面向NGB的EoC接入网技术分析

2010-06-07金立标张乃谦李鉴增

电视技术 2010年6期

金立标，张乃谦，李鉴增

（中国传媒大学信息工程学院，北京 100024）

1 引言

随着通信技术和广播电视技术的迅速发展，有线电视网络正在向下一代广播电视网过渡。下一代广播电视网（Next Generation Broadcasting，NGB）是以有线电视数字化和移动多媒体广播为基础构建的适合我国国情的、“三网融合”的、有线无线相结合的、全程全网的下一代广播电视网络。2008年12月4日，科技部与广电总局共同起草并签署了《国家高性能宽带信息网暨中国下一代广播电视网自主创新合作协议书》，共同建设下一代广播电视网络。2009年7月31号，科技部、广电总局、上海市共同进行中国下一代广播电视网启动仪式，标志着我国下一代广播电视网的建设进入一个实质性的推进阶段。

以太网同轴电缆接入技术（Ethernet over Coax，EoC）是下一代广播电视网的关键技术之一，利用各种数字调制技术在同轴电缆上承载以太网业务和各种综合业务，实现下一代广播电视网的宽带接入[1]。2009年4月，国家广电总局科技司颁布了《面向下一代广播电视网（NGB）电缆接入技术（EoC）需求白皮书》[2]，描述了基于EoC的有线电视宽带接入网络结构、业务类型和应用场景，从信道带宽需求、物理层需求、MAC层需求、以太网支持能力、接入设备需求等方面对EoC技术进行了规范。

2 EoC系列标准比较

EoC技术分为无源EoC和有源EoC两大类型，无源EoC是基带传输，将基带数据信号直接混入有线电视系统，不需要进行调制[3]。在总局颁布的EoC技术需求白皮书中，主要是针对有源EoC，笔者也主要对有源EoC技术进行分析。

有源EoC是调制传输，采取各种数字调制技术把数据信号混入到有线电视系统中去。目前，市场上的有源EoC技术又分成两大类，即低频EoC和高频EoC。低频EoC的技术标准包括家庭电话线网络联盟（Home Phoneline Networking Allince，HomePNA）和家庭电力线联盟（HomerPlug Powerline Alliance，HomePlug）。高频 EoC 技术标准包括同轴电缆多媒体联盟（Multimedia over Coax Alliance，MoCA）、高性能同轴网络（High Performance Network Over Coax，HiNOC）和降频 WiFi技术等[4]。

HomePNA采用自适应QAM调制技术，主要工作在4～21 MHz的频段。HomePNA3.0的工作频段延伸到28 MHz，即4～28 MHz。采用的中心频率有3个，即7 MHz，12 MHz和18 MHz。符号率最高可达24 MS/s（兆符号/秒），每个符号的比特数量最高可达10 bit，所以其最高传输速率可达 240 Mbit/s。

HomePlug AV采用OFDM调制技术，工作频段位于2～28 MHz，每个子载波可采用QPSK，64/256/1024QAM调制技术，物理层最高传输速率可达200 Mbit/s。

MoCA采用OFDM调制技术，工作频段位于860～1500 MHz。采用时分双工方式（TDD），每个信道带宽为50 MHz，最高物理速度可达270 Mbit/s。

HiNOC采用OFDM调制技术，工作频段位于860 MHz以上，每个子载波采用BPSK到256QAM的自适应调制方式，每个信道带宽16 MHz，每个信道的最高数据速率理论上可达120 Mbit/s。

降频WiFi技术采用的是802.11协议，把2.4 GHz的数据信号降频到900 MHz～1.1 GHz范围内，每个信道带宽为20 MHz，利用OFDM调制技术，物理层速率最高可达54 Mbit/s。

3 EoC技术应用分析

3.1 物理结构

EoC接入网的结构如图1所示。同轴电缆宽带接入局端设备（Coaxial Broadband Access Terminal，CBAT）为EoC的局端设备，同轴电缆宽带接入终端设备（Coaxial Network Unit，CNU）为EoC的终端设备。

图1 EoC接入网结构示意图

下行方向中，来自EPON网络的数据业务通过ONU送到CBAT，然后和有线电视信号混合在一起，经过调制后送到HFC网络，CNU把数据接收下来进行解调，然后送给计算机和电视机。上行方向中，CNU把用户端的数据经过调制上行送至HFC网络，CBAT接收后进行解调，通过ONU送至OLT。

3.2 物理层分析

无论是低频EoC还是高频EoC技术，单载波还是多载波，所采用的载波调制技术基本上是QPSK和16/32/64/256/1024QAM。在《面向下一代广播电视网（NGB）电缆接入技术（EoC）需求白皮书》中对调制技术也提出了建议和要求。

一个指标是频带资源利用率，要求大于80%，即在8 MHz带宽时有效带宽大于6.4 MHz，在16 MHz带宽时有效带宽大于12.8 MHz。

频道资源利用率和升余弦滚降系数的关系为

式中：η为频道资源利用率，α为升余弦滚降系数。如果要求η>80%，那么α<25%。

根据频道资源利用率，还可根据下式得出其符号率的大小

式中：S为符号率，BW为频道带宽。如果在8 MHz带宽的情况下，其频带利用率η>80%，那么符号率S>6.4 MS/s。

另一个指标是频带利用率，建议在有效带宽内频带利用率大于7 bit·s-1·Hz-1，那么在8 MHz带宽内的物理层传输速率大于56 bit/s，16 MHz带宽内的物理层传输速率大于112 Mbit/s。

在频带资源利用率大于80%，频带利用率大于7 bit·s-1·Hz-1的情况下，其有效带宽、符号率、升余弦滚降系数以及物理层传输速率如表1所示。

表1 EoC物理层参数

3.3 低频EoC技术分析

目前低频EoC技术主要包括HomePNA和HomePlug两种技术，其工作频段主要在30 MHz以下。但是30 MHz以下是噪声较严重的区域，虽然两种技术采用了正交频分复用技术，在一定程度上抑制了噪声，但是数据业务的传输仍然会受到影响。

低频段的噪声主要由电缆分配系统的热噪声、光纤链路的噪声和外部入侵噪声组成。前者是系统内部的主要噪声，后者则为外部的噪声。系统内部的热噪声应包括两部分，即无源器件的噪声和有源器件的噪声。无源器件的噪声主要是基础热噪声，与器件的工作温度和带宽成正比，而与所传输的信号无关。有源器件内部产生的噪声，不仅有基础热噪声，还包括晶体管等所产生的散弹噪声、分配噪声及闪烁噪声等。若在光节点后构成无源的同轴电缆分配系统，则热噪声对信道的噪声几乎可以忽略。光纤链路的噪声包括光发射机和光接收机中的激光器产生的噪声及光纤中的光二次反射引起的干涉强度噪声，其主要表征为量子噪声。

从对电缆系统的入侵途径分析，入侵噪声大致可分为窄带干扰和脉冲干扰两类。窄带干扰是在上行频带内分配给各种无线电业务的频率对上行信道所形成的干扰，其干扰强度一般在10～60 dBμV。脉冲干扰是指用户端周围的工业电器和家用电器所形成的宽带干扰，其频谱能量主要集中在 5～20 MHz，电平在 70～90 dBμV[5]。由于低频噪声的影响，使得低频EoC技术在传输内容时会造成丢包率增加、时延或者抖动增加。

目前各地的有线电视网络结构层次不齐，在接入网中的线路长度有一定的差异，从而造成链路的损耗也有一定的差异。对于线路质量较好的网络，链路损耗较低，局端设备不需要太高的发射电平，如果发射电平太高，则会受到干扰。如果局端设备电平降低，以适应链路损耗低的用户，则链路损耗高的用户可能会造成网络掉线，甚至上不了网。并且随着因特网接入、IPTV及高清电视的发展，视频需求越来越大，对于带宽的需求也逐渐增加。但是低频EoC技术的带宽是有限的，即使采用256QAM或者1024QAM，也较难完全满足将来的带宽需求，所以扩展性能不好。

不过低频EoC也有一些优点，如由于频率低，链路损耗小，理论上可以覆盖较广的距离。根据白皮书可知，EoC局端设备最大发射电平不超过120 dBμV，终端设备接收电平为40～100 dBμV[2]。假设发射端电平为 110 dBμV，终端设备接收电平为50 dBμV，则链路衰减为60 dBμV。光节点之后的无源分配网络主要是分支分配器和电缆的衰减，在低频段分支分配器部分的衰减大概在30 dBμV，那么电缆的衰减在30 dBμV左右，如果使用75-7的电缆，按照100 m衰减3 dB计算，大概能够传输1000 m左右，再加上噪声的影响，也能够传输600 m左右。

3.4 高频EoC技术分析

目前高频EoC技术包括MoCA技术、HiNOC技术和降频WiFi技术，其工作频段都集中在860 MHz以上。高频EoC技术避免了低频EoC的噪声影响，但是由于有线电视系统的工作频段位于5～860 MHz，如果超出860 MHz，同样会存在其他的一些问题。

首先，无论是放大器，还是分支器分配器的工作性能会劣化。如果频率达到1 GHz以上，其性能甚至无法保证。有关部门数据测试表明，不同厂家的分支分配器在1.2 GHz和1 GHz时相差约2 dB，1.5 GHz和1 GHz相比各个厂家差别较大，有的相差5 dB，有的甚至相差10 dB以上。

其次，高频EoC技术在应用到接入网中时，虽然没有低频EoC的噪声影响，但是在高频同样有些频段被占用，例如我国GSM制式手机占用的频段为900 MHz，其上行频段为 890～915 MHz，下行频段为 935～960 MHz。由于高频段电缆和分支分配器的屏蔽性能下降，并且高频噪声更容易渗透，再加上手机基站的发射功率如果很大，就会对接入网的电缆造成干扰。

高频EoC由于频率高，还会造成网络的覆盖范围下降。由于电缆的衰减和频率的平方根成正比，所以电缆在高频段（860 MHz以上）的衰减是低频（65 MHz以下）的4倍左右。按照链路衰减60 dBμV计算，电缆部分的衰减在30 dBμV左右，则采用75-7的电缆（100 m衰减14 dB），能够传输200 m左右。