有线电视网络双向改造中的EoC技术.doc

中国有线电视 2009 ( 10 ) CH INA D IG ITAL CABL E TV 热点关注 中图分类号 : TN943. 6文献标识码 : B文章编号 : 1007 - 7022 ( 2009) 10 - 1015 - 06有线电视网络双向改造中的Eo C 技术唐明光 (中国广播电视协会技术工作委员会 ,北京 100866 )摘要 :主要对有线电视网络双向改造中应用 EoC 技术对网络环境要求 、各种 EoC 技术的现状及与EoC“白皮书 ”要求的差距进行描述 ,最终提出使用 EoC的建议。关键词 : EoC; WAN; MoCA; Hom eP lug; Hom ePNAEoC Techn o logy for B id irec t iona l Tran sform a t ion of CA TV Ne t workTAN G M ing2guang( Techn ica l Comm ittee of Ch ina B roadca st Te levision A ssoc ia tion, B e ijing 100866 , Ch ina)A b stra c t: Th is p ap e r p re sen ted the ne two rk su rround ing requ irem en ts, the p re sen t situa tion of EoC techno logy and the d isp a rity dem anded by the W h ite Pap e r. Then it p u t fo rwa rd the op e ra tion p ropo sa l.Key word s: EoC; WAN; MoCA; Hom eP lug; Hom ePNA1 概述由广播电视规划院牵头的“有线电视网络宽带接 入技术工作组 ”制定并颁布了面向下一代广播电视网电缆接入技术 ( EoC )需求白皮书 (以下简称“白皮书 ”) 。该白皮书描述了基于电缆接入技术 ( EoC ) 的 有线电视宽带接入网系统结构、业务类型和应用场景 , 从信道带宽需求、物理层需求、MAC 层需求 、以太网支持能力需求 、系统接入能力需求 、带宽管理需求、安全 需求、网络及设备管理需求 、互通性需求、扩展性需求 、 组网需求以及接入设备需求等多个方面规范了面向下 一代广播电视网的电缆接入技术 ( EoC ) 。H FC有线电视网络是以光纤为干线的光纤同轴电缆混合网。H FC 有线电视网络双向化改造包括双 向接入光纤网改造和用户接入改造两部分。双向接 入 光 纤 网 改 造 , 采 用 以 太 无 源 光 网 络( EPON )技术具有拓扑结构简单、设备成本低等特点 ,并且其网络拓扑结构与 H FC 网光纤网部分的拓扑结 构相类似 ,因此在现有 H FC 网络中采用 EPON 技术 ,不需要对现有 H FC网络进行大幅度改造 ,仅需要在原来的 H FC光网络上作相应的配置 ,即可在较短时间内 完成网 络的双 向改 造。由于 EPON 是为光 纤到 户 ( FTTH )设计的实现方案 ,在中国 ,光纤入户的价格还不足以广泛地被接受的情况下 , EPON 采用光纤到楼 ( FTTB ) 、五类线或同轴电缆网络入户的解决方案是双 向接入光纤网改造的优选方案。在五类线入户和同轴 电缆入户二者之间的选择 ,笔者一贯认为凡是能用五 类线解决的 ,优先采用五类线入户 ,对于新建网络尤其如此。对于已改造网络或者用户拒绝采用五类线入户 的情况 , EPON 光网络和同轴电缆入户技术一起构成 有线电视宽带接入网 。作者简介 :唐明光 ( 1937 2 ) ,男 ,电子科技大学教授 ,中广协会技术工作委员会理事 , E - m a il: m gtang 263. ne t。2 EoC 技术对网络环境要求2. 1 什么是“EoC”EoC源于欧 洲一 些厂家 , 原文 是“E the rne t ove r Coax”,也就是以太网信号在同轴电缆上的一种传输技 术 ,原有以太网络信号的帧格式没有改变 ,称之为“无源 EoC ”。“无源 EoC”本文不作描述 。 现今涌现出很多将以太网络信号经过调制解调等复杂处理后通过同轴电缆传输的技术和解决方案 ,也 被称之为“E the rne t ove r Coax”, 但是与原始所述的 “EoC ”有非常大的差别 ,同轴电缆上传输的信号不再保持以太网络信号的帧格式 ,严格地从技术的角度讲 是不可称之为“EoC ”的 。这类技术主要有以下 4 种 : Hom ePNA ove r Coax、Hom eP lug ove r Coax、W iF i ove r Coax、MoCA - M u ltim ed ia ove r Coax A lliance。我们总 称之为“有源 EoC ”或“调制型 EoC”。2. 2 EoC基本工作原理及对网络环境要求广电城域网的接入网采用 EPON 到楼的结构时 , ONU 输出的以太网信号如何入户就成为需要解决的 问题。通常 ,解决方案有两种 :( 1 )多个用户共用一个 ONU ,五类线入户方案 该方案有两种实现方法 :采用多用户输出端口的 ONU在光分支比 1 32 情况下 ,一个 ONU 平 均带宽 32 M bp s,一个 8 /16 /24 端口 ONU 可 供 8 /16 /24个用户共享 32 M bp s,按同时使用 率 50 %计算 ,每个用户平均带宽分别为 ( 8 /4 /2. 5 ) M bp s。ONU 每个输出端口 ( RJ45 )用 五类线直接接入用户。由于此类 ONU 价格 较高 ,一般供高端用户使用 。采用单用户输出端口的 ONU在 ONU 输出端口接以太网交换机 ,多个用户共享 一个 ONU ,用五类线直接接入用户 , 接入的用户数与以太网交换机端口对应 。由于此类 ONU 价格较低 ,一般供低端用户使用。( 2 )多个用户共用一个 ONU ,同轴电缆入户方案 这种方案的实质是将五类线上的以太网信号对R F载波进行调制 ,使其能在同轴电缆中传输 。这种方 式称为调制型 EoC。2. 3 调制型 EoC工作原理及对网络环境要求调制型 EoC的头端将 ONU 输出的以太网数据信 号对射频载波 (该射频载波的频率与有线电视频谱不重叠 )进行调制 , 已调制的射频载波与有线电视射频 信号在 EoC头端频分复用后 ,输入同轴分配网传输到用户。用户的上传数据信号在 EoC的用户端设备 EoC - Modem 对上行射频载波进行调制后 ,通过同轴分配网 上传到有源 EoC的头端 ,在此解调为数据信号输出到 ONU ,再由 EPON 系统完成数据上传。现有的调制型 EoC ,由于不同生产厂家采用的调 制技术不同而有多种产品 ,按调制载波频率又可以分 为高频调制和低频调制两大类。高频调制 EoC采用标准的 W iF i、MoCA 技术以及 非标准的如雷科通 B IOC技术 。低频调制 EoC 采用标准的 Hom eP lug 或 Hom ePNA 技术以 及非标 准 的 如H3C EPCN 技术 。( 1 )采用 WLAN (W iF i)的 EoCWLAN 的优点 :价格低 、标准化程度高 ,越来越多 的终端内置了 WLAN 模块 。WLAN 采用 O FDM 调制 技术 ,动态范围大 、抗多径干扰 ,因此十分强壮。WLAN 的缺点 : 频率高 ( 2. 4 GH z) 、损耗大 , 如果 有线入户 ,同轴分配系统的无源器件需要更换 。布线 长时不能保证可靠通信 。W iF i系统的典型应用如图 1所示 。图 1 W iF i系统的典型应用采用 802. 11 g标准 ,物理层速率可达 54 M bp s,实 际吞吐量可达 22 M bp s。此类技术的优势在于 : W iF i 技术成熟 ,并且无源同轴电缆网不用进行集中分配改 造。使用该 EoC 对网络环境要求 : 无源同轴分配网的 无源器件需要更换成 2. 4 GH z的器件 ; A P、网卡均为 有源设备 ,网卡的安装更要费一番功夫 ,有一定的运维 成本 ; R F同轴电缆工作在 2. 4 GH z时 ,其损耗需要由 使用者自己测定 ,如果不能测定 ,则传输距离只能靠实 际摸索而定 。由于该技术对网络环境要求特殊 ,虽然有一些试 验系统 ,但很难大规模实际应用。为此 ,厂家开发出了W iF i降频的芯片 ,采用 A the ro s芯片生产出 EoC 系统中国有线电视 2009年第 10期唐明光 :有线电视网络双向改造中的 EoC技术产品。如雷科通公司的产品 , 工作频段 950 1 050MH z,每频道标称带宽 20 /40 MH z, 物理层标称速率108 M bp s,吞吐量达到 78 M bp s,调制方式 O FDM /m - QAM ,支持组播 , 支持对 MAC 地址的限制 , 但不支持 对 IP的限制 ,支持广播风暴抑制 ,单局端 (单模块 )支持最大终端数 256个 。W iF i降频的 EoC系统对网络环境要求 :因为系统 工作在 860 MH z以上 ,同轴电缆和无源器件的损耗都 比较大 ,必须考虑回传信号通过分支器时的损耗是否 超过容限 ;同轴电缆在 860 MH z以上的损耗 20 dB /100 m ,从主机到最远用户的距离必须限制在 100 m 以 内 ;如果信号要通过放大器 ,则放大器的带宽是否满足 要求特别重要 ,如果放大器的带宽不能满足要求 ,则需 要在放大器处加接桥接器。( 2采用 MoCA 技术的 EoC在 860 MH z以上的损耗 20 dB /100 m ,从主机到最远用户的距离必须限制在 100 m 以内 ; 如果信号要通过 放大器 ,则放大器的带宽是否满足要求特别重要 ,如果 放大器的带宽不能满足要求 ,则需要在放大器处加接 桥接器。( 3 )采用 Hom eP lug技术的 EoCHom eP lug (电 力 线 通 信 ) 技 术 近 来 发 展 很 快 , Hom eP lug AV 标准物理层速率已达到 200 M bp s,吞吐 量也达到 80 M bp s (理论可达 100 M bp s) 。它和 W iF i 的调制技术 、MAC层协议都很相似 ,但工作在低频段。将 Hom eP lug AV 用到同轴电缆网 ,称为 Hom eP lugAV ove r Coax。它工作在低频段 ,分为两个频段 : 230MH z /3462 MH z。每个频段使用 917个子载波 ,每个 子 载 波 单 独 进 行 B PSK、Q PSK、8QAM、16QAM、64QAM、256QAM 调制。采用 Tu rbo FEC 纠错 ,物理层 速率达到 200 M bp s,静荷 150 M bp s,实际吞吐量仅 100M bp s。Hom eP lug AV ove r Coax完整地借用 Hom eP lug协 议 ,只 是 修 改 前 端 耦 合 等 电 路 设 计 来 实 现。由 于 Hom eP lug AV ove r Coax 技 术 本 身 的 局 限 性 , 一 个 Hom eP lug AV ove r Coax设备头端支持的 CPE 最多为64个 ,而且随着 CPE 个数的增加 ,每个用户的带宽随 之降低。Hom eP lug AV 在同轴电缆上传输数据原理如 图 3 所示 。使用时对网络环境要求 :由于工作在 2 30 MH z /3462 MH z频段 ,必须注意回传信 号受汇聚噪声的影响 , 特别要注意个别用户家里的噪声对整个 Hom e2P lug AV 头端覆盖用户的影响 ,要像 在运行 Cab le Modem 系统一样 , 将 非数据用户用高通滤波器隔离 ; 对于串接分支分配器系统 , 需要进行 回传链路损耗均衡 。( 4 )采用 H PNA 的 EoCH PNA ( Hom e Phone line N e t2 wo rk ing A lliance ) 是国际上一些计 算机和半导体器件制造公司发起并利用 MoCA 技术开发出的EoC 系统称为 cL ink。使用工作频带因地区而异 , 如美国使用 860 1 550MH z,日本使用 7701 030 MH z。 我国生产的产品工作频段 975 1 025 MH z,一个频道占用带宽 50 MH z,物理层速率可达到 270 M bp s, 吞吐量达到 100 M bp s,调制方式 O FDM /QAM 自适应 , 支持组播 ,支持对 MAC地址的限制 ,但不支持对 IP的 限制 ,支持广播风暴抑制 ,单局端 (单模块 ) 支持最大 终端数 31 个。MoCA - EoC在同轴电缆上传输交互数 据原理如图 2所示。成立于 1998年的标准组织 ,其最初目的是利用现有电话线路 , 以类似图 2 MoCA - EoC在同轴电缆上传输交互数据原理示意图使用时对网络环境要求 : 与 W iF i降频的 EoC 系统对网络环境要求相同。即系统工作在 860 MH z以 上 ,同轴电缆和无源器件的损耗都比较大 ,必须考虑回 传信号通过分支器时的损耗是否超过容限 ; 同轴电缆于以太网的技术提供一种低成本高宽带网络的解决方案 ,现在已经发展到针对同轴电缆线路的解决方案。 Hom ePNA 3. 0是国际 ( ITU - T)标准 ( G. 9954 ) ,现已升 级到 3. 1版本。同业务的多等级服务 。H PNA 3. 0系统配置如图 4所示 。 使用时对网络环境要求 : 与 Hom eP lug AV ove rCoax的 EoC系统对网络环境要求相同。由于工作在 412 MH z、12 28 MH z、36 52 MH z频段 ,必须注意 回传信号受汇聚噪声的影响 ,特别要注意个别用户家里的噪声对整个 Hom ePNA 头端覆盖用户的影响 , 要像在运行 Cab le Modem 系统一样 ,将非数据用户用高 通滤波器隔离 ;对于串接分支分配器系统 ,需要进行回 传链路损耗均衡。图 3Hom eP lug AV 在同轴电缆上传输数据原理示意图采用Hom ePNAQAM / FDQAM 调制方式 ,FDQAM 增加了信噪比边 界 ,有较好的抗干扰性。 目前 Hom ePNA 系统主要工作在 3 个频段 : 4 12 MH z, 1228 MH z, 3652 MH z,其大部分频点可 以采 用 256QAM 调 制 技术 ,并可根据信道实际的SNR 要 求自适 应地 使 用128QAM、64QAM、32QAM、16QAM、8QAM。Hom ePNA 3. 0的覆盖能力及规划 , 主要依据为其 传输距离和带宽的分配。目前 Hom ePNA 3. 0 的传输 距离为 300 m (最大电平衰减 - 61 dBm ) ,带宽最大提 供 128 M bp s。根据实际测试结果 ,在 300 m 传输距离 的前提下 ,一般可以覆盖 23栋住宅楼。按照带宽分 配计算 ,每用户可提供最大吞吐量 90 M bp s; 考虑同时图 4H PNA3. 0系统配置3 “白皮书 ”对 EoC 规范了哪些技术需求及现有产 品与这些需求的差距“白皮书 ”对 EoC规范了信道带宽需求、物理层需求、MAC层需求、以太网支持能力需求、系统接入能力需求、带宽管理需求、安全需求、网络及设备管理需求、互通性需求、扩展性需求、组网需求以及接入设备需求等。3. 1 信道带宽要求“白皮书 ”规定 ,“根据 GY / T106 - 1999 的频道划 分原则 ,遵循广播电视的管理相关规定 ,标称信道带宽必须为 8 MH z的整数倍。”现有产品中只有采用 Hom ePNA 技术的 EoC 满足 该要求。Hom ePNA - EoC 系统每频道的标称信道带 宽为 2 8 MH z = 16 MH z。其余类型的 EoC 产品均不满足该要求 。3. 2 物理层需求“白皮书 ”规定 ,物理层有下述要求 :( 1 )频带资源利用率 : 定义为有效信道带宽与标 称信道带宽之比 80 % 。 - 40 dB 带宽不超过 8 n MH z, - 80 dB 带宽不超过 8 n + 1 MH z ( n 为正整 数 ) 。在线率因素 ,每个在线用户可提供带宽 2 M bp s以上 。在 Hom ePNA 3. 1标准中 ,带宽将提高到 160 320 M b2p s。Hom ePNA 3. 0网络是在现有 H FC 网络基础上进 行相应的改造 ,不仅能满足原有的广播业务需求 ,同时 能实现双向互动服务 ,可以提供宽带上网 、IPTV、语音等各种应用 ,具备视频 ( video) 、语音 ( vo ice ) 、数据 ( da2ta)等各种业务。Hom ePNA3. 0全程支持二层的 QoS, Hom ePNA 3. 0技术在广播信道上对识别的流可以应用不同的 QoS策略 :带宽、抖动和延时。在 EPON + Hom ePNA 3. 0 的 网络架 构 下 , 可 以 实 现 基 于 MAC 地 址 、VLAN、IP、UD P / TCP端口等多种方式的用户识别和业务区分 ,从而保证了对网络中用户的管理控制 、业务流的划分 、不中国有线电视 2009年第 10期唐明光 :有线电视网络双向改造中的 EoC技术( 2 )建议物理层传输效率在有效信道带宽 16 MH z现有产品中 , MAC层最大速率 (一个头端带 32 个终端 , 链 路 损 耗 50 dB ) 为 : W iF i - EoC 23 M bp s, Hom ePNA - EoC 133 M bp s, Hom eP lug AV - EoC 13 M b2 p s, Hom eP lug B PL - EoC 51 M bp s, MoCA - EoC 152M bp s。现有产品均不具备动态分配上下行带宽能力 ,双 工方式均未采用 TDD 方式。3. 4 以太网支持能力需求“白皮书 ”规定 , EoC 技术应该满足以下以太网功 能和性能要求 :( 1 ) VLAN 支持 : 局端和终端设备应支持 VLAN , 终端设备可根据需要配置是否透传或剥离 VLAN 标 记。( 2 )组播功能 : 建议有线电视电缆用户接入局端 设备支持组播功能。( 3 )组播过滤支持 :建议支持组播过滤功能。( 4 )广播风暴抑制 :应该具备广播风暴抑制能力 。( 5 )二层隔离 : 局端设备应该具有在二层隔离各 接入终端的能力。( 6 ) QoS支持 :建议支持 802. 1p ,支持的优先级数3 (对应实时业务、准实时业务和非实时业务 ; 此处 不包括 MAC协议本身的控制信息 ,控制信息应具有最高优先级 ,但是不应计在 QoS优先级数中 ) ; 建议支持802. 1D 的用户优先级标记 (基于 CoS的 QoS功能 ) ;应能根据用户和业务进行带宽分配 。( 7 )延时 : 建议业务分组在 CBA T和 CNU 之间的 延时最大不超过 20 m s。现有 EoC产品中 ,局端和终端设备均支持 VLAN ,对 VLAN 透传配置 ,局端设备均支持 , W iF i - EoC 终端 设备默认 ACESS模式 , 可配置 TRUN K 模式 ; Hom eP2NA - EoC 终端设备不配置 VLAN 将透传局端所有VLAN; Hom eP lug AV - EoC终端设备支持透传 ; Hom e2P lug B PL - EoC终端设备不配置透传 ; MoCA - EoC 终 端设备默认 ACESS模式 ,可配置 TRUN K模式 ,终端支 持向上打 Tag。现有 EoC 产品均支持组播及广播风暴抑制能力 ,局端设备均具有在二层隔离各接入终端的能力。现有 EoC产品对 QoS支持的优先级数 3 (各产 品不同 ,优先级数在 4 8 ) 。现有 EoC 产品延时除 MoCA - EoC 达到要求外 ,其余产品延时均超过 20 m s。3. 5 系统接入能力需求“白皮书 ”规定 ,系统接入能力需达到 :内 7 b its / s /H z ( 256QAM ) 。建 议 采 用 单 信 道MH z, QAM 调制等级应支持向下自适应。( 3 )建议采用频率堆叠或其他方式增加带宽扩展 性。( 4 )带外辐射 : 5 2 000 MH z频段范围内的带外 辐射必须足够小至不影响现存有线电视信号 ,保证可 以和有线电视信号共存 。( 5 )应能跨越放大器和分支分配器。( 6 ) EoC系统局端设备射频输出信号与有线电视 信号进行混合时 ,引起的有线电视系统插入损耗不得超过 1. 5 dB。16现有产品中 , 通过实际测量 , Hom ePNA -EoC 系EoC 系统局端设备插入损耗统局端设备插入损耗 1 dB , Hom eP lug PBL - 1. 5 dB ,其他 W iF i - EoC、Mo2CA - EoC、Hom eP lug AV - EoC系统局端设备插入损耗均大于 1. 5 dB。Hom ePNA - EoC 系统物理层传输效 率在有效信道带宽 16 MH z内达到 144 M bp s /16 MH z= 9 b its / s /H z, 其余 EoC 产品由于频道带宽不是 16MH z,折算到 b its / s /H z的数值 , W iF i - EoC为 5. 4 b its /s /H z, MoCA - EoC 为5. 4 b its / s /H z, Hom eP lug AV -EoC为 8 b its / s /H z, Hom eP lug PBL - EoC 为 9 b its / s /H z。各 EoC系统带外辐射杂散电平对现有线电视信 号基本无影响。所有 EoC 产品均有桥接器可以跨越 放大器和直接通过分支分配器 ,但不同的 EoC 产品桥 接器的插入损耗较分散 , MoCA - EoC、Hom eP lug AV -EoC、Hom eP lug PBL - EoC 2 dB , W iF i -Hom ePNA - EoC 8 dB。3. 3 MAC层需求“白皮书 ”规定 , MAC层应该满足以下功能和性能 要求 :( 1 ) MAC层频谱利用率 : 在规定信道带宽内系统 的最大 MAC层传输速率与物理信道带宽之比应至少 大于 4 b it / s /H z。建议采用 64 M bp s的 MAC 速率 ,以 便于使用百兆 FE端口和以太网进行桥接。( 2 )上下行带宽分配 : 在上下行带宽总量约束条件下 ,应具备动态分配上下行能力 ,以提高带宽利用效 率 ,更好地对应上下行对称和非对称业务共存的应用 需求。( 3 )双工方式 :建议采用 TDD 方式 。( 4 )多址机制 :在 TDD 方式下 ,建议采用预约许可 和中心结点协调的 TDM / TDMA 机制实现多址接入和信道分配 。EoC 4 dB ,( 1 )建议同轴电缆宽带接入系统局端设备单信道输出时至少支持接入终端数为 32。( 2 )同轴电缆宽带接入系统局端设备接入终端为 单个终端时 ,系统 MAC层传输带宽不低于 100 M bp s。 ( 3 )同轴电缆宽带接入系统局端设备同时接入终端为最大终端数时 , 系统 MAC 层传输效率不低于65 % 。现有 EoC 产 品 Hom eP lug AV - EoC、Hom eP lug B PL - EoC、Hom ePNA - EoC单模块支持终端接入数最 多 64个终端 , W iF i - EoC、MoCA - EoC 单模块支持终端接入数最多 32个终端。但是 ,一般在接入终端数为 最大终端数的 50 %时 ,吞吐量也降为最大值的 50 % 。 经测量 , 1对 32 时 ,各 EoC最大吞吐率分别是 : Hom eP2NA - EoC: 133 M bp s, Hom eP lug AV: 13 M bp s, Hom eP lug3. 7 网络及设备管理需求现有 EoC产品均未达到“白皮书 ”的要求 ,而且差 距较大。3. 8 互通性需求“白皮书 ”要求 ,不同厂家设备之间应该实现互联 互通。现有 EoC产品均未达到“白皮书 ”的要求 ,不同厂家设备之间实现互联互通的期限 ,现在还无法预测 。4 使用 Eo C 的建议从以上的分析可以看出 ,现有 EoC 产品的技术性 能 ,均未能达到由广播电视规划院牵头的“有线电视网络宽带接入技术工作组 ”制定并颁布的面向下一代广播电视网电缆接入技术 ( EoC )需求白皮书 的要 求 ,而且 ,所有的 EoC产品也都还没有大规模使用 (例B PL: 51 M bp s, W iF i - EoC: 23 M bp s、MoCA -M bp s ( 31个终端 ) 。如 10万用户规模 )的成功案例 (包括运维成本评估 ) 。EoC: 152也就是说 ,无论从技术方面或是从使用环境方面都还不成熟。因此