基于以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的有線電視全業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)

2019-11-03 19:04:09

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供稿：網(wǎng)友

羅任翔劉偉平陳舜兒黃紅斌鄭力明

　　1引言

　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻點(diǎn)播等業(yè)務(wù)接入的要求越來(lái)越高，為用戶提供更寬、更快和交互式業(yè)務(wù)的傳輸通道是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商努力的方向。

　　傳統(tǒng)的有線電視網(wǎng)絡(luò)是專為高效地向家庭傳送廣播電視業(yè)務(wù)而開(kāi)發(fā)的，要實(shí)現(xiàn)諸如視頻點(diǎn)播、語(yǔ)音、圖像、數(shù)據(jù)、多媒體等交互式業(yè)務(wù)的傳輸，就要對(duì)現(xiàn)有的有線電視光纖/同軸電纜混合網(wǎng)進(jìn)行雙向化改造。目前,HFC雙向改造有多種技術(shù)，主要的方法是采用雙向HFC+Cable Modem的方式，也就是把原有CATV系統(tǒng)中的低端頻率用作回傳,實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱傳輸，這種傳統(tǒng)HFC網(wǎng)雙向化方式存在用戶可用的帶寬有限和HFC回傳信道有“漏斗效應(yīng)”等缺點(diǎn)。

　　以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(EPON，Ethernet Passive Optical Network)作為多業(yè)務(wù)寬帶接入方式具有優(yōu)異的特性，基于EPON的有線電視全業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)傳輸包括模擬電視信號(hào)在內(nèi)的全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)(FSAN)，該系統(tǒng)對(duì)有線電視網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向化業(yè)務(wù)改造有重要參考價(jià)值，本文分析了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作方式及特點(diǎn)，最后討論了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　2基于以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的有線電視全業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)

　　2.1系統(tǒng)構(gòu)成

　　基于EPON的有線電視全業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)是以EPON技術(shù)為核心的全業(yè)務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由光線路終端(OLT, Optical Line Terminal)、無(wú)源分光器(POS, Passive Optical Splitter)、光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU，Optical Network Unit)、CATV電視信號(hào)發(fā)送系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)組成。

　　中心局(CO, Center Office)提供系統(tǒng)和服務(wù)提供商的核心數(shù)據(jù)、電視和電話網(wǎng)絡(luò)之間的接口。OLT向上提供到TDM/PSTN、ip網(wǎng)、電視網(wǎng)絡(luò)及其他網(wǎng)絡(luò)的接口,支持IP、ATM、FR甚至傳統(tǒng)的TDM話音業(yè)務(wù)、視頻點(diǎn)播和T1/E1業(yè)務(wù)，向下提供連接波分復(fù)用器(WDM, Wavelength Division Multiplexer)的接口，OLT除了具有網(wǎng)絡(luò)集中和接入的功能外,還支持帶寬分配、QoS/SLA、OAM、網(wǎng)絡(luò)安全等功能。電視信號(hào)經(jīng)過(guò)CATV前端及光發(fā)射機(jī)調(diào)制送到波分復(fù)用器與OLT送來(lái)的光信號(hào)合波在1根光纖上傳輸。ONU接收從WDM來(lái)的光信號(hào),向下提供各種應(yīng)用接口(如10/100 Mbit/s以太網(wǎng)接口、電話接口和有線電視視頻接口),以支持?jǐn)?shù)據(jù)、話音和視頻等業(yè)務(wù),同時(shí)它還負(fù)責(zé)將上行數(shù)據(jù)傳送到OLT。另外,ONU還提供以太網(wǎng)第二層和第三層的交換功能,實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的路由選擇。POS是一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)源設(shè)備,用于連接OLT和多個(gè)ONU,并進(jìn)行光功率分配,它不需要電源,可以置于全天候的環(huán)境中，一般一個(gè)分光器的分線率為8、16或32,并可以多級(jí)連接。網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的各種不同元素，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有良好的操作、管理、維護(hù)和指配(OAM&P，Operation Administration Maintenance and PRovisioning)功能。

　　2.2系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)采用單纖3個(gè)波長(zhǎng)來(lái)傳輸全業(yè)務(wù)，EPON中OLT兩個(gè)上下行波長(zhǎng)用于傳送數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和IP交換的數(shù)字視頻（IP-SDV），第3個(gè)波長(zhǎng)用于下行CATV射頻的傳輸，采用這種設(shè)計(jì)，PON可以覆蓋20 km以內(nèi)16個(gè)以上的光節(jié)點(diǎn)。

　　系統(tǒng)中EPON采用λ1,λ2兩波長(zhǎng)在同一光纖網(wǎng)絡(luò)中雙向傳輸數(shù)據(jù)、圖像乃至聲音，HFC選用λ3波長(zhǎng)傳送電視信號(hào)，通過(guò)波分復(fù)用的方式與EPON的OLT合成于1根光纖。經(jīng)過(guò)分路，光纖傳輸送到ONU前的WDM，還原成λ3信號(hào)給CATV光接收機(jī)，其他信號(hào)在ONU根據(jù)EPON協(xié)議來(lái)完成寬帶數(shù)據(jù)和聲音的傳輸，最后實(shí)現(xiàn)寬帶用戶的全業(yè)務(wù)接入，也就是說(shuō)電視信號(hào)的傳送通過(guò)HFC廣播來(lái)實(shí)現(xiàn)，而IP、話音、視頻點(diǎn)播等雙向業(yè)務(wù)通過(guò)EPON來(lái)進(jìn)行。

　　在EPON中，數(shù)據(jù)采用IEEE 802.3以太網(wǎng)協(xié)議封裝，傳送的是可變長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)幀，最長(zhǎng)是1 518字節(jié)，最短是64字節(jié)，這很適合直接傳送IP業(yè)務(wù)信息。

　　在EPON的下行方向，多種業(yè)務(wù)信號(hào)通過(guò)骨干網(wǎng)傳輸?shù)街行木郑缓蟊籓LT經(jīng)無(wú)源分光器分配到ONU單元，經(jīng)過(guò)ONU的光/電轉(zhuǎn)換及相應(yīng)處理后，每個(gè)ONU根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)包的地址信息，接收屬于自己的數(shù)據(jù)包，為用戶服務(wù)，采用的是廣播方式。

　　在上行方向，采用時(shí)分復(fù)用（TDMA）技術(shù)，系統(tǒng)在進(jìn)行測(cè)距和時(shí)延補(bǔ)償后，OLT根據(jù)一定的原則將不同的時(shí)隙分配給各個(gè)ONU，每個(gè)ONU的上行信號(hào)再進(jìn)入光分配器的共用光纖，正好占據(jù)分配給它的一個(gè)指定時(shí)隙，以避免不同ONU上傳的數(shù)據(jù)發(fā)生相互碰撞干擾。

　　基于EPON的有線電視全業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：

　　(1)系統(tǒng)能提供高帶寬。EPON向用戶提供的帶寬是目前PON系統(tǒng)中最高的，在本地的IP中下行速率已達(dá)到1 Gbps，最多達(dá)64個(gè)ONU上行速率可超過(guò)800 Mbps。

　　(2)協(xié)議轉(zhuǎn)換成本低。EPON采用以太網(wǎng)的傳輸格式同時(shí)也是用戶局域網(wǎng)/駐地網(wǎng)的主流技術(shù)，二者具有天然的融合性，消除了復(fù)雜的傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換帶來(lái)的成本因素。

　　(3)系統(tǒng)成本低，周期短。由于采用的是PON結(jié)構(gòu),相對(duì)于非PON系統(tǒng)而言,節(jié)省了大量的光纖、有源光器件的投入及運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)HFC網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)與EPON十分相似，因此，在現(xiàn)有的HFC網(wǎng)絡(luò)中采用EPON，不需對(duì)現(xiàn)行HFC進(jìn)行雙向化改造，只需在原來(lái)的光纖網(wǎng)絡(luò)上做簡(jiǎn)單的配置，可在較短時(shí)間內(nèi)完成網(wǎng)絡(luò)的疊加，實(shí)現(xiàn)寬帶用戶的接入，使得企業(yè)能較快實(shí)現(xiàn)盈利。

　　(4)安全性高。EPON下行均為吉位速率，下行采用針對(duì)不同用戶加密廣播傳輸?shù)姆绞焦蚕韼挘闲欣脮r(shí)分復(fù)用共享帶寬,支持VLAN、VPN、IPSec和通道技術(shù)等,提供安全的網(wǎng)絡(luò)接入。

　　(5)更好的QoS。系統(tǒng)沒(méi)有雙向HFC+Cable Modem的回傳噪聲缺陷，另外EPON具有同時(shí)傳輸TDM、IP數(shù)據(jù)和視頻廣播的能力，其中TDM和IP數(shù)據(jù)采用IEEE802.3以太網(wǎng)的格式進(jìn)行傳輸，輔以電信級(jí)的網(wǎng)管系統(tǒng)，足以保證傳輸質(zhì)量，因而使得有線電視公司可以通過(guò)開(kāi)發(fā)寬范圍的靈活的服務(wù)產(chǎn)品來(lái)增加收入，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　4實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

　　基于EPON的有線電視全業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)的核心技術(shù)EPON是一種基于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的采用以太幀格式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、話音、視像等傳輸?shù)慕尤爰夹g(shù)，該系統(tǒng)具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有突發(fā)信號(hào)的接收技術(shù)、動(dòng)態(tài)帶寬分配技術(shù)、QoS的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和系統(tǒng)的安全技術(shù)等。

　　4.1突發(fā)信號(hào)的接收

　　由于EPON上行用TDMA方式，對(duì)于OLT來(lái)講,存在多個(gè)信號(hào)源(ONU)。ONU與OLT之間的不同距離以及線路特性上的差異,會(huì)造成各ONU的發(fā)送功率相同,OLT接收時(shí)卻各不相同,這就對(duì)OLT端的接收機(jī)提出了突發(fā)接收的要求。

　　解決突發(fā)信號(hào)接收問(wèn)題的一個(gè)方法是調(diào)整ONU的發(fā)送功率,使得OLT接收到的各ONU信號(hào)功率電平相等。但這種方法將使得ONU端發(fā)送機(jī)的設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜,發(fā)送功率調(diào)整后還可能對(duì)信號(hào)抗干擾性能有負(fù)面的影響,同時(shí)也使得OLT和ONU之間的控制協(xié)議復(fù)雜化,對(duì)系統(tǒng)的整體性能帶來(lái)較大的影響。現(xiàn)在人們采取的方法是在OLT端使用突發(fā)接收機(jī),采用各種突發(fā)接收技術(shù)來(lái)接收突發(fā)信號(hào),如直流耦合、交流耦合等。

　　4.2動(dòng)態(tài)帶寬分配（DBA）

　　在EPON系統(tǒng)中，在系統(tǒng)負(fù)載比較大或系統(tǒng)提供對(duì)帶寬要求比較高的業(yè)務(wù)或用戶對(duì)帶寬有特殊需求等情況下，為了更好地為各用戶提供各種業(yè)務(wù)，滿足用戶的特殊需求，并且提高上行帶寬利用率，靈活的帶寬分配策略和算法是非常重要的。

　　帶寬分配分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種，靜態(tài)帶寬由打開(kāi)的窗口尺寸決定，動(dòng)態(tài)帶寬則根據(jù)ONU的需要，由OLT分配。DBA技術(shù)是MAC層技術(shù)的關(guān)鍵，它直接關(guān)系到上行信道的利用率和數(shù)據(jù)時(shí)延，另外，DBA所具有的靈活性為進(jìn)行服務(wù)水平協(xié)商（SLA）提供了很好的實(shí)現(xiàn)途徑。

　　實(shí)現(xiàn)帶寬動(dòng)態(tài)分配的關(guān)鍵在于如何獲得ONU的實(shí)際狀態(tài)，各種DBA算法獲得ONU狀態(tài)的手段不同，目前MAC層爭(zhēng)論的焦點(diǎn)就是DBA算法和802.3.ah標(biāo)準(zhǔn)中是否確定統(tǒng)一的DBA算法。目前的方案是基于輪詢的帶寬分配方式，即OLT采用輪轉(zhuǎn)的方式對(duì)各ONU進(jìn)行輪詢，ONU在傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)流中嵌入其緩沖區(qū)內(nèi)等待以太數(shù)據(jù)包發(fā)送請(qǐng)求控制信息，OLT對(duì)各個(gè)ONU大小不一的帶寬請(qǐng)求信息按照限定最大發(fā)送窗的分配方案分別進(jìn)行授權(quán)。

　　4.3服務(wù)質(zhì)量QoS的實(shí)現(xiàn)

　　如何保證用戶所要求的服務(wù)質(zhì)量得以實(shí)現(xiàn)是接入網(wǎng)必須面對(duì)的問(wèn)題,由于以太網(wǎng)技術(shù)固有的機(jī)制，不提供端到端的包延時(shí)、包丟失率以及帶寬控制能力，因此難以支持實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的QoS。如何確保實(shí)時(shí)語(yǔ)音和IP視頻業(yè)務(wù)在一個(gè)傳輸平臺(tái)上以與ATM和SDH的QoS相同的性能分送到每個(gè)用戶，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。EPON倡導(dǎo)者從幾個(gè)方面著手解決這個(gè)問(wèn)題，主要有資源預(yù)留和區(qū)分服務(wù)等級(jí)這兩種技術(shù)應(yīng)用到EPON中來(lái),也就是說(shuō),EPON可以像區(qū)分服務(wù)那樣為不同服務(wù)質(zhì)量要求的信號(hào)設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí),保證信息包按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行傳遞。另外,EPON還可以采用保留帶寬的方式,為一些需要保證響應(yīng)時(shí)間的業(yè)務(wù)提供高速通道,例如傳輸語(yǔ)音業(yè)務(wù)，以確保POTS業(yè)務(wù)的質(zhì)量，避免這類業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)之間的競(jìng)爭(zhēng)。近來(lái),隨著多協(xié)議標(biāo)簽交換協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的確立,可以預(yù)見(jiàn),EPON服務(wù)質(zhì)量的保證必將在不遠(yuǎn)的將來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。

　　4.4安全性

　　在EPON系統(tǒng)中下行是以廣播的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸,如果一個(gè)惡意的ONU設(shè)置為混雜模式,就可以接收到所有的下行信息,因此安全性是一個(gè)很重要的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō),加密和解密可以在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及更高的協(xié)議層實(shí)現(xiàn)。ONU為了使自己的信息不被其他ONU讀懂，要求OLT在發(fā)送數(shù)據(jù)信息前按每個(gè)ONU自己提供的密碼(攪動(dòng)鍵)在傳輸匯聚層進(jìn)行攪動(dòng)加密，也可以考慮在高層使用適當(dāng)?shù)拿荑€對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擾碼。不過(guò)在MAC層以上實(shí)現(xiàn)的加密技術(shù)將只對(duì)MAC幀的負(fù)荷信息加密,幀頭信息則沒(méi)有加密，這種方案可以防止惡意的ONU獲取負(fù)荷信息,但是其他ONU的地址還是有可能被惡意的ONU截取。在物理層實(shí)現(xiàn)的加密,將對(duì)整個(gè)比特流(包括幀頭和CRC)進(jìn)行加密。在接收端,物理層首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，然后將解密的數(shù)據(jù)傳遞給MAC層驗(yàn)證。因?yàn)槊總€(gè)ONU采用不同的密鑰,即使是收到別的ONU的數(shù)據(jù)幀,也不能夠?qū)⑵浣饷艹删哂姓_格式的幀,因而不會(huì)被MAC層接受。在這種方案中,惡意的ONU不能獲得任何信息，但是這種方案要求OLT的物理層對(duì)不同的ONU使用不同的密鑰,這對(duì)物理層來(lái)說(shuō)是很難實(shí)現(xiàn)的。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　有線電視運(yùn)營(yíng)商日益面臨有線接入網(wǎng)絡(luò)的“瓶頸”，EPON系統(tǒng)可用于傳輸聲音、數(shù)據(jù)和視頻，是實(shí)現(xiàn)多媒體傳輸?shù)暮芎玫慕鉀Q方案。

　　基于EPON的有線電視全業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)是在HFC基礎(chǔ)上以EPON技術(shù)為核心的全業(yè)務(wù)系統(tǒng)，它可以向客戶提供可靠的服務(wù)質(zhì)量與雙向全業(yè)務(wù)服務(wù)，將傳統(tǒng)的有線電視網(wǎng)、PSTN、數(shù)據(jù)網(wǎng)合而為一,方便靈活地實(shí)現(xiàn)用戶話音/數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、Internet和多媒體業(yè)務(wù)等的接入，打破了阻礙寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展的所謂“最后1 km”的容量“瓶頸”，是利用CATV傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)CATV、PSTN、數(shù)據(jù)網(wǎng)三網(wǎng)合一的良好解決方案。

　　可以預(yù)見(jiàn)，有線電視運(yùn)營(yíng)商利用EPON技術(shù)建立基于以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的有線電視全業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)，可以向用戶提供服務(wù)質(zhì)量保證的交換式服務(wù)，在現(xiàn)有的HFC接入網(wǎng)絡(luò)上提供更多的帶寬，在節(jié)約成本的情況下為商業(yè)用戶和居民用戶創(chuàng)造出新的業(yè)務(wù)服務(wù)，同時(shí)增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　
摘自《中國(guó)有線電視》

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