的光功率为 0dBm 左右，和开通光功率 0dBm 大小相当），足以产生过量 的光噪声，影响正常通信；另一方面无论是开通状态 还是关断状态，噪声都毫无保留的传到 CMTS 端，汇 聚噪声没有得到减弱或消除。减少、回传光传输网络架构从点对点模式升级到点对多点模式，是 RFoG 网络技术的两大革命性改进。如 何在现有的双向网络改造中充分利用这两大优点呢？ 如图 4 所示，双向网改造中应用 RFoG 技术的典 型网络框图。原有的光工作站布局不变，把光工作站中 的普通回传光发射模块替换成突发模式工作的回传光 发射模块。新建小区采用光纤到楼或光纤到户方式，光 纤到楼方式采用高电平输出的突发模式双向光接收 机，光纤到户方式采用低功耗的突发模式双向光节点。各光节点回传光纤在前端由光混合器混合后传给回传 光接收机，回传光接收机再连接一个 CMTS 回传端口。 这样，一个 CMTS 回传端口下联的所有光节点的回传 信号都采用突发模式，屏蔽了各光节点的汇聚噪声，回 传噪声得到极大改善。回传光接收机-光混合器-光节 点采用点对多点连接方式，一台回传光接收机可连多 台光节点，减少了回传光接收机的使用数量。（下转第 25 页）光突发模式技术在双向网络改造中的应用4在我国现行的有线电视双向网络改造中，一步到位升级到光纤到户的 RFoG 网络，显然是不现实的。如上所述，采用回传光突发模式传输使汇聚噪声显著）22201 2 年第 2 期（总第 266 期有线电视技术CATV 双向网图 3 同一放大器两条回传损耗不等采用非零增益设计图示是绝对不能的，对于同一条回传链路上的用户回传损耗相差不太大的情况下，为保证放大器与光工作站回 传输入端口的功率密度均为 13dB/Hz，可采用提高（或降低）CM 发射电平来实现。计算过程略，其结果见 图 2。（3）对于不同回传支路链路损耗相差较大的情况 下，为保证放大器与光工作站回传输入端口的功率密 度均为 13dB/Hz，可采用回传步进式衰减器或采用非 零增益来解决。计算过程略。其计算结果见图 3。从图 1图 3 光工作站回传输入信号电平均用：13dBV/Hz、75dBV/1.6MHz、89.5dBV/45MHz，三个 量。那么是否对光工作站回传输入电平有统一的要 求？回答是肯定的，到目前还没有一个统一标准。光站 的回传端口输入总功率是人为规定的，行业内人士根 据双向系统的网络结构和反向放大器的输出电平以 及环境噪声大小等诸多因素，取一个经验值：88 dBV/35MHz，即加载总带宽为 35MHz 时，光站端口 的输入总功率应为 88dBV（28dBmV），这时光站回传 输入端口的功率密度=88dBV -10lg35MHz =88 -75 =13dBV/Hz。1.6MHz 信道带宽功率：13dBV/Hz+10lg1.6MHz=13dBV/Hz+62dB=75dBV/1.6MHz3.2MHz 信道带宽功率：13dBV/Hz+10lg3.2MHz=13dBV/Hz+65dB=78dBV/3.2MHz这里应特别注意：在使用光站端口的输入总功率 经验值时，一定要清楚加载带宽是多少，如果设计规 划的回传通道总带宽与经验值加载总带宽不同时，信 道电平（功率）是不一样的。光站端口信道电平=光站端口输入总功率-10lg加载带宽当光站端口输入总功率为 88dBV 时，分别求出 规划加载带宽为 45MHz、25MHz，信道带宽为 1.6MHz 时，光站端口的信道电平（功率）。加载带宽为 45MHz 时：信道电平 （功率）=88dBV-10lg （45/1.6）=88 -14.5=73.5dBV加载带宽为 25MHz 时： 信道电平（功率）=88dBV-10lg（25/1.6）=88dBV-12dB=76dBV蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉（上接第 22 页）可在双向网络各节点充分、灵活应用 RFoG 的点 对多点网络架构。如图 5 所示，可在光工作站节点处 增设光混合器，把附近的双向光接收机的回传光信号 进行混合后再传给前端，这样就可节省远距离传输光 纤资源。同理，也可