基于以太無源光網(wǎng)絡的有線電視全業(yè)務接入系統(tǒng)

2019-11-03 19:04:09

字體：大中小

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，人們對于語音、數(shù)據(jù)、視頻點播等業(yè)務接入的要求越來越高，為用戶提供更寬、更快和交互式業(yè)務的傳輸通道是網(wǎng)絡運營商努力的方向。

　　傳統(tǒng)的有線電視網(wǎng)絡是專為高效地向家庭傳送廣播電視業(yè)務而開發(fā)的，要實現(xiàn)諸如視頻點播、語音、圖像、數(shù)據(jù)、多媒體等交互式業(yè)務的傳輸，就要對現(xiàn)有的有線電視光纖/同軸電纜混合網(wǎng)進行雙向化改造。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,實現(xiàn)非對稱傳輸，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”等缺點。

　　以太無源光網(wǎng)絡(EPON，Ethernet Passive Optical Network)作為多業(yè)務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)務接入系統(tǒng)是可以實現(xiàn)傳輸包括模擬電視信號在內(nèi)的全業(yè)務接入網(wǎng)(FSAN)，該系統(tǒng)對有線電視網(wǎng)絡進行雙向化業(yè)務改造有重要參考價值，本文分析了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作方式及特點，最后討論了實現(xiàn)該系統(tǒng)的關鍵技術(shù)。

　　2基于以太無源光網(wǎng)絡的有線電視全業(yè)務接入系統(tǒng)

　　2.1系統(tǒng)構(gòu)成

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

　　中心局(CO, Center Office)提供系統(tǒng)和服務提供商的核心數(shù)據(jù)、電視和電話網(wǎng)絡之間的接口。OLT向上提供到TDM/PSTN、ip網(wǎng)、電視網(wǎng)絡及其他網(wǎng)絡的接口,支持IP、ATM、FR甚至傳統(tǒng)的TDM話音業(yè)務、視頻點播和T1/E1業(yè)務，向下提供連接波分復用器(WDM, Wavelength Division Multiplexer)的接口，OLT除了具有網(wǎng)絡集中和接入的功能外,還支持帶寬分配、QoS/SLA、OAM、網(wǎng)絡安全等功能。電視信號經(jīng)過CATV前端及光發(fā)射機調(diào)制送到波分復用器與OLT送來的光信號合波在1根光纖上傳輸。ONU接收從WDM來的光信號,向下提供各種應用接口(如10/100 Mbit/s以太網(wǎng)接口、電話接口和有線電視視頻接口),以支持數(shù)據(jù)、話音和視頻等業(yè)務,同時它還負責將上行數(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,實現(xiàn)內(nèi)部的路由選擇。POS是一個簡單的無源設備,用于連接OLT和多個ONU,并進行光功率分配,它不需要電源,可以置于全天候的環(huán)境中，一般一個分光器的分線率為8、16或32,并可以多級連接。網(wǎng)絡管理系統(tǒng)負責管理系統(tǒng)的各種不同元素，使整個網(wǎng)絡具有良好的操作、管理、維護和指配(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個波長來傳輸全業(yè)務，EPON中OLT兩個上下行波長用于傳送數(shù)據(jù)、語音和IP交換的數(shù)字視頻（IP-SDV），第3個波長用于下行CATV射頻的傳輸，采用這種設計，PON可以覆蓋20 km以內(nèi)16個以上的光節(jié)點。

　　系統(tǒng)中EPON采用λ1,λ2兩波長在同一光纖網(wǎng)絡中雙向傳輸數(shù)據(jù)、圖像乃至聲音，HFC選用λ3波長傳送電視信號，通過波分復用的方式與EPON的OLT合成于1根光纖。經(jīng)過分路，光纖傳輸送到ONU前的WDM，還原成λ3信號給CATV光接收機，其他信號在ONU根據(jù)EPON協(xié)議來完成寬帶數(shù)據(jù)和聲音的傳輸，最后實現(xiàn)寬帶用戶的全業(yè)務接入，也就是說電視信號的傳送通過HFC廣播來實現(xiàn)，而IP、話音、視頻點播等雙向業(yè)務通過EPON來進行。

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

　　在EPON的下行方向，多種業(yè)務信號通過骨干網(wǎng)傳輸?shù)街行木?，然后被OLT經(jīng)無源分光器分配到ONU單元，經(jīng)過ONU的光/電轉(zhuǎn)換及相應處理后，每個ONU根據(jù)每個數(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，采用的是廣播方式。

　　在上行方向，采用時分復用（TDMA）技術(shù)，系統(tǒng)在進行測距和時延補償后，OLT根據(jù)一定的原則將不同的時隙分配給各個ONU，每個ONU的上行信號再進入光分配器的共用光纖，正好占據(jù)分配給它的一個指定時隙，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)務接入系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢主要有以下幾點：

　　(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中下行速率已達到1 Gbps，最多達64個ONU上行速率可超過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，消除了復雜的傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換帶來的成本因素。

　　(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營成本，同時HFC網(wǎng)絡采用星型結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)與EPON十分相似，因此，在現(xiàn)有的HFC網(wǎng)絡中采用EPON，不需對現(xiàn)行HFC進行雙向化改造，只需在原來的光纖網(wǎng)絡上做簡單的配置，可在較短時間內(nèi)完成網(wǎng)絡的疊加，實現(xiàn)寬帶用戶的接入，使得企業(yè)能較快實現(xiàn)盈利。

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

　　(5)更好的QoS。系統(tǒng)沒有雙向HFC+Cable Modem的回傳噪聲缺陷，另外EPON具有同時傳輸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)的格式進行傳輸，輔以電信級的網(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開發(fā)寬范圍的靈活的服務產(chǎn)品來增加收入，增強企業(yè)競爭力。

　　4實現(xiàn)系統(tǒng)的關鍵技術(shù)

　　基于EPON的有線電視全業(yè)務接入系統(tǒng)的核心技術(shù)EPON是一種基于無源光網(wǎng)絡的采用以太幀格式來實現(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。實現(xiàn)系統(tǒng)的關鍵技術(shù)主要有突發(fā)信號的接收技術(shù)、動態(tài)帶寬分配技術(shù)、QoS的實現(xiàn)技術(shù)和系統(tǒng)的安全技術(shù)等。

　　4.1突發(fā)信號的接收

　　由于EPON上行用TDMA方式，對于OLT來講,存在多個信號源(ONU)。ONU與OLT之間的不同距離以及線路特性上的差異,會造成各ONU的發(fā)送功率相同,OLT接收時卻各不相同,這就對OLT端的接收機提出了突發(fā)接收的要求。

　　解決突發(fā)信號接收問題的一個方法是調(diào)整ONU的發(fā)送功率,使得OLT接收到的各ONU信號功率電平相等。但這種方法將使得ONU端發(fā)送機的設計變得更為復雜,發(fā)送功率調(diào)整后還可能對信號抗干擾性能有負面的影響,同時也使得OLT和ONU之間的控制協(xié)議復雜化,對系統(tǒng)的整體性能帶來較大的影響。現(xiàn)在人們采取的方法是在OLT端使用突發(fā)接收機,采用各種突發(fā)接收技術(shù)來接收突發(fā)信號,如直流耦合、交流耦合等。

　　4.2動態(tài)帶寬分配（DBA）

　　在EPON系統(tǒng)中，在系統(tǒng)負載比較大或系統(tǒng)提供對帶寬要求比較高的業(yè)務或用戶對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，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)和動態(tài)兩種，靜態(tài)帶寬由打開的窗口尺寸決定，動態(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)的關鍵，它直接關系到上行信道的利用率和數(shù)據(jù)時延，另外，DBA所具有的靈活性為進行服務水平協(xié)商（SLA）提供了很好的實現(xiàn)途徑。

　　實現(xiàn)帶寬動態(tài)分配的關鍵在于如何獲得ONU的實際狀態(tài)，各種DBA算法獲得ONU狀態(tài)的手段不同，目前MAC層爭論的焦點就是DBA算法和802.3.ah標準中是否確定統(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)的方式對各ONU進行輪詢，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)送請求控制信息，OLT對各個ONU大小不一的帶寬請求信息按照限定最大發(fā)送窗的分配方案分別進行授權(quán)。

　　4.3服務質(zhì)量QoS的實現(xiàn)

　　如何保證用戶所要求的服務質(zhì)量得以實現(xiàn)是接入網(wǎng)必須面對的問題,由于以太網(wǎng)技術(shù)固有的機制，不提供端到端的包延時、包丟失率以及帶寬控制能力，因此難以支持實時業(yè)務的QoS。如何確保實時語音和IP視頻業(yè)務在一個傳輸平臺上以與ATM和SDH的QoS相同的性能分送到每個用戶，是一個亟待解決的問題。EPON倡導者從幾個方面著手解決這個問題，主要有資源預留和區(qū)分服務等級這兩種技術(shù)應用到EPON中來,也就是說,EPON可以像區(qū)分服務那樣為不同服務質(zhì)量要求的信號設置不同的優(yōu)先級,保證信息包按照優(yōu)先級進行傳遞。另外,EPON還可以采用保留帶寬的方式,為一些需要保證響應時間的業(yè)務提供高速通道,例如傳輸語音業(yè)務，以確保POTS業(yè)務的質(zhì)量，避免這類業(yè)務與數(shù)據(jù)業(yè)務之間的競爭。近來,隨著多協(xié)議標簽交換協(xié)議標準的確立,可以預見,EPON服務質(zhì)量的保證必將在不遠的將來得以實現(xiàn)。

　　4.4安全性

　　在EPON系統(tǒng)中下行是以廣播的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸,如果一個惡意的ONU設置為混雜模式,就可以接收到所有的下行信息,因此安全性是一個很重要的問題。一般來說,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ONU自己提供的密碼(攪動鍵)在傳輸匯聚層進行攪動加密，也可以考慮在高層使用適當?shù)拿荑€對數(shù)據(jù)進行擾碼。不過在MAC層以上實現(xiàn)的加密技術(shù)將只對MAC幀的負荷信息加密,幀頭信息則沒有加密，這種方案可以防止惡意的ONU獲取負荷信息,但是其他ONU的地址還是有可能被惡意的ONU截取。在物理層實現(xiàn)的加密,將對整個比特流(包括幀頭和CRC)進行加密。在接收端,物理層首先對數(shù)據(jù)進行解密，然后將解密的數(shù)據(jù)傳遞給MAC層驗證。因為每個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的物理層對不同的ONU使用不同的密鑰,這對物理層來說是很難實現(xiàn)的。

　　5結(jié)語

　　有線電視運營商日益面臨有線接入網(wǎng)絡的“瓶頸”，EPON系統(tǒng)可用于傳輸聲音、數(shù)據(jù)和視頻，是實現(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)務接入系統(tǒng)是在HFC基礎上以EPON技術(shù)為核心的全業(yè)務系統(tǒng)，它可以向客戶提供可靠的服務質(zhì)量與雙向全業(yè)務服務，將傳統(tǒng)的有線電視網(wǎng)、PSTN、數(shù)據(jù)網(wǎng)合而為一,方便靈活地實現(xiàn)用戶話音/數(shù)據(jù)業(yè)務、Internet和多媒體業(yè)務等的接入，打破了阻礙寬帶業(yè)務發(fā)展的所謂“最后1 km”的容量“瓶頸”，是利用CATV傳輸網(wǎng)絡實現(xiàn)CATV、PSTN、數(shù)據(jù)網(wǎng)三網(wǎng)合一的良好解決方案。

　　可以預見，有線電視運營商利用EPON技術(shù)建立基于以太無源光網(wǎng)絡的有線電視全業(yè)務接入系統(tǒng)，可以向用戶提供服務質(zhì)量保證的交換式服務，在現(xiàn)有的HFC接入網(wǎng)絡上提供更多的帶寬，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)務服務，同時增強企業(yè)競爭力。

　　
摘自《中國有線電視》

上一篇：別誤解ADSL的速度

下一篇：談IP接入技術(shù)的挑戰(zhàn)、現(xiàn)狀、前景