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基于EPON+EOC技术构建广电综合业务宽带接入网
 

      摘要:基带传输与同轴Wi-Fi技术已经进入商用阶段,不少地方正进行试点工作,相信不久的将来会出现越来越多的EPON+EOC网络

      随着宽带业务的发展,人们越来越意识到网络接入部分(最后一公里)存在严重的带宽“瓶颈”。接入部分两头目前已跨入吉比特级以上的速率,如用户端广泛使用的PC内部传送的速率已达到吉比特速率;而作为接入部分的另一头,城域网骨干网的每波长速率也已达到2.5~10Gbit/s,它们比接入部分高出至少3个数量级。随着三网合一的推行,突破接入网瓶颈变得越来越迫切,只有突破接入部分的带宽“瓶颈”,才能使整个网络有效发挥宽带的作用,真正推动各种业务的发展,给运营商带来经济效益和社会效益。

      从技术上讲有三种方式突破接入网瓶颈,一是甚高速数字用户线路(VDSL);二是基于无源光网络(PON)的光纤到户(FTTH);三是高速无线接入。EPON是基于吉比特以太网的无源光网络技术,继承了以太网的低成本和易用性以及光网络的高带宽,是实现FTTH众多技术中性价比最高的一种。随着EPON国际标准——IEEE802.3ah在2004年正式发布,EPON的产业联盟已经吸引了众多厂商的积极参与,从EPON的核心芯片、光模块到系统,EPON的产业链已经日趋成熟。

1、EPON技术及特点

(1)EPON的发展

      光纤接入从技术上可分为两大类:有源光网络(AON,ActiveOpticalNetwork)和无源光网络(PON,PassiveOptical Network)。PON是一种纯介质网络,由于消除了局端与用户端之间的有源设备,它能避免外部设备的电磁干扰和雷电影响,减少线路和外部设备的故障率,提高系统可靠性,同时可节省维护成本,是电信维护部门长期期待的技术。PON的业务透明性较好,原则上可适用于任何制式和速率的信号。目前基于PON的实用技术主要有APON/BPON、GPON、EPON/GEPON,其主要差异在于采用了不同的二层技术。具体如图1所示。

图1

      APON二层采用的是ATM封装和传送技术,因此存在带宽不足、技术复杂、价格高、承载IP业务效率低等问题,未能取得市场上的成功。

      为更好适应IP业务,第一公里以太网联盟(EFMA)在2001年初提出了在二层用以太网取代ATM的EPON技术,IEEE802.3ah工作小组对其进行了标准化,EPON可以支持1.25Gbit/s对称速率,随着光器件的进一步成熟,将来速率还能升级到10Gbit/s。由于其将以太网技术与PON技术完美结合,EPON成为了非常适合IP业务的宽带接入技术。

(2)EPON系统的构成

      在一个EPON中,不需任何复杂的协议,光信号就能准确地传送到最终用户,来自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络。在物理层,EPON使用1000BASE的以太PHY,同时在PON的传输机制上,通过新增加的MAC控制命令来控制和优化各光网络单元(ONU)与光线路终端(OLT)之间突发性数据通信和实时的TDM通信。由于ONU在自己的时隙内发送数据报,因此没有碰撞,不需CDMA/CD,从而充分利用带宽。另外,EPON通过在MAC层中实现802.1p来提供与APON/GPON类似的QoS

      与其它PON技术一样,EPON技术采用点到多点的用户网络拓扑结构,利用光纤实现数据、语音和视频的全业务接入的目的。

      EPON的系统结构如图2所示。一个典型的EthernetoverPON系统由OLT、ONU、POS组成。OLT(OpticalLine Terminal)在广电组网系统中放置于前端,因成本等因素的制约,在光纤铺设到楼的条件下,ONU(Optical Network Unit)放置于楼道,下连EOC(Ethernet over Cable)局端设备。POS(Passive Optical Splitter)是无源光纤分光器,可多级连接,灵活组网。EPON系统使用单模光纤,在一芯光纤上利用上下行两个波(上行波长1310 nm,下行波长1490 nm)传输双向数据。

图2

EPON的优点主要表现在以下几个方面。

·成本低,维护简单,容易扩展,易于升级。EPON结构在传输途中不需要电源,节省电力,容易铺设,不占用小区机房,无需任何有源光模块,长期运营成本和管理成本的节省很大。

·EPON系统这种无源点对多点的光网络和原有广电HFC网络中的光网络完全类似。在光纤到楼道的布局方式中可以多个楼道共用一芯主干光纤,并且可以根据用户的实际地理分布情况和用户数灵活分光布纤,接入大量用户,大量节省主干光纤。

·EPON系统是面向未来的技术,完全基于以太网标准协议802.3ah,模块化程度高,扩展容易,投资回报率高,是日后向全IP网络过渡的一个很好的选择。

·上下行数据都在同一芯光纤传输,完全解决双向传输问题,提供高对称带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gbit/s的带宽。

·带宽分配灵活,服务有保证。对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。EPON可以通过DBA(动态带宽算法)、DiffServ、PQ/WFQ、WRED等来实现对每个用户进行带宽分配,并保证每个用户的QoS。

(3)EPON传输原理

EPON从OLT到多个ONU下行传输数据和从多个ONU到OLT上行传输数据是十分不同的,所采取的不同的上行/下行技术分别如图3所示。

      当OLT启动后,它会周期性地在本端口上广播允许接入的时隙等信息。ONU上电后,根据OLT广播的允许接入信息,主动发起注册请求,OLT通过对ONU的认证(本过程可选),允许ONU接入,并给请求注册的ONU分配一个OLT端口惟一的一个逻辑链路标识(LLID)。

      数据从OLT到多个ONU以广播式下行(时分复用技术),根据IEEE802.3ah协议,每一个数据帧的帧头包含前面注册时分配的、特定ONU的逻辑链路标识(LLID),该标识表明本数据帧是给ONU(ONU1、ONU2、ONU3,......,ONUn)中的惟一一个。另外,部分数据帧可以是给所有的ONU(广播式)或者特殊的一组ONU(组播)。在图3的组网结构下,在分光器处,流量分成独立的三组信号,每一组载有到所有ONU的信号。当数据信号到达ONU时,ONU根据LLID,在物理层上做判断,接收给它自己的数据帧,摒弃那些给其它ONU的数据帧。如图3中,ONU1收到包1、2、3,但是它仅仅发送包1给终端用户1,摒弃包2和包3。

      对于上行,采用时分多址接入技术(TDMA)分时隙给ONU传输上行流量。当ONU注册成功后,OLT会根据系统的配置,给ONU分配特定的带宽(在采用动态带宽调整时,OLT会根据指定的带宽分配策略和各个ONU的状态报告,动态地给每一个ONU分配带宽)。带宽对于PON层面来说,就是多少可以传输数据的基本时隙,每一个基本时隙单位时间长度为16ns。在一个OLT端口(PON端口)下面,所有的ONU与OLTPON端口之间的时钟是严格同步的,每一个ONU只能够在OLT给它分配的时刻开始,用分配给它的时隙长度传输数据。通过时隙分配和时延补偿,确保多个ONU的数据信号耦合到一根光纤时,各个ONU的上行包不会互相干扰。

     对于安全性的考虑。上行方向,ONU不能直接接收到其它ONU上行的信号,所以ONU之间的通信都必须通过OLT,在OLT可以设置允许和禁止ONU之间的通信。在缺省状态下是禁止的,所以安全方面不存在问题。对于下行方向,由于EPON网络下行是采用广播方式传输数据,为了保障信息的安全,从以下几个方面进行保障。

·所有ONU接入的时候,系统可以对ONU进行认证,认证信息可以是ONU的惟一标识(如MAC地址或者是预先写入ONU的一个序列号),只有通过认证的ONU,系统才允许其接入。

·对于给特定ONU的数据帧,其它的ONU在物理层上,也会收到数据,在收到数据帧后,首先会比较LLID(处于数据帧的头部)是不是自己的,如果不是,就直接丢弃,数据不会上二层,这是在芯片层实现的功能,对于ONU的上层用户,如果想窃听到其它ONU的信息,除非自己去修改芯片来实现。

·加密,对于每一对ONU与OLT之间,可以启用128位的AES加密。各个ONU的密钥是不同的。

·VLAN隔离:通过VLAN方式,将不同的用户群或者不同的业务限制在不同的VLAN,保障相互之间的信息隔离。

2、EPON广电网络解决方案及最后一百米同轴宽带接入技术

(1)EPON广电网络解决方案

设计独立互不干扰的两套网络:EPON数据传输网和原有的有线电视承载网,如图4所示。

     有线电视承载网由数字电视平台、总前端设备、分前端设备、光节点和同轴分配网组成,完全继承和利用广电原有的网络资源,承载原有的广播电视信号。

     EPON网络由分前端OLT设备、分光器和放置于楼道的ONU设备组成,提供数据双向传输通道,解决分前端到楼道的光纤双向传输问题,可承载IPTV、数据传输、IPPhone等多种业务。

     广播电视节目根据距离的远近采用1550nm/1310nm“物理星型、逻辑环型”的拓扑结构,先由总前端送至分前端,然后再由各分前端采用1310nm波长将信号送至片区内各个光节点。

     EPON系统使用单模光纤,在一芯光纤上利用上下行两个不同波长(上行波长1310nm,下行波长1490nm)传输双向数据。

利用EPON实现FTTB之后的入户方式主要有以下3种。

·FTTH(光纤到户),用户端配置ONU接收数据信息。

·LAN,ONU到楼栋后,使用双绞线入户,用户带宽可控制OLT输出端口及楼栋二层交换机进行调节。

·EOC,ONU到楼栋,用户端最后100m依然使用同轴电缆入户,尽可能地缩小改造范围,用户端配置EOC模块与ONU进行数据交换。

EOC(EthernetOverCable)主要可分为基带传输、调制传输、2.4GHz扩展应用三类,其中又可细分出很多具体的标准/非标准技术,如基带、MoCA、同轴Wi-Fi、CableRan、UcLink等。

EOC方案使用原有同轴资源解决最后一百米的接入问题,避免庞大的双线入户改造工程,在不影响原有下行广播电视信号的情况下,提供数据上下行传输功能。

EPON+最后一百米无源同轴宽带接入是最适合广电网络的双向改造模式,电信目前主推PON+最后一公里双绞线接入。

(2)最后一百米同轴宽带接入技术

·基带传输

      同轴电缆带内频率是0~1000MHz,有线电视系统工作于5~860MHz,其中,5~65MHz用于上行通道。而在实际的应用中,5~20 MHz频带由于杂散信号干扰严重,无法被采用频带传输方式的CMTS/CM通信系统所使用。而以太网是基带传输系统,以10Mbit/s(10BASE-T)速率传输时,以太网信号的功率谱主要集中在0.5~15 MHz范围内。这就为在同轴电缆网络中建立以太网提供了频率资源的可能。事实上,当今的数据交换芯片和电子技术,完全可以低成本地在有线电视HFC网络中通过同轴电缆实现100 m距离无中继的10BASE-T通信。

·同轴Wi-Fi带外传输

      通过深入研究发现,在一定的应用环境和条件下,与其它传输媒介/方式相比,同轴电缆传输频率高于1GHz信号的优势依然十分突出。当传输距离小于60m时,同轴电缆对2.4GHz信号的传输性能优于无线传输可达50 dB以上。同轴电缆这一优势,可供有线电视网络充分利用,实现基于同轴电缆的WLAN接入。

·MoCA

     MoCA的全称是MultimediaoverCoaxAlliance(同轴电缆多媒体联盟),是同轴电缆的拥护者成立的联盟,其目的是充分利用70%家庭的客厅以及83%家庭的主卧室内装有同轴电缆。

     MoCA的带宽能够同时满足一个高清电视、一个ATSC数字电视、两个标清电视和10Mbit/s的数据流,并且可以对视频流进行远程控制(如PVR等)。

·CableRan

     CableRan是一种建立在单向有线电视网络上的宽带接入系统。CableRan接入设备的组成包括前置小局端MAS、智能端口I/O和网络管理软件。

      前置小局端MAS是一种多方式接入IP网关设备,它可以把前端设备I/O再还原成IP信号,是IP和射频转换的介于同轴和IP接口部分的设备。每个前置MAS可以支持64个端口I/O,该前置MAS可以方便地放置在楼栋或光节点处。智能端口I/O设备是一种信号转换设备,它可以把来自于前置MAS调制在同轴电缆上的IP信号,还原为以RJ45或USB接口形式的标准以太网信号。

只需要智能终端I/O来替换现有的普通机顶盒,另外在干线和楼栋之间加一个MAS小局端就可以了。

      CableRan技术上行带宽可达10Mbit/s,下行带宽可达48Mbit/s。占用5~65MHz频率部分,其中5~36MHz用于上行,40~65 MHz是下行频段。下行采用16/64/256QAM调制,上行采用QPSK、16QAM调制。

·UCLink

UCLink系统在现有单向HFC网络上采用叠加网的方式实现同轴宽带接入。

      UCLink采用QAM调制解调方式,并将传输信号放在HFC网的最高端(800~1000MHz),该频段信道内常规干扰最低,800~1000MHz信号使用简易高通滤波器即可绕过网内单向放大器

      UCLink将上行信号放在800~900MHz的频率范围,下行信号放在900~1000MHz的频率范围,是上、下行速率完全对称的传输结构。

按64QAM计算,100MHz频率范围能传输的速率约为500Mbit/s。

      UCLink综合接入系统中的局端设备一般放置于光节点,主要完成用户终端的接入,数据报文的转发,接入用户管理和带宽控制(需要与BAS配合);上行提供10/100Base-T以太网接口与以太网交换机或BAS(宽带接入服务器)相接,下行提供同轴射频接口经CATV同轴分配网与用户终端相接;每一个局端设备根据带宽要求可接入若干个UCLink用户终端。

      UCLink综合接入系统中的用户终端设备(UCM)的功能是实现以太网数据的调制解调和协议转换处理。上行接口为射频接口(上行信道频率800~900MHz),经HFC网络中的同轴分配网与UCM相连,下行提供10/100Base-T以太网接口与计算机或其它数据设备相连。

      750~1000MHz为预留的双向数字个人通信频域。电缆在800~1000MHz范围的衰减很大,传输距离短,所以要求UCLink接收设备有高灵敏度的信号接收能力,而高灵敏度接收设备又容易受外部人为信号干扰。

3、结束语

      UCLink与CableRan技术在前两年有小部分广电用户在使用,但效果不是很理想,没有大范围采用。基带传输与同轴Wi-Fi技术已经进入商用阶段,不少地方正进行试点工作,相信不久的将来会出现越来越多的EPON+EOC网络。

      无源以太网EPON利用PON的拓扑结构实现以太网的接入,具有高带宽、易维护、低成本等优点,可以通过单一平台综合接入语音、数据、视频等多种业务。EPON技术和HFC网络的结合,为广电网络迅速开拓宽带接入业务提供了新的解决方案。

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