有線電視接入網(wǎng)EPON+HiNOC技術(shù)探析

萬 倩，歐陽峰，李 博，崔競飛

（國家廣電總局廣播科學(xué)研究院；國家廣播電視網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京 100053）

當前，廣播電視網(wǎng)、電信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)正朝著“三網(wǎng)融合”的下一代廣播電視網(wǎng)NGB快速演進，三網(wǎng)融合下更加多元化的雙向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求促使廣電有線電視接入網(wǎng)需要通過建立回傳通道進行雙向化改造[1]。

目前有線電視接入網(wǎng)雙向改造技術(shù)主要有CMTS+CM，EPON+LAN和EPON+EoC[1]。CMTS+CM由于噪聲匯聚效應(yīng)，對同軸電纜及接頭質(zhì)量要求較高，由于CMTS的帶寬限制，可承載業(yè)務(wù)也有限。在光進銅退的大趨勢下，PON技術(shù)由于無源、電磁干擾小、運維方便、高帶寬、業(yè)務(wù)透明等特點在各級網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用，其中EPON協(xié)議簡單，對光收發(fā)模塊技術(shù)指標要求低，系統(tǒng)成本較低，另外，它繼承了以太網(wǎng)的可擴展性強、對IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)適配效率高等優(yōu)點，目前EPON技術(shù)和產(chǎn)品均已走向成熟，進入規(guī)模應(yīng)用階段。EPON+LAN是在光纖到樓的情況下采用五類線入戶，雖然網(wǎng)絡(luò)接入帶寬高、技術(shù)成熟、價格低，但重新入戶施工難度較大，同時對于視頻業(yè)務(wù)的QoS保障能力有限。EoC技術(shù)是在同軸電纜上傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號的技術(shù)，物理傳輸介質(zhì)是同軸電纜，數(shù)據(jù)傳輸可以使用基帶傳輸技術(shù)，也可以使用調(diào)制傳輸技術(shù)。EPON+EoC是在光纖逐步向樓頭推進的趨勢下采用有線電視樓內(nèi)分配網(wǎng)中的同軸電纜作為入戶接入手段，自然貼合了有線電視網(wǎng)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，僅通過添加相關(guān)調(diào)制解調(diào)器等終端設(shè)備，無須重新布線，高效率低投入，易于為用戶接受。

1 EPON+HiNOC接入網(wǎng)

HiNOC技術(shù)是由廣電總局廣播科學(xué)研究院于2005年起聯(lián)合北京大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等多家研究機構(gòu)聯(lián)合提出的一種自主創(chuàng)新的高性能同軸電纜雙向接入EoC技術(shù)，實現(xiàn)了基于同軸電纜的860 MHz以上頻帶的高速數(shù)據(jù)傳輸，工作頻帶滿足現(xiàn)有及未來有線電視網(wǎng)絡(luò)頻率規(guī)劃要求，技術(shù)上采用16 MHz的單信道頻帶（8 MHz可擴展），符合我國廣播電視頻帶規(guī)劃的要求，支持單信道業(yè)務(wù)速率40 Mbit/s以上[2]。

EPON+HiNOC接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，EPON網(wǎng)絡(luò)和HiNOC網(wǎng)絡(luò)分別采用中心結(jié)點全局控制的樹型拓撲結(jié)構(gòu)和星型拓撲結(jié)構(gòu)，下行方向是點對多點網(wǎng)絡(luò)，采用TDM廣播數(shù)據(jù)包，上行方向是多點對一點網(wǎng)絡(luò)，有著全雙工點到點的連接性，為了避免數(shù)據(jù)沖突且實現(xiàn)信道共享采用的是TDMA。

圖1 EPON+HiNOC接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

EPON+HiNOC接入網(wǎng)試驗系統(tǒng)將選取下一代網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)國家試驗床的部分區(qū)域開展規(guī)模試驗，開展以互動多媒體業(yè)務(wù)為主、順應(yīng)市場發(fā)展需求的業(yè)務(wù)試驗，為面向產(chǎn)業(yè)化的HiNOC終端設(shè)備應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

試驗系統(tǒng)依托上海的試驗網(wǎng)，分前端機房內(nèi)放置EP?ON網(wǎng)絡(luò)的匯聚設(shè)備OLT，OLT上行與總前端機房的大規(guī)模匯聚路由器ACR相連，下行將IP數(shù)據(jù)信號傳送到小區(qū)內(nèi)的各個光節(jié)點ONU，再經(jīng)過HiNOC網(wǎng)絡(luò)的局端（HB）將ONU中的IP數(shù)據(jù)信號調(diào)制成射頻信號，同時，CATV節(jié)目信號與其混合后通過原有的同軸電纜傳送到用戶家中的終端（HM），經(jīng)過HM解調(diào)后，傳送給TV和PC等終端設(shè)備。

從目前實驗室的原型系統(tǒng)測試情況來看，系統(tǒng)從頻率規(guī)劃、通信體制、傳輸效率、管理控制到業(yè)務(wù)服務(wù)能力都滿足《面向下一代廣播電視網(wǎng)（NGB）電纜接入技術(shù)（EoC）需求白皮書》中所規(guī)定的相關(guān)要求[3]。

2 EPON和HiNOC協(xié)議探析

EPON信道特性穩(wěn)定，光纖受外界干擾小，采用基帶信號傳輸，能在長距離、高速率的傳輸中保持低誤碼率，各ONU距OLT光纖路徑的不同決定了需要通過測距進行線路延時補償。HiNOC由于采用了860 MHz以上同軸電纜帶外信道，存在多徑效應(yīng)、差異性大和噪聲小的特點，多徑效應(yīng)決定了系統(tǒng)采用OFDM，差異性大且時變緩慢決定了各子載波可自適應(yīng)調(diào)制，噪聲小決定了信道條件好的子載波頻率可采用高階調(diào)制。由此可見，同軸電纜物理信道相比光信道復(fù)雜，EPON和HiNOC MAC層的運行機制也不同。

本文重點對EPON和HiNOC技術(shù)體系協(xié)議結(jié)構(gòu)以及MAC層運行機制進行分析研究。

2.1 EPON

2.1.1 協(xié)議結(jié)構(gòu)

IEEE第一英里以太網(wǎng)EFM研究組于2004年4月發(fā)布了EPON標準IEEE 802.3ah，其協(xié)議參考模型如圖2所示[4]。

圖2 EPON協(xié)議參考模型

EPON協(xié)議體系結(jié)構(gòu)主要是在IEEE 802.3協(xié)議體系機構(gòu)的MAC控制子層加上MPCP(Multi Point Control Pro?toeol，多點控制協(xié)議)，在RS子層上加上仿真子層P2PE（Point to Point Emulation，點對點仿真），考慮Ethernet應(yīng)用到公網(wǎng)以及運營商對網(wǎng)絡(luò)的運行、維護和管理需求而增加了OAM子層，針對EPON，PMD層也有所改變。

2.1.2 MPCP控制幀類型

IEEE 802.3ah中規(guī)定了MAC控制子層中的MPCP協(xié)議來實現(xiàn)OLT和ONU之間數(shù)據(jù)的有效傳輸。MPCP協(xié)議中控制幀類型如表1所示。

表1 MPCP協(xié)議控制幀類型

EPON MAC控制幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

EPON的幀結(jié)構(gòu)格式與IEEE的Ethernet數(shù)據(jù)幀格式兼容，并在Ethernet幀中加入時間戳、LLID等信息。LLID是EPON系統(tǒng)分配給通過P2PE點對點仿真子層建立起來的邏輯鏈接的一種數(shù)字標識，LLID只用于辨別鏈路，并不能代替VLAN，當幀到達端口后，就會去掉該幀的LLID，并進入MAC層。

圖3 EPON MAC控制幀結(jié)構(gòu)

2.1.3 MPCP運行機制

MPCP運行機制具體包括自動發(fā)現(xiàn)和帶寬分配兩部分內(nèi)容。

1）自動發(fā)現(xiàn)

OLT為了發(fā)現(xiàn)新激活的ONU，MPCP需要周期發(fā)起發(fā)現(xiàn)過程。自動發(fā)現(xiàn)的交互流程如圖4所示[4]。

圖4 自動發(fā)現(xiàn)交互流程

由圖4可見，OLT廣播GATE幀進行發(fā)現(xiàn)授權(quán)；未注冊的ONU收到后隨機延遲一段時間，再發(fā)送REGIS?TER_REG幀進行注冊請求；OLT收到后便為其分配LLID，再發(fā)送REGISTER幀給新發(fā)現(xiàn)的ONU進行注冊，然后向新ONU發(fā)送GATE幀進行普通授權(quán)；新ONU收到后回送REGISTER_ACK幀進行注冊確認，OLT收到后便完成了整個注冊過程。在此過程中，OLT可以要求ONU重新執(zhí)行發(fā)現(xiàn)進程并重新注冊。同樣，ONU也可以通知OLT請求注銷，然后通過發(fā)現(xiàn)進程進行重新注冊。

在發(fā)現(xiàn)窗口期間EPON的上行通道中不能傳輸正常的業(yè)務(wù)，在發(fā)現(xiàn)時隙內(nèi)未初始化的ONU通過隨機時延避免發(fā)送的REGISTER_REQ消息沖突，發(fā)現(xiàn)窗口至少與發(fā)現(xiàn)時隙同樣大小，考慮到EPON的最大距離為20 km，發(fā)現(xiàn)窗口≥發(fā)現(xiàn)時隙+200 μs。

2）帶寬分配

注冊以后為了維持OLT和ONU之間的通信，MPCP要給每個ONU提供周期性的授權(quán)。帶寬分配機制依賴于授權(quán)消息GATE幀和請求消息REPORT幀。GATE消息用于OLT給ONU分配時隙，REPORT消息用于ONU向OLT獲取時隙或者請求時隙。DBA（Dynamic Bandwidth Allocation，動態(tài)帶寬分配）的實現(xiàn)流程如圖5所示[4]。

圖5 DBA實現(xiàn)流程

OLT收到承載ONU帶寬請求信息的REPORT幀后根據(jù)一定的DBA算法給各ONU發(fā)送GATE幀實現(xiàn)動態(tài)帶寬分配。

由于各ONU距OLT光纖路徑的不同和各ONU元器件的不一致性造成OLT與各ONU間的環(huán)路時延不同，而且由于環(huán)境溫度的變化和器件老化等原因，環(huán)路延時也會發(fā)生不斷的變化，因此需要通過測距對時延差異進行補償，EPON通過GATE/REPORT機制完成測距，即測量ONU的物理距離，通過把所有ONU都調(diào)整到與OLT相同的邏輯距離處再進行時分復(fù)用來避免沖突，確保不同ONU所發(fā)出的信號能夠在OLT處準確地按時隙復(fù)用在一起。

2.2 HiNOC

2.2.1 協(xié)議結(jié)構(gòu)

HiNOC協(xié)議棧如圖6所示[5]。

圖6 HiNOC協(xié)議棧

HiNOC MAC層包括CPS（Common Part Sublayer，公共部分子層）和CS（Convergence Sublayer，匯聚子層），CS子層主要實現(xiàn)與高層的適配，通過HIMAC幀承載以太網(wǎng)MAC幀，CPS主要實現(xiàn)接入控制和帶寬分配。

2.2.2 幀類型

這里主要分析MAC層幀類型和物理層幀類型。1）MAC層幀類型

HiNOC MAC層分為控制幀、數(shù)據(jù)幀和信令幀。

（1）控制幀

控制幀用于實現(xiàn)信道預(yù)約和信道分配功能，包括MAP幀和預(yù)約幀，功能詳見表2。

表2 HIMAC控制幀

（2）數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀用于承載上層以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)與控制幀相同。

（3）信令幀

信令幀用于結(jié)點接納、結(jié)點退出和鏈路維護中信令的交互，分為下行信令幀（功能詳見表3）和上行信令幀（功能詳見表4）。

表3 下行信令幀

表4 上行信令幀

2）物理層幀類型

HiNOC物理層共分為4類幀：下行數(shù)據(jù)幀（Dd幀）、上行數(shù)據(jù)幀（Du幀）、下行探測幀（Pd幀）以及上行探測幀（Pu幀）。

（1）控制幀和數(shù)據(jù)幀的封裝方式

控制幀和數(shù)據(jù)幀利用PHY層的Dd/Du幀承載，封裝在Dd/Du幀的472 bit或432 bit的整數(shù)倍負載段中，若負載段長度不超過472 bit或432 bit的整數(shù)倍，則填充，封裝方式如圖7所示。

根據(jù)不同信道條件，Dd/Du幀的負載段會選擇進行BCH前向糾錯編碼或者不進行前向糾錯編碼，各子載波根據(jù)其所在頻點的信道狀況，對數(shù)據(jù)自適應(yīng)地采用QPSK～1024QAM映射方式中的一種，負載段最多包含256個OFDM符號。

（2）信令幀的封裝方式

信令幀利用PHY層的Pd/Pu幀承載，封裝在Pd/Pu幀的720 bit信令數(shù)據(jù)中。若信令幀長度不超過720 bit，則填充至720 bit，封裝方式如圖8所示。

圖8 信令幀的封裝方式

信令幀不進行前向糾錯信道編碼，擾碼完成后直接進行抗干擾能力強的DQPSK映射，再調(diào)制到兩個OFDM符號的有效子載波上。

2.2.3 MAC運行機制

MAC運行機制包括結(jié)點接納和帶寬分配兩個主要步驟。

1）結(jié)點接納

結(jié)點接納過程是指一個新的HM設(shè)備上電（或初始化）后，加入到現(xiàn)有HiNOC網(wǎng)絡(luò)的過程，接納過程如下：

（1）進行網(wǎng)絡(luò)搜索，HB利用Pd發(fā)送空幀，新的HM進行下行信道訓(xùn)練。

（2）交互接納請求和接納響應(yīng)幀。

（3）進行接納確認。

（4）交互下行信道訓(xùn)練報告，主要完成下行信道報告幀的交互。

（5）進行上行信道訓(xùn)練。

（6）交互上行信道訓(xùn)練報告，主要完成上行信道報告幀的交互。

（7）發(fā)布新的廣播信道參數(shù)。

（8）穩(wěn)態(tài)，新結(jié)點完成接納，開始收、發(fā)MAC層數(shù)據(jù)。

2）帶寬分配

信道訪問控制與帶寬分配機制如下：

（1）各個HM必須先接納到HiNOC網(wǎng)絡(luò)后，才能訪問信道。

（2）HM被接納到網(wǎng)絡(luò)后，其對信道的訪問完全在HB的集中控制下進行。

（3）HB將信道劃分為在時間軸上連續(xù)且互不重疊的時間段，每個時間段稱為一個MAP（Media Access Plan，媒質(zhì)接入規(guī)劃）周期。在每個MAP周期中HB通過發(fā)送一種特定的MAP幀向各結(jié)點發(fā)布下一MAP周期的起止時刻以及該周期內(nèi)的信道分配策略。

（4）各HM通過預(yù)約/許可機制實現(xiàn)信道訪問。在每個MAP周期內(nèi)，HB為HM分配預(yù)約幀發(fā)送時隙，HM利用各自的預(yù)約時隙向HB預(yù)約信道。HB收到預(yù)約幀后，通過MAP幀發(fā)布信道分配方案，HM根據(jù)MAP幀判斷是否獲得了接入許可，并按照MAP分配的時隙收發(fā)相應(yīng)信息。下行數(shù)據(jù)不需要預(yù)約信道，由HB直接在MAP幀中規(guī)定發(fā)送時隙，各HM通過接收MAP幀知道何時接收下行數(shù)據(jù)幀。MAP周期與Pd幀、Pu幀的關(guān)系如圖9所示。

HiNOC網(wǎng)絡(luò)以Pd幀的起始時刻作為網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一的時間基準，每個MAP周期起止時刻均是相對于所屬Pd周期中Pd幀起始時刻的偏移時間，在Pd幀中指出了其后第一個MAP幀的起止位置，MAP周期不能跨越Pd和Pu幀。

圖9 MAP周期與Pd/Pu幀的關(guān)系

3 小結(jié)

由于EPON和HiNOC的物理信道特性不同，MAC層運行實現(xiàn)機制各異。在帶寬分配策略方面，為了避免沖突，EPON上行信道接入采用非沖突的集中式，定義了與具體DBA算法無關(guān)的支撐機制MPCP，通過MAC控制幀實現(xiàn)EPON中各種帶寬分配方案，同時實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)啟動和測距等功能；而HiNOC則定義了預(yù)約/許可機制實現(xiàn)靈活的帶寬分配策略，其中MAC層的控制幀和數(shù)據(jù)幀利用PHY層的Dd/Du幀承載，MAC層的信令幀利用PHY層的Pd/Pu幀承載，不同類型的PHY幀采用不同的組幀方式，提高信道利用率的同時可更好地實施QoS管理。

在三網(wǎng)融合的大背景下，面向FTTB的應(yīng)用場景下廣電運營商采用EPON和HiNOC技術(shù)有助于綜合利用網(wǎng)絡(luò)資源，快速完成NGB接入層的建設(shè)，減少重復(fù)建設(shè)，節(jié)約建設(shè)和運維成本。本文基于EPON+HiNOC雙向改造方案，對EPON和HiNOC的網(wǎng)絡(luò)拓撲、協(xié)議結(jié)構(gòu)以及MAC層運行機制進行了比對分析，為有線電視接入網(wǎng)雙向改造方案的選擇提供技術(shù)參考。

[1]國家廣播電影電視總局科技司.有線電視網(wǎng)雙向化改造指導(dǎo)意見[EB/OL].[2011-12-01].http://wenku.baidu.com/view/4fe87c5577232f60ddcca183.html.

[2]歐陽峰，崔競飛.HiNOC技術(shù)概述和進展[J].電視技術(shù)，2011，35（12）：11-13.

[3]國家廣播電影電視總局科技司.面向下一代廣播電視網(wǎng)（NGB）電纜接入技術(shù)（EoC）需求白皮書[EB/OL].[2012-02-01].http://wenku.baidu.com/view/23cccaf9aef8941ea76e05cf.html.

[4]陳雪，孫曙和，劉東，等.基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社，2007.

[5]張冰.流媒體業(yè)務(wù)的寬帶接入與擁塞控制技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2008.