有线电视接入网EPON+HiNOC技术探析

万 倩，欧阳峰，李 博，崔竞飞

（国家广电总局广播科学研究院；国家广播电视网工程技术研究中心，北京 100053）

当前，广播电视网、电信网与互联网正朝着“三网融合”的下一代广播电视网NGB快速演进，三网融合下更加多元化的双向数据业务需求促使广电有线电视接入网需要通过建立回传通道进行双向化改造[1]。

目前有线电视接入网双向改造技术主要有CMTS+CM，EPON+LAN和EPON+EoC[1]。CMTS+CM由于噪声汇聚效应，对同轴电缆及接头质量要求较高，由于CMTS的带宽限制，可承载业务也有限。在光进铜退的大趋势下，PON技术由于无源、电磁干扰小、运维方便、高带宽、业务透明等特点在各级网络中得到广泛应用，其中EPON协议简单，对光收发模块技术指标要求低，系统成本较低，另外，它继承了以太网的可扩展性强、对IP数据业务适配效率高等优点，目前EPON技术和产品均已走向成熟，进入规模应用阶段。EPON+LAN是在光纤到楼的情况下采用五类线入户，虽然网络接入带宽高、技术成熟、价格低，但重新入户施工难度较大，同时对于视频业务的QoS保障能力有限。EoC技术是在同轴电缆上传输以太网数据信号的技术，物理传输介质是同轴电缆，数据传输可以使用基带传输技术，也可以使用调制传输技术。EPON+EoC是在光纤逐步向楼头推进的趋势下采用有线电视楼内分配网中的同轴电缆作为入户接入手段，自然贴合了有线电视网现有结构，仅通过添加相关调制解调器等终端设备，无须重新布线，高效率低投入，易于为用户接受。

1 EPON+HiNOC接入网

HiNOC技术是由广电总局广播科学研究院于2005年起联合北京大学、西安电子科技大学等多家研究机构联合提出的一种自主创新的高性能同轴电缆双向接入EoC技术，实现了基于同轴电缆的860 MHz以上频带的高速数据传输，工作频带满足现有及未来有线电视网络频率规划要求，技术上采用16 MHz的单信道频带（8 MHz可扩展），符合我国广播电视频带规划的要求，支持单信道业务速率40 Mbit/s以上[2]。

EPON+HiNOC接入网结构如图1所示，EPON网络和HiNOC网络分别采用中心结点全局控制的树型拓扑结构和星型拓扑结构，下行方向是点对多点网络，采用TDM广播数据包，上行方向是多点对一点网络，有着全双工点到点的连接性，为了避免数据冲突且实现信道共享采用的是TDMA。

图1 EPON+HiNOC接入网结构示意图

EPON+HiNOC接入网试验系统将选取下一代网络与业务国家试验床的部分区域开展规模试验，开展以互动多媒体业务为主、顺应市场发展需求的业务试验，为面向产业化的HiNOC终端设备应用打下基础。

试验系统依托上海的试验网，分前端机房内放置EP⁃ON网络的汇聚设备OLT，OLT上行与总前端机房的大规模汇聚路由器ACR相连，下行将IP数据信号传送到小区内的各个光节点ONU，再经过HiNOC网络的局端（HB）将ONU中的IP数据信号调制成射频信号，同时，CATV节目信号与其混合后通过原有的同轴电缆传送到用户家中的终端（HM），经过HM解调后，传送给TV和PC等终端设备。

从目前实验室的原型系统测试情况来看，系统从频率规划、通信体制、传输效率、管理控制到业务服务能力都满足《面向下一代广播电视网（NGB）电缆接入技术（EoC）需求白皮书》中所规定的相关要求[3]。

2 EPON和HiNOC协议探析

EPON信道特性稳定，光纤受外界干扰小，采用基带信号传输，能在长距离、高速率的传输中保持低误码率，各ONU距OLT光纤路径的不同决定了需要通过测距进行线路延时补偿。HiNOC由于采用了860 MHz以上同轴电缆带外信道，存在多径效应、差异性大和噪声小的特点，多径效应决定了系统采用OFDM，差异性大且时变缓慢决定了各子载波可自适应调制，噪声小决定了信道条件好的子载波频率可采用高阶调制。由此可见，同轴电缆物理信道相比光信道复杂，EPON和HiNOC MAC层的运行机制也不同。

本文重点对EPON和HiNOC技术体系协议结构以及MAC层运行机制进行分析研究。

2.1 EPON

2.1.1 协议结构

IEEE第一英里以太网EFM研究组于2004年4月发布了EPON标准IEEE 802.3ah，其协议参考模型如图2所示[4]。

图2 EPON协议参考模型

EPON协议体系结构主要是在IEEE 802.3协议体系机构的MAC控制子层加上MPCP(Multi Point Control Pro⁃toeol，多点控制协议)，在RS子层上加上仿真子层P2PE（Point to Point Emulation，点对点仿真），考虑Ethernet应用到公网以及运营商对网络的运行、维护和管理需求而增加了OAM子层，针对EPON，PMD层也有所改变。

2.1.2 MPCP控制帧类型

IEEE 802.3ah中规定了MAC控制子层中的MPCP协议来实现OLT和ONU之间数据的有效传输。MPCP协议中控制帧类型如表1所示。

表1 MPCP协议控制帧类型

EPON MAC控制帧结构如图3所示。

EPON的帧结构格式与IEEE的Ethernet数据帧格式兼容，并在Ethernet帧中加入时间戳、LLID等信息。LLID是EPON系统分配给通过P2PE点对点仿真子层建立起来的逻辑链接的一种数字标识，LLID只用于辨别链路，并不能代替VLAN，当帧到达端口后，就会去掉该帧的LLID，并进入MAC层。

图3 EPON MAC控制帧结构

2.1.3 MPCP运行机制

MPCP运行机制具体包括自动发现和带宽分配两部分内容。

1）自动发现

OLT为了发现新激活的ONU，MPCP需要周期发起发现过程。自动发现的交互流程如图4所示[4]。

图4 自动发现交互流程

由图4可见，OLT广播GATE帧进行发现授权；未注册的ONU收到后随机延迟一段时间，再发送REGIS⁃TER_REG帧进行注册请求；OLT收到后便为其分配LLID，再发送REGISTER帧给新发现的ONU进行注册，然后向新ONU发送GATE帧进行普通授权；新ONU收到后回送REGISTER_ACK帧进行注册确认，OLT收到后便完成了整个注册过程。在此过程中，OLT可以要求ONU重新执行发现进程并重新注册。同样，ONU也可以通知OLT请求注销，然后通过发现进程进行重新注册。

在发现窗口期间EPON的上行通道中不能传输正常的业务，在发现时隙内未初始化的ONU通过随机时延避免发送的REGISTER_REQ消息冲突，发现窗口至少与发现时隙同样大小，考虑到EPON的最大距离为20 km，发现窗口≥发现时隙+200 μs。

2）带宽分配

注册以后为了维持OLT和ONU之间的通信，MPCP要给每个ONU提供周期性的授权。带宽分配机制依赖于授权消息GATE帧和请求消息REPORT帧。GATE消息用于OLT给ONU分配时隙，REPORT消息用于ONU向OLT获取时隙或者请求时隙。DBA（Dynamic Bandwidth Allocation，动态带宽分配）的实现流程如图5所示[4]。

图5 DBA实现流程

OLT收到承载ONU带宽请求信息的REPORT帧后根据一定的DBA算法给各ONU发送GATE帧实现动态带宽分配。

由于各ONU距OLT光纤路径的不同和各ONU元器件的不一致性造成OLT与各ONU间的环路时延不同，而且由于环境温度的变化和器件老化等原因，环路延时也会发生不断的变化，因此需要通过测距对时延差异进行补偿，EPON通过GATE/REPORT机制完成测距，即测量ONU的物理距离，通过把所有ONU都调整到与OLT相同的逻辑距离处再进行时分复用来避免冲突，确保不同ONU所发出的信号能够在OLT处准确地按时隙复用在一起。

2.2 HiNOC

2.2.1 协议结构

HiNOC协议栈如图6所示[5]。

图6 HiNOC协议栈

HiNOC MAC层包括CPS（Common Part Sublayer，公共部分子层）和CS（Convergence Sublayer，汇聚子层），CS子层主要实现与高层的适配，通过HIMAC帧承载以太网MAC帧，CPS主要实现接入控制和带宽分配。

2.2.2 帧类型

这里主要分析MAC层帧类型和物理层帧类型。1）MAC层帧类型

HiNOC MAC层分为控制帧、数据帧和信令帧。

（1）控制帧

控制帧用于实现信道预约和信道分配功能，包括MAP帧和预约帧，功能详见表2。

表2 HIMAC控制帧

（2）数据帧

数据帧用于承载上层以太网业务，数据帧的帧结构与控制帧相同。

（3）信令帧

信令帧用于结点接纳、结点退出和链路维护中信令的交互，分为下行信令帧（功能详见表3）和上行信令帧（功能详见表4）。

表3 下行信令帧

表4 上行信令帧

2）物理层帧类型

HiNOC物理层共分为4类帧：下行数据帧（Dd帧）、上行数据帧（Du帧）、下行探测帧（Pd帧）以及上行探测帧（Pu帧）。

（1）控制帧和数据帧的封装方式

控制帧和数据帧利用PHY层的Dd/Du帧承载，封装在Dd/Du帧的472 bit或432 bit的整数倍负载段中，若负载段长度不超过472 bit或432 bit的整数倍，则填充，封装方式如图7所示。

根据不同信道条件，Dd/Du帧的负载段会选择进行BCH前向纠错编码或者不进行前向纠错编码，各子载波根据其所在频点的信道状况，对数据自适应地采用QPSK～1024QAM映射方式中的一种，负载段最多包含256个OFDM符号。

（2）信令帧的封装方式

信令帧利用PHY层的Pd/Pu帧承载，封装在Pd/Pu帧的720 bit信令数据中。若信令帧长度不超过720 bit，则填充至720 bit，封装方式如图8所示。

图8 信令帧的封装方式

信令帧不进行前向纠错信道编码，扰码完成后直接进行抗干扰能力强的DQPSK映射，再调制到两个OFDM符号的有效子载波上。

2.2.3 MAC运行机制

MAC运行机制包括结点接纳和带宽分配两个主要步骤。

1）结点接纳

结点接纳过程是指一个新的HM设备上电（或初始化）后，加入到现有HiNOC网络的过程，接纳过程如下：

（1）进行网络搜索，HB利用Pd发送空帧，新的HM进行下行信道训练。

（2）交互接纳请求和接纳响应帧。

（3）进行接纳确认。

（4）交互下行信道训练报告，主要完成下行信道报告帧的交互。

（5）进行上行信道训练。

（6）交互上行信道训练报告，主要完成上行信道报告帧的交互。

（7）发布新的广播信道参数。

（8）稳态，新结点完成接纳，开始收、发MAC层数据。

2）带宽分配

信道访问控制与带宽分配机制如下：

（1）各个HM必须先接纳到HiNOC网络后，才能访问信道。

（2）HM被接纳到网络后，其对信道的访问完全在HB的集中控制下进行。

（3）HB将信道划分为在时间轴上连续且互不重叠的时间段，每个时间段称为一个MAP（Media Access Plan，媒质接入规划）周期。在每个MAP周期中HB通过发送一种特定的MAP帧向各结点发布下一MAP周期的起止时刻以及该周期内的信道分配策略。

（4）各HM通过预约/许可机制实现信道访问。在每个MAP周期内，HB为HM分配预约帧发送时隙，HM利用各自的预约时隙向HB预约信道。HB收到预约帧后，通过MAP帧发布信道分配方案，HM根据MAP帧判断是否获得了接入许可，并按照MAP分配的时隙收发相应信息。下行数据不需要预约信道，由HB直接在MAP帧中规定发送时隙，各HM通过接收MAP帧知道何时接收下行数据帧。MAP周期与Pd帧、Pu帧的关系如图9所示。

HiNOC网络以Pd帧的起始时刻作为网络统一的时间基准，每个MAP周期起止时刻均是相对于所属Pd周期中Pd帧起始时刻的偏移时间，在Pd帧中指出了其后第一个MAP帧的起止位置，MAP周期不能跨越Pd和Pu帧。

图9 MAP周期与Pd/Pu帧的关系

3 小结

由于EPON和HiNOC的物理信道特性不同，MAC层运行实现机制各异。在带宽分配策略方面，为了避免冲突，EPON上行信道接入采用非冲突的集中式，定义了与具体DBA算法无关的支撑机制MPCP，通过MAC控制帧实现EPON中各种带宽分配方案，同时实现网络启动和测距等功能；而HiNOC则定义了预约/许可机制实现灵活的带宽分配策略，其中MAC层的控制帧和数据帧利用PHY层的Dd/Du帧承载，MAC层的信令帧利用PHY层的Pd/Pu帧承载，不同类型的PHY帧采用不同的组帧方式，提高信道利用率的同时可更好地实施QoS管理。

在三网融合的大背景下，面向FTTB的应用场景下广电运营商采用EPON和HiNOC技术有助于综合利用网络资源，快速完成NGB接入层的建设，减少重复建设，节约建设和运维成本。本文基于EPON+HiNOC双向改造方案，对EPON和HiNOC的网络拓扑、协议结构以及MAC层运行机制进行了比对分析，为有线电视接入网双向改造方案的选择提供技术参考。

[1]国家广播电影电视总局科技司.有线电视网双向化改造指导意见[EB/OL].[2011-12-01].http://wenku.baidu.com/view/4fe87c5577232f60ddcca183.html.

[2]欧阳峰，崔竞飞.HiNOC技术概述和进展[J].电视技术，2011，35（12）：11-13.

[3]国家广播电影电视总局科技司.面向下一代广播电视网（NGB）电缆接入技术（EoC）需求白皮书[EB/OL].[2012-02-01].http://wenku.baidu.com/view/23cccaf9aef8941ea76e05cf.html.

[4]陈雪，孙曙和，刘东，等.基于以太网的无源光网络[M].北京:北京邮电大学出版社，2007.

[5]张冰.流媒体业务的宽带接入与拥塞控制技术研究[D].西安:西安电子科技大学，2008.