“雙千兆”和“超高清”趨勢下有線電視網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)升級改造思路淺析

周戎帆

（中廣電廣播電影電視設(shè)計(jì)研究院，北京 100045）

0 引 言

從2010年至今，全國廣電有線電視網(wǎng)絡(luò)不斷升級改造，已基本實(shí)現(xiàn)雙向化、寬帶化，普遍能達(dá)到高清視頻、200 Mb·s-1寬帶業(yè)務(wù)承載接入能力。2021年3月，工業(yè)和信息化部印發(fā)《“雙千兆”網(wǎng)絡(luò)協(xié)同發(fā)展行動計(jì)劃（2021-2023年）》，提出建設(shè)以千兆光網(wǎng)和5G為代表的“雙千兆”網(wǎng)絡(luò)。2021年8月，國家廣播電視總局發(fā)布《廣播電視和網(wǎng)絡(luò)視聽“十四五”科技發(fā)展規(guī)劃》和《超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計(jì)劃（2019-2022年）》，對有線電視網(wǎng)絡(luò)提出超高清業(yè)務(wù)承載接入要求。本文結(jié)合有線電視接入網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀和業(yè)務(wù)發(fā)展需求，分析在“雙千兆”和“超高清”趨勢下寬帶網(wǎng)和廣播網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展趨勢，并提出有線電視網(wǎng)路的升級改造思路。

1 有線電視網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀

有線電視接入網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過多次迭代，全國各省已形成基于EPON和GPON的兩大技術(shù)體系的HFC+FTTH雙網(wǎng)模式。

混合光纖同軸電纜（Hybrid Fiber Coax，HFC）網(wǎng)主要分為1 550 nm+EPON+EoC/LAN和1 550 nm+GPON+C-DOCSIS兩種技術(shù)體系。光網(wǎng)部分采用雙纖三波方式，1 550 nm模擬光傳輸技術(shù)提供下行直播單向通道，EPON或者GPON技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。同軸網(wǎng)部分則利用EoC/LAN/C-DOCSIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)疊加。HFC網(wǎng)目前基本實(shí)現(xiàn)光纖到樓（Fiber to The Building，F(xiàn)TTB），用戶戶均帶寬達(dá)到100～300 Mb·s-1。

光纖到戶（Fibre To The Home，F(xiàn)TTH）網(wǎng)主要采用1 550 nm+EPON/GPON方式。1 550 nm模擬光傳輸技術(shù)提供下行直播單向通道，EPON/GPON技術(shù)實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)雙向數(shù)據(jù)傳輸。

2 業(yè)務(wù)發(fā)展對接入能力的要求

根據(jù)國家和行業(yè)政策要求，有線電視網(wǎng)絡(luò)需要支撐超高清視頻傳輸并提供千兆接入。運(yùn)營級4K速率為32.5～45.5 Mb·s-1。假設(shè)戶均6個終端，按運(yùn)營速率上限計(jì)，并發(fā)時帶寬需求達(dá)到276 Mb·s-1。點(diǎn)播視頻碼率波動約為均值的2.5倍，單戶峰值碼率將超過500 Mb·s-1。因此，為滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需要，廣播網(wǎng)和寬帶網(wǎng)應(yīng)同時具備千兆能力。

3 接入網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 FTTH是最終方式

HFC網(wǎng)絡(luò)的光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已達(dá)到FTTB，但近年來同軸網(wǎng)傳輸技術(shù)在發(fā)展上存在瓶頸，受傳輸介質(zhì)、調(diào)制技術(shù)、頻率資源等多方面限制，無法滿足千兆接入及未來更高速寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展需要。FTTH網(wǎng)絡(luò)具有超高的傳輸容量、超低損耗和超長的使用壽命等特點(diǎn)，可以支撐更高質(zhì)量和需求的業(yè)務(wù)。同時，F(xiàn)TTH擁有更龐大的產(chǎn)業(yè)鏈作支撐，其技術(shù)迭代也更加迅速。因此，F(xiàn)TTH是有線電視網(wǎng)接入網(wǎng)建設(shè)的最終方式。

3.2 雙纖三波方式體現(xiàn)視頻專家優(yōu)勢

有線電視網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的政治和民生屬性，安全播出是有線電視網(wǎng)絡(luò)第一要務(wù)，高品質(zhì)視頻業(yè)務(wù)提供是有線電視網(wǎng)絡(luò)的核心競爭力。2020年10月，國家廣播電視總局科技司印發(fā)《有線電視網(wǎng)絡(luò)升級改造技術(shù)實(shí)施指南（2020-2023年）》提出，新建網(wǎng)絡(luò)使用FTTH雙纖入戶方案，1芯承載廣播業(yè)務(wù)和VOD業(yè)務(wù)，1芯承載寬帶業(yè)務(wù)和互動信令；既有網(wǎng)絡(luò)向FTTH雙纖入戶方案升級改造。FTTH雙纖三波模式是有線電視網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要模式，獨(dú)立的、與寬帶業(yè)務(wù)隔離的廣播業(yè)務(wù)通道能為超高清廣播提供安全和質(zhì)量保障。

3.3 寬帶網(wǎng)向10G-PON發(fā)展

在千兆接入網(wǎng)建設(shè)要求下，有線電視接入網(wǎng)將處于1G-PON和10G-PON共存階段，并逐漸向全10G-PON演進(jìn)。

3.3.1 1G-EPON向10G-EPON演進(jìn)

10G-EPON與1G-EPON共光分配網(wǎng)（Optical Distribution Network，ODN）組網(wǎng)時，下行方向光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）以波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）方 式通過不同的波長廣播數(shù)據(jù)；上行方向采用時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）方式對不同光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU）上行數(shù)據(jù)進(jìn)行仲裁。通過增配10G EPON OLT，配置支持雙速的PON口模塊，將原1G-EPON OLT PON接口光纖割接到10G-EPON OLT上，即可實(shí)現(xiàn)1G-EPON網(wǎng)絡(luò)向10G-EPON網(wǎng)絡(luò)升級。

3.3.2 GPON向XG（S）-PON演進(jìn)

GPON與XG-PON或XGS-PON共ODN組 網(wǎng)時，GPON與XG（S）-PON上下行工作頻段完全不重合，需要在OLT側(cè)配置WDM1r合分波器件，通過WDM方式共享ODN。通過增配XG（S）-PON OLT，增加獨(dú)立的WDM1r合分波器件或者選用帶Combo模塊的業(yè)務(wù)板卡，割接GPON業(yè)務(wù)板接口至WDM1r上或Combo業(yè)務(wù)板上，即可實(shí)現(xiàn)GPON網(wǎng)絡(luò)向XG（S）-PON網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)。

3.4 萬兆單向IP廣播升級廣電1 550 nm模擬光傳輸系統(tǒng)

3.4.1 萬兆單向IP廣播突破頻道限制

萬兆單向IP廣播系統(tǒng)基于基帶IP信號光纖傳輸技術(shù)，不再受調(diào)制和頻點(diǎn)限制，具有高達(dá)10 Gb·s-1容量的IP廣播傳輸信道，相較于傳統(tǒng)QAM調(diào)制方式更適合超高清視頻傳輸。

萬兆單向IP廣播系統(tǒng)由IP廣播前端、IP廣播傳輸網(wǎng)以及IP廣播接收模塊三部分組成。萬兆單向IP廣播光網(wǎng)絡(luò)可以單獨(dú)構(gòu)成一個單向廣播系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行開展電視廣播業(yè)務(wù)，也可以與雙向傳輸系統(tǒng)共同構(gòu)建一張萬兆寬帶接入網(wǎng)，即I-PON方案[1]。

萬兆單向IP廣播系統(tǒng)采用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）。UDP是無連接協(xié)議，其優(yōu)點(diǎn)是沒有建立連接的過程，傳輸速度快，網(wǎng)絡(luò)開銷少，適合傳輸視頻。萬兆單向IP廣播網(wǎng)絡(luò)的前端到用戶終端之間可以完全沒有路由和交換環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)全鏈路10 Gb·s-1，滿足UDP不丟包的條件，通過組播方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)的全廣播模式。

3.4.2 傳統(tǒng)廣播1 550 nm光傳輸網(wǎng)向萬兆單向IP廣播網(wǎng)演進(jìn)

傳統(tǒng)廣播1 550 nm光傳輸網(wǎng)采用EDFA級聯(lián)模式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳輸。光發(fā)射機(jī)輸出后光放級聯(lián)數(shù)通常為3～4級。EDFA級聯(lián)模式是一種邏輯星型、物理可成環(huán)網(wǎng)絡(luò)，是最常見的廣播信號傳輸模式，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)RF FTTH網(wǎng)絡(luò)中1 550 nm光傳輸系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

對于省級接入網(wǎng)而言，中繼串接模式相較于非星型結(jié)構(gòu)，更有利于保障廣播通道質(zhì)量、簡化維護(hù)、方便開通。

I-PON中繼級聯(lián)技術(shù)的特點(diǎn)是：每段距離產(chǎn)生的色散失真都由中繼器重新整形后完全消除，不再需要做色散補(bǔ)償；沒有EDFA，不再引入光信噪比（Optical Signal Noise Ratio，OSNR）劣化。這種模式極大程度地簡化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型和數(shù)量，便于維護(hù)。目前I-PON中繼段距離可以達(dá)到80 km[2]。

I-PON中繼技術(shù)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)接入機(jī)房位置和光纜路由長度配置相應(yīng)的I-PON中繼器及光模塊，即可實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)重構(gòu)[3-4]。數(shù)據(jù)鏈路終端（Data Link Terminal，DLT）數(shù)量可根據(jù)互動用戶數(shù)進(jìn)行配置，并可通過DLT下移至接入機(jī)房，實(shí)現(xiàn)I-PON局端的分布式構(gòu)造，增加互動用戶承載能力。

圖2 I-PON中繼技術(shù)環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

由于萬兆IP光信號功率普遍較小，一般低于0 dBm，光放大器屬于弱信號飽和輸出放大，因此光放大器的噪聲系數(shù)要小于6 dB，光放大器輸出端必須內(nèi)置光隔離器。為避免信號質(zhì)量劣化，光放大器級聯(lián)數(shù)不應(yīng)超過2級。可采用摻鉺釔光放大器實(shí)現(xiàn)設(shè)備集成化，節(jié)約機(jī)房空間。主備摻鉺釔光放大器可以通過短線電纜相連接實(shí)現(xiàn)互相監(jiān)測，后接2×N光分路器即可實(shí)現(xiàn)光放1+1熱備份，不再需要外置光切換開關(guān)。

傳統(tǒng)廣播1 550 nm光傳輸網(wǎng)和I-PON網(wǎng)絡(luò)的末級EDFA到用戶端允許的光功率損耗接近，且傳統(tǒng)廣播1 550 nm光傳輸網(wǎng)的光功率預(yù)留量較大，光放大器至用戶的ODN可以不再進(jìn)行改動。

4 有線電視網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)升級改造思路

從技術(shù)發(fā)展趨勢可以看出，有線電視網(wǎng)絡(luò)最終將發(fā)展為雙纖三波FTTH網(wǎng)，I-PON+10G-PON方案是理想的技術(shù)方案[5]。傳統(tǒng)1 550 nm單向廣播網(wǎng)改造為萬兆單向IP廣播網(wǎng)，寬帶網(wǎng)升級為10G-PON網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)升級改造主要工作如下：

（1）HFC網(wǎng)盡快完成FTTH網(wǎng)升級；

（2）改造有線電視前端，建設(shè)萬兆單向IP廣播干線傳輸網(wǎng)；

（3）擴(kuò)容傳輸網(wǎng)，滿足千兆寬帶業(yè)務(wù)承載需求；

（4）升級1G-PON系統(tǒng)為10G-PON系統(tǒng)，采用共ODN模式，機(jī)房側(cè)配置10G-PON OLT，用戶側(cè)按需升級10G-PON ONU；

（5）核算1 550 nm單向廣播網(wǎng)末級EDFA至用戶段指標(biāo)，升級用戶終端為I-PON終端，并同步遷移至萬兆單向IP廣播干線傳輸網(wǎng)。

5 結(jié) 語

隨著人們對精神文化的需求不斷提升，有線電視網(wǎng)絡(luò)作為重要載體也在不斷向更高質(zhì)量、更高速、更安全可靠的方向發(fā)展。有線電視網(wǎng)絡(luò)已邁入“千兆”時代，光進(jìn)銅退、全光纖化是必然趨勢。采用I-PON+10G-PON方案構(gòu)建雙纖三波FTTH接入網(wǎng)，既滿足有線電視網(wǎng)絡(luò)千兆接入需求，又滿足單向廣播超高清傳輸需要，還能滿足安全播出要求，是有線電視接入網(wǎng)的理想改造方式。