基于以太無源光網絡的有線電視全業務接入系統

2019-11-03 19:04:09

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供稿：網友

羅任翔劉偉平陳舜兒黃紅斌鄭力明

　　1引言

　　隨著信息技術的發展，人們對于語音、數據、視頻點播等業務接入的要求越來越高，為用戶提供更寬、更快和交互式業務的傳輸通道是網絡運營商努力的方向。

　　傳統的有線電視網絡是專為高效地向家庭傳送廣播電視業務而開發的，要實現諸如視頻點播、語音、圖像、數據、多媒體等交互式業務的傳輸，就要對現有的有線電視光纖/同軸電纜混合網進行雙向化改造。目前,HFC雙向改造有多種技術，主要的方法是采用雙向HFC+Cable Modem的方式，也就是把原有CATV系統中的低端頻率用作回傳,實現非對稱傳輸，這種傳統HFC網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。

　　以太無源光網絡(EPON，Ethernet Passive Optical Network)作為多業務寬帶接入方式具有優異的特性，基于EPON的有線電視全業務接入系統是可以實現傳輸包括模擬電視信號在內的全業務接入網(FSAN)，該系統對有線電視網絡進行雙向化業務改造有重要參考價值，本文分析了該系統的結構、工作方式及特點，最后討論了實現該系統的關鍵技術。

　　2基于以太無源光網絡的有線電視全業務接入系統

　　2.1系統構成

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

　　中心局(CO, Center Office)提供系統和服務提供商的核心數據、電視和電話網絡之間的接口。OLT向上提供到TDM/PSTN、ip網、電視網絡及其他網絡的接口,支持IP、ATM、FR甚至傳統的TDM話音業務、視頻點播和T1/E1業務，向下提供連接波分復用器(WDM, Wavelength Division Multiplexer)的接口，OLT除了具有網絡集中和接入的功能外,還支持帶寬分配、QoS/SLA、OAM、網絡安全等功能。電視信號經過CATV前端及光發射機調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以太網接口、電話接口和有線電視視頻接口),以支持數據、話音和視頻等業務,同時它還負責將上行數據傳送到OLT。另外,ONU還提供以太網第二層和第三層的交換功能,實現內部的路由選擇。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。網絡管理系統負責管理系統的各種不同元素，使整個網絡具有良好的操作、管理、維護和指配(OAM&P，Operation Administration Maintenance and PRovisioning)功能。

　　2.2系統工作原理系統采用單纖3個波長來傳輸全業務，EPON中OLT兩個上下行波長用于傳送數據、語音和IP交換的數字視頻（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16個以上的光節點。

　　系統中EPON采用λ1,λ2兩波長在同一光纖網絡中雙向傳輸數據、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EPON協議來完成寬帶數據和聲音的傳輸，最后實現寬帶用戶的全業務接入，也就是說電視信號的傳送通過HFC廣播來實現，而IP、話音、視頻點播等雙向業務通過EPON來進行。

　　在EPON中，數據采用IEEE 802.3以太網協議封裝，傳送的是可變長度的數據幀，最長是1 518字節，最短是64字節，這很適合直接傳送IP業務信息。

　　在EPON的下行方向，多種業務信號通過骨干網傳輸到中心局，然后被OLT經無源分光器分配到ONU單元，經過ONU的光/電轉換及相應處理后，每個ONU根據每個數據包的地址信息，接收屬于自己的數據包，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，系統在進行測距和時延補償后，OLT根據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，正好占據分配給它的一個指定時隙，以避免不同ONU上傳的數據發生相互碰撞干擾。

　　基于EPON的有線電視全業務接入系統的特點和優勢主要有以下幾點：

　　(1)系統能提供高帶寬。EPON向用戶提供的帶寬是目前PON系統中最高的，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)協議轉換成本低。EPON采用以太網的傳輸格式同時也是用戶局域網/駐地網的主流技術，二者具有天然的融合性，消除了復雜的傳輸協議轉換帶來的成本因素。

　　(3)系統成本低，周期短。由于采用的是PON結構,相對于非PON系統而言,節省了大量的光纖、有源光器件的投入及運營成本，同時HFC網絡采用星型結構，此結構與EPON十分相似，因此，在現有的HFC網絡中采用EPON，不需對現行HFC進行雙向化改造，只需在原來的光纖網絡上做簡單的配置，可在較短時間內完成網絡的疊加，實現寬帶用戶的接入，使得企業能較快實現盈利。

　　(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的方式共享帶寬，上行利用時分復用共享帶寬,支持VLAN、VPN、IPSec和通道技術等,提供安全的網絡接入。

　　(5)更好的QoS。系統沒有雙向HFC+Cable Modem的回傳噪聲缺陷，另外EPON具有同時傳輸TDM、IP數據和視頻廣播的能力，其中TDM和IP數據采用IEEE802.3以太網的格式進行傳輸，輔以電信級的網管系統，足以保證傳輸質量，因而使得有線電視公司可以通過開發寬范圍的靈活的服務產品來增加收入，增強企業競爭力。

　　4實現系統的關鍵技術

　　基于EPON的有線電視全業務接入系統的核心技術EPON是一種基于無源光網絡的采用以太幀格式來實現數據、話音、視像等傳輸的接入技術，該系統具有十分明顯的優勢。實現系統的關鍵技術主要有突發信號的接收技術、動態帶寬分配技術、QoS的實現技術和系統的安全技術等。

　　4.1突發信號的接收

　　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接收的要求。

　　解決突發信號接收問題的一個方法是調整ONU的發送功率,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端發送機的設計變得更為復雜,發送功率調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之間的控制協議復雜化,對系統的整體性能帶來較大的影響。現在人們采取的方法是在OLT端使用突發接收機,采用各種突發接收技術來接收突發信號,如直流耦合、交流耦合等。

　　4.2動態帶寬分配（DBA）

　　在EPON系統中，在系統負載比較大或系統提供對帶寬要求比較高的業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。

　　帶寬分配分為靜態和動態兩種，靜態帶寬由打開的窗口尺寸決定，動態帶寬則根據ONU的需要，由OLT分配。DBA技術是MAC層技術的關鍵，它直接關系到上行信道的利用率和數據時延，另外，DBA所具有的靈活性為進行服務水平協商（SLA）提供了很好的實現途徑。

　　實現帶寬動態分配的關鍵在于如何獲得ONU的實際狀態，各種DBA算法獲得ONU狀態的手段不同，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采用輪轉的方式對各ONU進行輪詢，ONU在傳輸的有效數據流中嵌入其緩沖區內等待以太數據包發送請求控制信息，OLT對各個ONU大小不一的帶寬請求信息按照限定最大發送窗的分配方案分別進行授權。

　　4.3服務質量QoS的實現

　　如何保證用戶所要求的服務質量得以實現是接入網必須面對的問題,由于以太網技術固有的機制，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務的QoS。如何確保實時語音和IP視頻業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分服務等級這兩種技術應用到EPON中來,也就是說,EPON可以像區分服務那樣為不同服務質量要求的信號設置不同的優先級,保證信息包按照優先級進行傳遞。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務提供高速通道,例如傳輸語音業務，以確保POTS業務的質量，避免這類業務與數據業務之間的競爭。近來,隨著多協議標簽交換協議標準的確立,可以預見,EPON服務質量的保證必將在不遠的將來得以實現。

　　4.4安全性

　　在EPON系統中下行是以廣播的方式實現數據的傳輸,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、數據鏈路層以及更高的協議層實現。ONU為了使自己的信息不被其他ONU讀懂，要求OLT在發送數據信息前按每個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的密鑰對數據進行擾碼。不過在MAC層以上實現的加密技術將只對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,物理層首先對數據進行解密，然后將解密的數據傳遞給MAC層驗證。因為每個ONU采用不同的密鑰,即使是收到別的ONU的數據幀,也不能夠將其解密成具有正確格式的幀,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的。

　　5結語

　　有線電視運營商日益面臨有線接入網絡的“瓶頸”，EPON系統可用于傳輸聲音、數據和視頻，是實現多媒體傳輸的很好的解決方案。

　　基于EPON的有線電視全業務接入系統是在HFC基礎上以EPON技術為核心的全業務系統，它可以向客戶提供可靠的服務質量與雙向全業務服務，將傳統的有線電視網、PSTN、數據網合而為一,方便靈活地實現用戶話音/數據業務、Internet和多媒體業務等的接入，打破了阻礙寬帶業務發展的所謂“最后1 km”的容量“瓶頸”，是利用CATV傳輸網絡實現CATV、PSTN、數據網三網合一的良好解決方案。

　　可以預見，有線電視運營商利用EPON技術建立基于以太無源光網絡的有線電視全業務接入系統，可以向用戶提供服務質量保證的交換式服務，在現有的HFC接入網絡上提供更多的帶寬，在節約成本的情況下為商業用戶和居民用戶創造出新的業務服務，同時增強企業競爭力。

　　
摘自《中國有線電視》

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