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广电双向改造有源EoC技术对比
 

 

      伴随广播数字化进程,为配合数字电视多种业务加快发展,建设宽带、双向的有线电视网络,为有线电视用户提供Internet,VoD,交互电视等综合多媒体业务已经得到广泛认同。而我国广电同轴电缆Cable接入覆盖达1.5亿用户,是覆盖最广泛的有线线路之一,同时同轴电缆拥有宽频率,高带宽等特性,因此如何在现有的同轴网络上承载以太网、IP业务,提供Ethernet Over Cable成为各种技术的焦点。目前主流技术有无源EoC和有源EoC,有源EoC中有基于高频(MoCA,WiFi),低频(PLC,HomePNA)等不同技术。本文从广电网络特点和要求出发,对各种有源EoC技术进行对比和分析。
 
1、 广电网络现状
 
      目前广电网络基本是为适合广播电视传输的基于光纤同轴混合传输的HFC(Hybrid Fiber Coax)网络。通常由一个总前端和若干分前端、一级和二级光链路干线、用户分配网三大部分组成。
 
      一级光链路一般是指总前端之间、总前端和分前端之间或者分前端之间的光路,一般采用环型、网状结构实现路由冗余备份,在光链路物理连接上仍采用星型结构方式;二级光链路一般是指分前端到光节点(Optical Node)之间的光路,一般采用星型拓扑结构,条件好的地方可能采用环型、网状结构实现路由冗余备份。
 
     用户分配网一般指光节点到用户家中的同轴电缆分配网络,一般采用树型结构。典型的广播电视网络如图1所示。目前用户分配网的线路参差不齐,区别较大,一般只考虑正向传输指标,较少考虑反向传输指标。
 
    随着光进铜退的发展趋势,光纤会越来越靠近用户端,光节点覆盖用户数也会逐步减小,-9,-12电缆会逐步被光纤替代,逐步消失,同样放大器也会逐步减少到1级或者无源网络。
                                                                                                                                                    图1 有线电视网络常用结构
      作为解决最后接入方案,如电信大部分双绞线能适应xDSL接入技术类似,EoC技术选择上必须考虑满足大部分现有用户分配网,小部分网络做很少的改动就能提供简单方便的即插即用解决方案。
 
      典型的用户分配网络涉及的设备有:Cable电缆,分支器,分配器,放大器,还可能有寻址器。下图是某实际网络的部分用户分配网络:

 


广电网络中300M550M750M860M系统说明。
 
– 分支器,分配器的指标都是5M~1000M,但实际上高频的效果都是比较差的,插入衰减,放射等指标都会变坏。
 
– 广电频率说明:一是Cable电缆限制;电缆质量不够好,到高频时辐射大,屏蔽性能下降,抗干扰能力下降。二是放大器的工作频段限制,有不同的截止频率。
 
• 电缆的衰减特性。电缆的衰减和电缆的结构等特性相关,下面列的是通用的75欧电缆不同频率的大致衰减特性。(-5,-7是电缆的粗细)
75-5电缆的衰减,50M~5dB/100m;750M~20dB。(室内电缆)
                                                                                                                                                             图2 用户分配网络图
 
      如上图所示,一般光节点到楼道后,其分配网络就是由分支器、分配器和入户电缆组成,分配网络中的分支器,分配器在标称频率范围内(一般为5M~1GHz),都可以看成是固定衰减,一般在35~40dB左右。
 
     光节点输出电平一般为110dBuV,广电入户信号为70±3dBuV(所有频率),放大器主要是补偿线路衰减。不同电缆的衰减特性如下:
 
75-5电缆的衰减,50M~5dB/100m;750M~20dB/100m。   (室内电缆)
 
75-7电缆的衰减:50M~3.2dB/100m;750M~13dB/100m。 (入户电缆)
 
75-9电缆的衰减:50M~2.3dB/100m;750M~10dB/100m。 (主干或分配电缆)
 
75-12电缆的衰减:50M~1.9dB/100m;750M~8dB/100m。 (主干电缆)
 
      有线电视分配网络中宣称的衰减都是指网络设计最高可用频率(如750M,860M)的衰减,因此从上面可以看出,低频50M的衰减基本只有高频750M的1/4左右。而随着光纤价格逐年下降,4芯的光纤已经接近-7电缆的价格,光纤收发器的价格也越来越低,而且光纤的寿命长(一般可达10年,而电缆一般5~7年),因此现在新铺设线路(主干和分配电缆)都是采用光纤替代同轴。因此在EoC网络中首先必须考虑电缆分配网络的衰减。
 
2、 有源EoC低频和高频对比
 
      按照有线数字电视频道配置指导性意见以及实际应用,目前有线电视网络受网络设备、分配网络线路衰减、前端发射设备、放大器等因素影响,存在300M,550M,750MHz,860M的网络。为兼容现有的频率分配,可供EoC使用频率有两个部分,一是低频5~65MHz,二是高频860MHz以上。将来随着数字化改造完成,且88~108是FM频道,在同轴电缆中仍可传输,因此低频可扩展至110MHz。
                                                                                                                                                    图3 有线电视网频率分配图
      如果采用高频技术,考虑到实际要和860MHz数字电视频道兼容,而频段隔离滤波器的性能和通带和阻带的变比相关,阻带太窄,高频隔离、混合滤波器成本很高且很难做好,因此高频实际频率要采用925MHz以上频率才比较合适。由于我国GSM下行采用935~960MHz频道,且基站的发射功率大,电缆等串扰与频率的1.5次方成正比,必须考虑给频道的干扰。同时考虑现有网络存在大量550MHz,750MHz的网络,无法满足高频传输的要求,且大部分分支分配器虽然是5~1000MHz,但是850MHz以上高频的特性基本都会变差,超过1GHz频率后,特性更是难以保证。另外,一般光节点用户覆盖范围为数百米,按照上述电缆的衰减和频率的开方成正比,50MHz衰减大约为800MHz的四分之一。因此,采用高频技术实际可用可靠频道为925~1000MHz,无法满足现有光节点覆盖。
 
      如果采用低频技术,由于低频衰减较小,即使等效75-5电缆400m长度的衰减也才20dB,加上35~40dB的衰减,也小于60dB,可基本满足光节点覆盖。
 
3、 有源EoC技术对比
 
      从上面低频和高频的分析,低频更合适EoC的传输,但众所周知,HFC网络低频存在汇聚噪声和低频干扰大的问题,因此必须对有源EoC的低频技术和高频技术进行对比分析,为有源EoC的技术选择提供理论依据。
 
     目前采用高频的EoC技术有两种,一种是基于WiFi的WLAN技术,另一种是基于MoCA(Multimedia over Coax Alliance 同轴电缆多媒体联盟)技术。WiFi技术中有采用降频到1GHz左右和直接使用两种。直接将WLAN信号耦合到同轴电缆上,由于WLAN是2.4GHz频道,衰减太多,基本不用考虑。本文中仅针对降频的WLAN产品来分析。
 
      首先来说明WLAN技术,不可否认,WLAN是一种经广泛验证和规模使用的无线技术,但其MAC和PHY特性是适应无线多径传输、快速衰弱的时变信道,通过分集、多天线等来解决信号快速衰弱、信号盲点的问题。而Cable信道是一种相对比较稳定的信道,其信道的三大特性:衰减、延迟失真、噪声等都相对稳定。因此这两种信道的不同导致效果差别很大。主要存在以下问题:
                                                                                                                                                      图4 WLAN子载波示意图
a. 抗干扰能力差。WLAN虽然也是采用OFDM技术,但是所有信道都是采用同样的调制方式(BPSK,4QAM~64QAM),不能根据每一个信道的SNR来调整比特分配,完全依靠误码率来调整速率,粒度太粗。只有52个信道(4个导频音,48个承载信道),频率带宽312.5KHz。高频噪声容易注入,由于电缆和接头,分支分配器的高频屏蔽性能下降(高频噪声的穿透力强),因此GSM和他高频等噪声容易注入。
 
b.   覆盖范围小。高频电缆衰减,分支分配器高频特性不易保证,高频泄漏大。放大器改造难度大,需要用有源中继器来跨接,且影响总带宽。由于有线电视可能最高频率为860MHz,因此至少需要采用925MHz以上的频段,才能保证和有线电视之间的频段隔离。
 
c.    带宽窄。54M物理速率,MAC速率为25M左右。WLAN从11g到11n,虽然11n采用40MHz带宽和多路输入输出技术,能提供很高的带宽和速率,但11n的MiMo技术提升性能是针对无线信道多径信道的,无法在Cable上实现。从长远发展看,没有竞争力。
 
d.   诊断功能、多业务功能弱。WLAN技术主要是用在家庭联网无线联网,在应用到Cable技术后,没有针对Cable做诊断、维护,并且多用户接入,QoS等方面缺乏支持。
 
e.    由于增加降频电路,变成非标电路,其成本上升,成本优势降低,调整误差比MER变差,非标准WLAN,生产测试困难,只能采用定性手段来评估。
 
         MoCA是专门为适应Cable网络开发的一种用于家庭联网的技术,也采用高频,和WLAN相比,其带宽宽,采用50MHz,子信道也调整为192KHz,采用真正OFDM技术,抗干扰比WLAN要好。MoCA作为家庭多媒体互联,在北美运营商家庭互联得到广泛应用。但考虑到家庭网络分支分配器少,线路短,线路损耗小,反而是分支分配器的隔离损耗变成主要因素,同时采用1G以上频道,避开GSM噪声,因此MoCA作为家庭内部网络是很好的解决方案之一。但如果作为接入网方案,则存在以下问题:
 
a. 覆盖性问题和改造成本问题。高频衰减大,覆盖范围小,只能做到楼道覆盖,从而导致成本高。跨接放大器需要考虑有源设备,网络引入有源设备,增加了故障点,并且成本较高。高频滤波器,信号混合器相比低频成本要高。
 
b. 高频噪声容易注入。
 
c.  网络适应性问题,国内存在大量的550MHz,750MHz,很难适应高频传输。
 
d. 芯片成本高,只有一家芯片。长远看,低频因没有射频RF电路,直接调制输出,信号驱动简单,方案成本低。
 
      目前低频技术上比较接近要求的有两种技术,一是PLC,二是HomePNA。考虑到低频不可避免存在噪声,因此抗干扰能力成为低频选择的一个重要指标。
 
      HomePNA早期(2.0以前)是基于短距或家庭电话线(Home Phone Line Network Alliance)的一种家庭互联技术之一,到3.0后,同时提供基于家庭电话线和同轴网络的宽带技术。其使用低频段(4-20MHz or 12-28MHz),物理调制技术采用QAM,FDQAM,虽然FDQAM通过降低数量,多次拷贝传输来提供纠错,但其抗干扰能力远不如OFDM,且MAC技术主要是考虑家庭互连,接入MAC数、用户数受限制。
                                                                                                                                                                   图5 FDQAM调制示意图
      PLC电力线通信技术经过多年的发展,产品从14M,45M,80M发展到现在的200M产品。由于电力线噪声非常大,为保证电力线传输,PLC采用OFDM技术,抗干扰能力非常强,很容易适应Coax传输。同时,由于电力线可以认为是一个开放空间的网络,为避免其信号对外辐射,干扰相应频道的无线电台等,其工作频率可编程,可按照Cable网络要求来调整。采用PLC有以下特点:
 
a. 广覆盖。接收灵敏度高,采用低频技术,电缆衰减小,可满足光节点覆盖,放大器改造简单,采用无源器件跨接即可。
 
b. 抗干扰能力强。采用OFDM,最多可支持1155个信道(每个子信道带宽为24.414KHz),采用电力线调制物理技术,抗干扰能力强。
 
c.  高带宽。目前200M的PLC技术,MAC层速率可达100M。
 
d. 带用户数多。一个头端至少可支持32个终端,还有能支持64-253个终端的产品。
 
采用低频技术的目的是做到光节点覆盖,光节点到用户采用无源同轴网络来传输,从而降低设备维护成本和提高网络可靠性。对现有的同轴分配网络基本不做改动,对放大器等设备进行无源低频旁路,提供低频通道。其模型如下:
                                                                                                                                     图6 低频双向网光节点、放大器低频改造示意图
 
      从上图可以看出,采用EoC低频改造,其噪声路径和传统CMTS的汇聚噪声区别很大。主要表现在以下三个方面:
 
a. EoC汇聚噪声在光节点终结,范围只覆盖一个光节点或者一路cable用户,而CMTS通过反向光收,在CMTS局端设备汇聚,覆盖若干光节点,因此EoC方式汇聚噪声用户数量大为减少。
 
b.CMTS信号和电视信号是同一通道,因此光节点设备(光发,光收)、链路上的放大器等的低频噪声都会耦合到上行低频通道,且这些噪声没有经过线路衰减或者衰减较小,对上行接收端信号影响显著。而EoC低频技术相当于在现有的广播网络上隔离了一条低频通道,把光节点、放大器的低频噪声都通过高通滤波器隔离,因此仅需考虑终端噪声的影响。
 
c. CMTS系统中,反向通道中仍存在放大或者衰减模块,该模块同时对噪声也进行放大或衰减,而EoC改造中,Cable网络采用无源网络,终端(TV,STB)输出的噪声和EoC信号一起传输,因此能保持较高的信噪比。
 
      另外由于CMTS采用QAM调制技术,频带较宽,本身抗干扰能力较弱,且其所有设备都采用相同速率,而不是按照SNR自适应调整。而EoC采用的是OFDM技术,可以根据每一终端,每一个子信道信噪比自适应最佳速率,并能快速适应信道变化,调整速率,因此能提供可靠的通信。
 
4、 小结
      通过上面的分析,可以看出,有源EoC主要解决的还是旧小区的改造,因此覆盖、施工简单、保持现有同轴分配网不改动或者少改动很重要,因此低频在这方面更为合适。但这仅仅是从技术上进行的分析,实际的选择上,需要综合考虑厂家的规模、生产能力、研发能力、售后服务等多方面的能力,只有能长期投入的设备厂家才能真正帮助我们广电完成双向网的改造。
 
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