結合PON技術的HFC雙向光網(wǎng)絡

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一、HFC網(wǎng)絡回傳問題的提出
    HFC(Hybrid Fiber Coaxial)網(wǎng)絡是由光纖和同軸電纜網(wǎng)絡混合組成的，以星型或者樹形拓撲結構為特點。從前端(Headend)到光節(jié)點采用光纖傳輸，如果要構成雙向網(wǎng)絡，則每個光節(jié)點另外單獨需要1根光纖來實現(xiàn)雙向通信; 當然，如果采用波分復用(WDM)技術，上行就必須采用1310nm波長，下行采用1550nm波長。但是要引入光放大器提升下行總功率，需要采用高隔離度的波分復用器件。所以，如果構建雙向HFC網(wǎng)絡，開展寬帶接入業(yè)務，實現(xiàn)回傳則需要很多根光纖，而且光信號到了前端后，前端需要很多回傳光接收機，同時匯聚噪聲會十分明顯。例如: 一個HFC網(wǎng)絡，采用星型結構，有n個光節(jié)點，那么下行需要n根光纖，上行還需要n根光纖，前端再需要n個回傳光接收機，而且這n個光節(jié)點的回傳噪聲將會在前端的CMTS(Cable Modem Terminal System)匯聚，劣化回傳信號的載噪比，甚至導致回傳系統(tǒng)無法正常工作。所以如何低成本地構建高質(zhì)量、寬帶的雙向HFC網(wǎng)絡是廣電實現(xiàn)寬帶接入的關鍵點。

二 “PON”及其特點
    無源光網(wǎng)絡(Passive Optical Network，PON)技術，是一種采用無源光網(wǎng)絡(前端和光節(jié)點之間沒有有源設備、器件)的技術，是一種新興的透明的寬帶接入技術。PON網(wǎng)絡起始于前端的線路終端(OLT)，終止于光節(jié)點的光網(wǎng)絡單元(ONU)。中間使用普通光分路器進行光能量分路。

    信號從前端的OLT到用戶端的ONU稱為“下行”; 信號從ONU到OLT稱為“上行”。從這些特點來看，PON和我們的HFC網(wǎng)絡具有很多相似之處。

    PON采用樹形、星型分支結構，多個ONU共享光纖和前端OLT的回傳光接收機。PON下行采用時分復用(TDM)方式，信號廣播式下發(fā)，和我們的HFC網(wǎng)絡的下行完全一樣，是“一發(fā)多收”;但是，信號的上行方式卻不一樣，各個ONU或者說光節(jié)點共用一根光纖進行回傳，回傳采用時分多址(TDMA)技術，“多發(fā)一收”，前端只設置一個回傳光接收機，在任意一個時刻只有一個ONU發(fā)送信號，各個ONU單元輪流發(fā)送信號，實現(xiàn)光纖和回傳光接收機的資源共享。

    同HFC網(wǎng)絡一樣，PON網(wǎng)絡也有總線型、樹形、星型等拓撲結構。PON系統(tǒng)一般采用無源單(雙)星形拓撲，分路比可以達到1∶16~1∶32，每個光節(jié)點可與數(shù)十個到數(shù)百個用戶端設備(CPE)相連。

    PON本身是一種多用戶共享系統(tǒng)，即多個用戶共享同一前端設備、同一光纜和一個光分路器，成本較低，其安裝、開通和維護運營成本也相對較低。加之PON能夠提供透明寬帶的傳送能力，因此接入網(wǎng)正在大量應用PON技術。國內(nèi)外的標準化組織也已經(jīng)制定了相關標準。

    目前主要有兩種比較有前途的技術: A-PON和E-PON，即ATM-PON和Ethernet-PON。其中，A-PON的上、下行方向的信息傳輸都采用ATM傳輸方案，下行速率為622Mb/s或155Mb/s，上行速率為155Mb/s。光節(jié)點到前端的距離可長達10~20km，或者更長。

    當必須保證服務質(zhì)量(QoS)時，A-PON設備就成為首選的設備。A-PON的綜合接入系統(tǒng)具有ATM技術所特有的統(tǒng)計復用功能，可以充分利用帶寬資源，獲得節(jié)約帶寬的效果。

    目前的G.983.x系列建議規(guī)定A-PON中數(shù)字信號的標稱比特率有兩種: 一種是上、下行對稱的155.52Mb/s;另一種是非對稱的下行622.08Mb/s，上行155.52Mb/s速率。其雙向傳輸方法主要有兩種，第一種采用單纖波分復用方式，兩個波長分別工作在下行1550nm區(qū)和上行1310nm區(qū); 第二種采用單向雙纖空分復用方式，工作在1310nm區(qū)，以便充分利用低成本的光源。

    E-PON除幀結構和傳輸速率與A-PON的不同外，其余所用的技術與A-PON所采用的許多技術類似，E-PON的體系結構也符合G.983.x系列標準的要求。

    E-PON和A-PON的主要區(qū)別是: 在E-PON中，根據(jù)IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議，傳送的是可變長度的數(shù)據(jù)包，最長可為65535個字節(jié)。而在A-PON中，根據(jù)ATM協(xié)議的規(guī)定，傳送的是53個字節(jié)的固定長度信元。所以，A-PON系統(tǒng)不能直接用來傳送IP業(yè)務信息，如果要傳送IP業(yè)務，就必須把IP包拆分，構成一個個ATM信元。這個過程除費時外，還增加了OLT和ONU的成本，而且ATM的信頭也是對帶寬的一種浪費; 與此相反，以太網(wǎng)適合攜帶IP業(yè)務，與ATM相比，極大地減少了開銷。E-PON的下行速率為1000Mb/s或者100Mb/s，上行為100Mb/s。

三、結合PON技術的HFC雙向光網(wǎng)絡的設計
    結合HFC雙向光網(wǎng)絡的功能特點，我們提出了“結合PON技術的HFC網(wǎng)絡雙向化光網(wǎng)絡”的設計。即采用PON網(wǎng)絡技術構建雙向HFC光網(wǎng)絡，下行仍采用原有的光端機，廣播式下行占用一根光纖(如果是環(huán)網(wǎng)，則加倍)，所有光節(jié)點的業(yè)務回傳占用一根光纖。當然，如果采用波分復用(WDM)方式，可以1550nm波長光發(fā)射機下行，所有光節(jié)點用1310nm的FP激光器進行回傳，再用若干1310/1550波分復用器即可。

    系統(tǒng)采用無源光分路技術，網(wǎng)絡可以進行多級無源光分支，前端與光節(jié)點可以星型、樹型、總線型三種基本拓撲結構組網(wǎng)，分別適用于不同地域和應用場合。

    雙向HFC網(wǎng)絡目前開展的主要業(yè)務是IP業(yè)務，所以采用E-PON技術是最合適的，它不需任何復雜的協(xié)議，光信號就能精確地下行傳輸?shù)絆NU; 來自光節(jié)點ONU的數(shù)據(jù)也能被集中傳送到前端。在物理層，可以使用1000Base的以太PHY; 同時，增加MAC控制命令進行控制和優(yōu)化各ONU與前端OLT之間突發(fā)性數(shù)據(jù)通信和實時的TDM通信。在協(xié)議的第二層，可以采用成熟的全雙工以太網(wǎng)技術，使用TDM技術后，ONU在自己的時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)報，網(wǎng)絡中沒有碰撞，所以不需CSMA/CD，從而充分利用帶寬。另外，E-PON技術通過在MAC層中實現(xiàn)802.1p以及動態(tài)帶寬分配(DBA)技術來提供與A-PON類似的QoS。

    下行設計采用QAM調(diào)制器，將數(shù)據(jù)信號調(diào)制到電視信號的空閑頻帶內(nèi)，和下行TV信號混合后送入下行的光發(fā)射機。下行的數(shù)據(jù)信號除了凈荷外還要加上管理開銷。在光節(jié)點將光信號轉化為電信號，TV信號送到用戶，QAM信號被解調(diào)，根據(jù)TDM時隙分配，解出各個光節(jié)點本地的信號; 回傳可以采用價格便宜的1310nm的FP激光器，甚至LED，回傳調(diào)制是采用我們已經(jīng)研發(fā)成功的“突發(fā)模式(Burst-Mode)”數(shù)字光發(fā)射電路�；貍餍盘栆詳�(shù)字調(diào)制的形式，在前端分配給自己的時隙內(nèi)將信號回傳到前端。這樣，前端僅僅使用一臺回傳數(shù)字光接收機就可以接收所有光節(jié)點的信號，而且克服了回傳噪聲的影響。

    DBA技術保證各個光節(jié)點回傳信號的帶寬能夠按照業(yè)務需求實現(xiàn)動態(tài)帶寬分配，帶寬的分配可以很細密的方式進行，最小顆�？梢詾�64kb/s，這點和其他一些接入的呆板方式完全不同。PON技術體系中的“硬件攪動”技術可以保證網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的安全性。

    綜上所述，構建結合PON技術的HFC網(wǎng)絡是解決目前HFC實現(xiàn)寬帶業(yè)務接入的行之有效的方法。

四、結合PON技術的HFC雙向光網(wǎng)絡的關鍵技術
    首先，關鍵技術主要集中在IP等業(yè)務信號在HFC網(wǎng)絡下行信道的適配、映射和QAM調(diào)制，由于下行信道質(zhì)量較高(CNR>51dB)，所以可以采用256QAM調(diào)制以降低帶寬占用。

    其次，將PON中的成熟技術應用到HFC網(wǎng)絡中，比如測距技術、動態(tài)帶寬分配技術、突發(fā)發(fā)射、突發(fā)同步和硬件攪動擾碼技術等。