雙向數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)淺析

王凱張宏宇

雙向數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)淺析

王凱1張宏宇2

1.2.內(nèi)蒙古廣播電視網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司內(nèi)蒙古呼和浩特市010010

本文從內(nèi)蒙古廣播電視網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司正在采用的雙向數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)入手，結(jié)合數(shù)據(jù)接入寬帶的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，對(duì)目前主用的三種雙向數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)進(jìn)行分析和論述。

接入網(wǎng)CMTS FTTH

引言

2009年，內(nèi)蒙古廣播電視網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司推出數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)，對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)12個(gè)盟市接入網(wǎng)進(jìn)行雙向化改造。通過幾年的改造，如今全區(qū)雙向用戶發(fā)展數(shù)十萬，基本形成城鎮(zhèn)規(guī)模的雙向化接入網(wǎng)絡(luò)。業(yè)務(wù)不斷摸索發(fā)展過程，也是技術(shù)日新月異的演進(jìn)過程，在不同的發(fā)展階段面臨的新的雙向數(shù)據(jù)接入技術(shù)不斷升級(jí)。目前，內(nèi)蒙古廣播電視網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司接入網(wǎng)絡(luò)主要有如下三種技術(shù)：CMTS、C-CMTS以及FTTH，本文主要對(duì)這三種技術(shù)進(jìn)行分析。

1 CMTS技術(shù)

CMTS（Cable Modem Terminal Systems）線纜調(diào)制解調(diào)器終端系統(tǒng)，在以有線電視網(wǎng)絡(luò)為傳輸介質(zhì)的寬帶網(wǎng)絡(luò)中使用領(lǐng)域，也稱為有線寬帶路由器。CMTS作為整個(gè)CMTS系統(tǒng)的局端設(shè)備，在與Cable Modem配合使用下，為有線電視網(wǎng)用戶提供數(shù)據(jù)接入服務(wù)，同時(shí)完成對(duì)IP數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)、轉(zhuǎn)換和路由功能。上聯(lián)路由器的數(shù)據(jù)包經(jīng)由CMTS重新封裝，以MPEG2-TS幀的形式采用QAM調(diào)制后通過HFC網(wǎng)絡(luò)傳給各CM終端。同時(shí)，CMTS將接收到的經(jīng)過調(diào)制的上行數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，并轉(zhuǎn)換成路由器可以識(shí)別的以太幀。

張宏宇內(nèi)蒙古廣播電視網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司助理工程師

CM（Cable Modem）電纜調(diào)制解調(diào)器又名線纜調(diào)制解調(diào)器，主要用于有線電視網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制解調(diào)器。與CMTS設(shè)備相配合使用，利用典型的電視頻道（50～1000MHz的范圍）進(jìn)行下行方向的數(shù)據(jù)解調(diào)，利用5～65MHz頻率來進(jìn)行上行方向的數(shù)據(jù)調(diào)制（CMTS作用機(jī)理與CM相反）。如圖1所示

圖1　有線電視雙向HFC網(wǎng)絡(luò)圖

CM線纜調(diào)制解調(diào)器與以往的調(diào)制解調(diào)器在原理上的相同之處為：都是在電纜的一個(gè)頻率范圍內(nèi)通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制后傳輸。反之，在接收時(shí)進(jìn)行解調(diào)。不同之處在于：CM是通過有線電視的某個(gè)傳輸頻帶進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，而普通Modem的傳輸介質(zhì)屬于用戶獨(dú)享通訊介質(zhì)。CM屬于共享介質(zhì)系統(tǒng)，剩余空閑頻段仍然可以用于有線電視信號(hào)的傳輸。

圖2　CMTS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CM與CMTS進(jìn)行通信，首先需要CM進(jìn)行上線，完成與CMTS的配對(duì)，即完成CM從CMTS獲取上下行信道參數(shù)，然后通過向DHCP服務(wù)器發(fā)出地址申請(qǐng)并與TOD服務(wù)器建立連接，當(dāng)獲取正確的地址和配置文件之后，即可與CMTS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。

CMTS的調(diào)制方式和端口數(shù)量決定了HFC網(wǎng)絡(luò)帶寬的容量，上下行信道數(shù)據(jù)調(diào)制可以根據(jù)需要，承載對(duì)稱或者非對(duì)稱數(shù)據(jù)流。如圖2所示

CMTS的信道參數(shù)：

HFC網(wǎng)絡(luò)容量是基于CMTS的調(diào)制解調(diào)能力。CMTS的調(diào)制解調(diào)能力則取決于CMTS的信道參數(shù)，因此，CMTS信道參數(shù)決定了HFC網(wǎng)絡(luò)理論數(shù)據(jù)帶寬的基礎(chǔ)。

CMTS的信道作用和參數(shù)如下：

上下行信道頻點(diǎn)：提供載波頻率；

上下行信道頻寬：提供數(shù)據(jù)調(diào)制載波有效范圍和安全隔離度；

上下行信道載波技術(shù)方式：針對(duì)載波在不同情況下使用的抗干擾技術(shù)方式；

上下行信道調(diào)制方式：用于決定理想情況下信道帶寬的容量；

上下行端口接收和發(fā)射電平（功率）：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的鏈路衰減和噪音干擾情況設(shè)定的發(fā)射（或者接收）功率值（或范圍）。如表1所示

表1　調(diào)制方式與調(diào)制帶寬對(duì)應(yīng)表

圖3　C-CMTS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 C-CMTS技術(shù)

C-CMTS系統(tǒng)是一個(gè)將CMTS與EPON相結(jié)合的解決方案。C-CMTS系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：前端部署EPON系統(tǒng)的OLT設(shè)備，接入網(wǎng)部分部署C-CMTS作為核心設(shè)備，調(diào)制解調(diào)器CM部署在終端。其技術(shù)本質(zhì)是CMTS，體現(xiàn)在核心設(shè)備C-CMTS采用兼容DOCSIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的C-DOCSIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，與CMTS系統(tǒng)相同，充分利用廣電現(xiàn)有光纖-同軸網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用與廣電現(xiàn)有方式保持一致的頻點(diǎn)規(guī)劃。而其組網(wǎng)本質(zhì)與EPON組網(wǎng)方式相似，體現(xiàn)在C-CMTS系統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)傳輸部分采用EPON傳輸方式；C-CMTS部署在光節(jié)點(diǎn)處，EPON的傳輸過程通過核心功能設(shè)備C-CMTS內(nèi)置ONU與OLT完成相應(yīng)功能，然后進(jìn)入CMTS模塊部分內(nèi)部將IP數(shù)據(jù)調(diào)制成射頻電信號(hào)方式進(jìn)行輸出，根據(jù)C-DOCSIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用8MHz安全頻帶一個(gè)頻點(diǎn)的方式，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況調(diào)制方式可靈活選擇64～1024QAM方式，一般情況下默認(rèn)選擇256QAM方式，單頻點(diǎn)調(diào)制可達(dá)50Mbps數(shù)據(jù)輸出；部署在終端的CM完成下行信號(hào)的解調(diào)輸出IP信號(hào)。如圖3所示

原有DOCSIS所支持的CMTS技術(shù)只適合低帶寬、廣覆蓋的場(chǎng)景，如果需要擴(kuò)容帶寬，則需要在分前端機(jī)房中增加CMTS設(shè)備以及相應(yīng)的光平臺(tái)等昂貴設(shè)備，除了占據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)寶貴的空間資源不說而且在新增光節(jié)點(diǎn)的過程中，需要大量獨(dú)立的光纖資源作為回傳通道，光纖的鋪設(shè)投資巨大，總體造成網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的成本迅速上升，越來越不能滿足實(shí)際環(huán)境復(fù)雜的HFC網(wǎng)絡(luò)，更不用說向下一代網(wǎng)絡(luò)的延伸。所以作為接收標(biāo)準(zhǔn)傳承性的C-DOCSIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的產(chǎn)生可以再解決以上現(xiàn)有問題的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)向下一代網(wǎng)絡(luò)的跨越。

C-DOCSIS系統(tǒng)也稱作China DOCSIS系統(tǒng)，是Cable Modem系統(tǒng)的一種，其設(shè)備主要包括CMTS同軸電纜調(diào)制解調(diào)器終端系統(tǒng)（Cable Modem Termination System）及CM同軸電纜調(diào)制解調(diào)器（Cable Modem）。位于前端機(jī)房放置的CMTS屬于射頻器件，也是一種比較特殊的路由器，所有的CM都?xì)wCMTS管理。CMTS的管理內(nèi)容有∶

（1）CM承載的所有的通信信息交換業(yè)務(wù)；

（2）管理CM發(fā)送信號(hào)上行時(shí)隙；

（3）同步，即時(shí)延管理；

（4）CM的發(fā)射和接收功率；

圖4　PON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

CMTS設(shè)備連接著干線網(wǎng)與HFC網(wǎng)，這就需要其在兩網(wǎng)絡(luò)間傳輸數(shù)據(jù)包的同時(shí)，還需要在HFC上、下行信道間傳送數(shù)據(jù)包，作為家庭網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備CM的路由轉(zhuǎn)接節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)連接通信。C-DOCSIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)繼承原有D0CSIS3.0標(biāo)準(zhǔn)對(duì)HFC網(wǎng)絡(luò)定義為∶“光信號(hào)通過光節(jié)點(diǎn)與前端設(shè)備之間的光纖干線進(jìn)行傳輸，用戶端與光節(jié)點(diǎn)以同軸電纜作為雙向媒介寬傳輸電信號(hào)的傳輸系統(tǒng)”。C-DOCSIS延續(xù)了D0CSIS3.0主要規(guī)范，包括MAC和上層協(xié)議接口規(guī)范（MULPI） 、運(yùn)營(yíng)支持系統(tǒng)接口規(guī)范（OSSI）、安全業(yè)務(wù)規(guī)范（SEC）、物理層接口規(guī)范（PHY），以及上下行信道的捆綁和滿足IPv6要求等。C-DOCSIS是中國(guó)廣電行業(yè)落實(shí)三網(wǎng)融合過程中所采用的主要寬帶標(biāo)準(zhǔn)。

C-DOCSIS技術(shù)應(yīng)用具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）保護(hù)原有投資，減少改造成本

（2）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，快速接入

（3）運(yùn)營(yíng)方便

（4）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一致性

（5）頻點(diǎn)資源充分利用

（6）頻道綁定技術(shù)

（7）融入IPv6技術(shù)

3 FTTH技術(shù)

目前我公司實(shí)網(wǎng)FTTH技術(shù)方案中采用EPON接入標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，EPON技術(shù)采用點(diǎn)到多點(diǎn)的用戶網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻的全業(yè)務(wù)接入的目的，主要由OLT、ODN、ONU三個(gè)部分構(gòu)成。如圖4所示

其中，OLT既是一個(gè)交換機(jī)或路由器，又是一個(gè)多業(yè)務(wù)提供平臺(tái)，它提供面向無源光纖網(wǎng)絡(luò)的光纖接口（PON接口），作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)/節(jié)點(diǎn)的核心和主導(dǎo)部分，完成ONU注冊(cè)和管理、全網(wǎng)的同步和管理以及協(xié)議的轉(zhuǎn)換、與上聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之間的通信等功能。

ONU作為用戶端設(shè)備在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中屬于從屬部分，完成與OLT之間的正常通信并為終端用戶提供不同的應(yīng)用端口。

ODN在網(wǎng)絡(luò)中的定義為從OLT-ONU的線路部分，包括光纜、配線部分以及分光器（Splitter）全部為無源器件，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)妮d體。其中光纜部分選用G.652、G.657系列的全部型號(hào)光纖，分光器可以從1∶2-1∶64可選，OLT到ONU之間的傳輸距離一般20km以內(nèi)，分光器分光比例越高，光衰耗越大。OLT（Optical Line Terminal）放在中心機(jī)房，ONU（Optical Network U-nit）放在用戶設(shè)備端附近或與其合為一體。無源光纖分支器是一個(gè)連接OLT和ONU的無源設(shè)備，它的功能是分發(fā)下行數(shù)據(jù)，并集中上行數(shù)據(jù)。EPON中使用單芯光纖，在一根芯上轉(zhuǎn)送上下行兩個(gè)波（上行波長(zhǎng)：1310nm，下行波長(zhǎng)：1490nm，另外還可以在這個(gè)芯上下行疊加1550nm的波長(zhǎng)，來傳遞電視信號(hào)）。

在下行方向，IP數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻等多種業(yè)務(wù)由位于中心局的OLT，采用廣播方式，通過ODN中的1：N無源分光器分配到PON上的所有ONU單元。在上行方向，來自各個(gè)ONU的多種業(yè)務(wù)信息互不干擾地通過ODN中的1：N無源分光器耦合到同一根光纖，最終送到位于局端OLT接收端。

FTTH結(jié)構(gòu)均在路邊設(shè)置無源分光器，并將ONU移至用戶的辦公室或家中，是真正全透明的光纖網(wǎng)絡(luò)，它們不受任何傳輸制式、帶寬、波長(zhǎng)和傳輸技術(shù)的約束，是光纖接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的理想模式和長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。

EPON的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

（1）相對(duì)成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單，容易擴(kuò)展，易于升級(jí)。

（2）提供非常高的帶寬。EPON目前可以提供上下行對(duì)稱的1.25Gbps的帶寬，并且隨著以太技術(shù)的發(fā)展可以升級(jí)到10Gbps。

（3）服務(wù)范圍大，EPON作為一種點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，可以利用局端單個(gè)光模塊及光纖資源，服務(wù)大量終端用戶。

（4）帶寬分配靈活，服務(wù)有保證。對(duì)帶寬的分配和保證都有一套完整的體系。EPON可以通過DBA（動(dòng)態(tài)帶寬算法）、DiffServ、PQ/WFQ、WRED等來實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行帶寬分配，并保證每個(gè)用戶的QoS。

我們來展示一下EPON的完整傳輸過程：

當(dāng)OLT啟動(dòng)后，它會(huì)周期性的在本端口上廣播允許接入的時(shí)隙等信息。ONU上電后，根據(jù)OLT廣播的允許接入信息，主動(dòng)發(fā)起注冊(cè)請(qǐng)求，OLT通過對(duì)ONU的認(rèn)證（本過程可選），允許ONU接入，并給請(qǐng)求注冊(cè)的ONU分配一個(gè)本OLT端口唯一的一個(gè)邏輯鏈路標(biāo)識(shí)（LLID）。

數(shù)據(jù)從OLT到多個(gè)ONU以廣播式下行（時(shí)分復(fù)用技術(shù)TDM），根據(jù)IEEE802.3ah協(xié)議，每一個(gè)數(shù)據(jù)幀的幀頭包含前面注冊(cè)時(shí)分配的、特定ONU的邏輯鏈路標(biāo)識(shí)（LLID），該標(biāo)識(shí)表明本數(shù)據(jù)幀是給ONU（ONU1、ONU2、ONU3……ONUn）中的唯一一個(gè)。另外，部分?jǐn)?shù)據(jù)幀可以是給所有的ONU（廣播式）或者特殊的一組ONU（組播），在1：N分光器處，流量分成獨(dú)立的N組信號(hào)，每一組載到所有ONU的信號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)到達(dá)ONU時(shí)，ONU根據(jù)LLID，在物理層上做判斷，接收給它自己的數(shù)據(jù)幀，摒棄那些給其它ONU的數(shù)據(jù)幀。

對(duì)于上行，采用時(shí)分多址接入技術(shù)（TDMA）分時(shí)隙給ONU傳輸上行流量。當(dāng)ONU在注冊(cè)時(shí)成功后，OLT會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的配置，給ONU分配特定的帶寬，在采用動(dòng)態(tài)帶寬調(diào)整時(shí)，OLT會(huì)根據(jù)指定的帶寬分配策略和各個(gè)ONU的狀態(tài)報(bào)告，動(dòng)態(tài)的給每一個(gè)ONU分配帶寬。帶寬對(duì)于PON層面來說，就是多少可以傳輸數(shù)據(jù)的基本時(shí)隙，每一個(gè)基本時(shí)隙單位時(shí)間長(zhǎng)度為16ns。

在一個(gè)OLT端口（PON端口）下面，所有的ONU與OLT PON端口之間時(shí)鐘是嚴(yán)格同步的，每一個(gè)ONU只能夠在OLT給他分配的時(shí)刻上面開始，用分配給它的時(shí)隙長(zhǎng)度傳輸數(shù)據(jù)。通過時(shí)隙分配和時(shí)延補(bǔ)償，確保多個(gè)ONU的數(shù)據(jù)信號(hào)耦合到一根光纖時(shí)，各個(gè)ONU的上行包不會(huì)互相干擾。

結(jié)語(yǔ)

雙向接入網(wǎng)技術(shù)在不斷進(jìn)步，但是并不能以此得出新的技術(shù)必定比老的技術(shù)更加在現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)環(huán)境中適用。想達(dá)到最佳運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)，需要“合適的技術(shù)用在合適的環(huán)境中”，并且不斷為更好的技術(shù)創(chuàng)造適用的條件以體現(xiàn)其優(yōu)越性。由于CMTS技術(shù)的廣覆蓋特性，在一定時(shí)間內(nèi)還需要因?yàn)楸Ｕ锨捌谕顿Y以及滿足用戶相應(yīng)需求而繼續(xù)存在下去。而采用C-DOCSIS技術(shù)優(yōu)化，既保護(hù)了前期原有對(duì)網(wǎng)絡(luò)的投資，同時(shí)又滿足未來業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，解決了目前網(wǎng)絡(luò)中存在的帶寬容量小、匯聚噪聲大、維護(hù)繁瑣困難、光鏈路資源不足、頻點(diǎn)資源緊張等困擾廣電現(xiàn)有業(yè)務(wù)以及未來業(yè)務(wù)發(fā)展的諸多問題。但是隨著接入網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展以及具有大數(shù)據(jù)特征的社會(huì)需求趨勢(shì)下，還需要逐漸完善我們現(xiàn)有的一、二級(jí)光網(wǎng)絡(luò)，不斷發(fā)展更加優(yōu)質(zhì)的光接入網(wǎng)絡(luò)來為我們的核心競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)行加分。

審稿人：周速飛內(nèi)蒙古廣播電視網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司正高級(jí)工程師

責(zé)任編輯：烏日山

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2096-0751（2016）03-0020-05

王凱內(nèi)蒙古廣播電視網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司助理工程師