基于广电HFC网络的“三网融合”技术方案分析

俞兴明，刘东洋，许助勇((.苏州市职业大学 电子信息工程学院，江苏 苏州 504；.江苏通鼎宽带有限公司，江苏 苏州 500)



基于广电HFC网络的“三网融合”技术方案分析

俞兴明1，刘东洋2，许助勇2
((1.苏州市职业大学 电子信息工程学院，江苏 苏州 215104；2.江苏通鼎宽带有限公司，江苏 苏州 215200)

摘 要：混合光纤同轴电缆(HFC)广播电视网络是我国重要的基础信息网络，在全面实施信息化社会的进程中，应发挥广电网络的作用.阐述在HFC广电网络基础上进行的电信网、计算机互联网和广播电视网“三网融合”的多种建设方案，分析各种方案的技术要点、优缺点及未来的发展前景，有助于广电运营商因地制宜地选择其建设方案.

关键词：广电网络；三网融合；EPON；GPON；RFoG

推进“三网融合”是党中央、国务院作出的一项信息化社会建设的重大决策.《国务院办公厅关于印发三网融合推广方案的通知》指出，加快在全国全面推进三网融合，推动信息网络基础设施互联互通和资源共享，有利于促进消费升级、产业转型和民生改善.所谓“三网融合”，是指广播电视网、电信网与计算机互联网的融合，其中计算机互联网是核心.我国混合光纤同轴电缆(HFC)广播电视网(以下简称广电网)建设时间较长，用户广泛，入户资源丰富，如何充分利用现有的广电网络资源建设“三网融合”的网络，提升广电网络运营企业的竞争力，是包括广电员工在内的所有信息化工作人员必须思考的问题.本文基于HFC广电网讨论各种“三网融合”的建设方案.

1 “三网融合”宽带网的各种方案的建设

1.1 CMTS+CM

CMTS(cable modem terminal systems)是线缆调制解调器终端系统，是一个位于有线电视用户接入网前端的设备系统，通过它允许有线电视运营商向家庭计算机提供高速Internet接入；CM(cable modem)是线缆调制解调器，位于用户端.CMTS是通信并管理控制CM的设备.CMTS+CM成对设备主要用于有线电视网进行数据传输，此方案适合已建HFC网络的数据化双向改造，可利用原网络中预留的光纤和无源分配到户的同轴电缆网络组成双向传输系统；只需要在前端和用户端分别加装CMTS和CM就可实现双向传输.CMTS＋CM遵循DOCSIS(电缆数据业务接口标准)，技术标准及产品比较成熟，适合于大面积覆盖，低开通率情况下成本较低，前期投入少，是我国广电在2010年前双向数据化改造的主要方案.CMTS+CM方案的网络结构如图1所示.

图1 CMTS+CM方案的网络结构图

CMTS+CM方案属于多业务、多频道共享介质系统，是通过有线电视同轴电缆的某个传输频带进行调制解调传输数据.在光传输部分，下行数据信号和CATV的下行信号采用波分复用(WDM)方式共纤传输，上下行数据信号采用空分(SDM)方式共缆不同光纤传输；在电缆部分，数据上下行信号按频分复用(FDM)方式同缆传输，其他空闲频段仍然可用于有线模拟和数字电视信号的传输.每个光工作站可带200～500个CM用户.

CMTS+CM方案的优点是能利用现有的CATV网络提供双向通信，缺点是CMTS+CM的网络拓扑结构使上行噪声漏斗汇聚效应影响系统的带宽和性能，同轴电缆及接头质量要求较高，后续维护工作量较大；CMTS上下行通道带宽有限(下行6 MHz，上行有200～3 200 kHz等不同等级)，数据传输速率不高(下行最高38 Mbps共享，上行最高10 Mbps共享)，无法满足大带宽业务，可承载业务有限[1]，可开通用户数少，后续系统扩容成本巨大.该技术方案在我国只有少数城市成功应用.

1.2 EPON＋EoC

EPON(ethernet passive opitcal network)是以太无源光网络，是以太网与无源光网络结合的一种数据接入网.EoC(ethernet over coax)是以太网信号在同轴电缆上的一种传输技术，原有以太网信号的帧格式没有改变.EPON+EoC方案把目前的以单向分配为主的广电HFC网络结构向具有双向宽带信息多业务承载能力的网络演进，助力广电运营商成功实现战略转型，所以EPON+EoC方案可以最大地保留现有有线电视HFC网络投资，是最适合当前广电HFC双向改造的方案之一.

EoC由EoC局端及用户端组成.局端设备一般放在楼道，或小区空地箱体中，局端将EPON网络的数据信号(一般频率在2～28 MHz)和CATV信号(一般频率为88～870 MHz，含FM广播)进行频分复用，通过原有同轴电缆传送到用户家里，一个EoC局端设备可支持多达64个用户设备接入，网络结构可以为星形或树形，最终通过用户端CNU(customser network unit)分离出数据信号(最高可达30 Mbps)和CATV信号，从而实现对宽带上网业务的承载及点播信号回传[2].EPON＋EoC的网络结构如图2所示.

EPON＋EoC系统技术特点是遵循以太网协议、标准化程度高；系统支持每个客户独享10 Mbit/s的速率；客户端为无源终端，减少了运营维护成本，提高了系统的稳定性；工程安装利用原有有线同轴电缆入户，有效地解决了楼内重新敷设线缆和重新穿墙打孔的难题，建设成本较低.EPON＋EoC方案的缺点是EoC局端需要供电，多个EoC局端取电和防雷是两个大问题，另外受同轴电缆低频段射频调制技术的限制，用户数据带宽不高的劣势也逐步显现.另外，对于广电已建CMTS网络平台的小区，新建EPON架构投资偏大，只能针对新建小区时实施.所以EPON＋EoC只是三网融合过程的一种过渡技术.

图2 EPON＋EoC的网络结构图

1.3 普通HFC＋EPON+LAN

普通HFC＋EPON+LAN方案是在原来普通HFC单向网的基础上，重新架构EPON网络作为视频点播(VOD)回传信道，在数据网络最后100 m采用LAN技术并用五类双绞线入户，原有的模拟电视和数字电视信号通过HFC网络进行传输，而宽带数据信号、VOD交互信号等通过EPON系统传输.

普通HFC＋EPON+LAN组网方案将原有普通HFC网络使用CATV同轴电缆进户，再在楼道内放置EPON网络的ONU、交换机等，五类线进家庭.一个普通HFC光工作站可服务200～500个家庭，而EPON中的一个ONU所带用户不超过50户，每户五类线长度不超过90 m[3].所以从广电总局端的机房出来，在干线上的HFC光纤可以和EPON的光纤共缆，而配线光纤由于覆盖用户不同不能共缆.普通HFC＋EPON+LAN 组网方案的缺点是需要同轴电缆和五类线两种电缆进家庭，布线成本稍高.该方案本质上广电网和数据网还是两张网，但两者不会互相干扰，各自的QoS也有保障.由于是两个网需要同时配合建设，该方案对于新建小区比较合适，进户时一起管道预埋同轴电缆和五类线.普通HFC＋EPON +LAN的网络结构图如图3所示.

图3 普通HFC+EPON +LAN的网络结构图

1.4 双纤三波EPON/GPON＋VB

由于广电CATV的光传输与无源光网络(PON)具有相似的网络拓扑结构，因此可以利用同一根光缆中的两根光纤将两种业务同时接入用户端，即一根光纤利用WDM技术的单纤双波长(1 310 nm/ 1 550 nm)进行双向数据传输；另一根光纤用于CATV模拟和64QAM调制后的数字视频传输(videobroadcasting，VB)，波长为1 550 nm.该方案中传输有线电视信号的光纤和传输PON网络数据信号的光纤在主干光缆中共缆，分别经各自1∶32的光分路器后，用双芯皮线光缆(蝶形光缆)中的两根光纤分别接入用户的有线电视光端机和数据ONU[4].由于数据与广播电视分纤传输互不干扰，数据和视频的QoS都能得到保障.该方案本质上及光层面上还是两个独立的网络，只不过两个网络的光纤在光缆中共缆，节省光缆的投资而已.该类型是目前国内广电网络公司“三网融合”改造采用的主要类型之一.双纤三波EPON/GPON＋VB的网络结构如图4所示.

图4 双纤三波EPON/GPON＋VB的网络结构图

1.5 单纤三波EPON/GPON＋VB

将有线电视图像传输通过波分复用(WDM)的方式与传输数据的EPON/GPON的OLT共三路信号合路于一根光纤，下行数据信号用波长1 490 nm窗口，上行数据用1 310 nm窗口；下行的CATV模拟及数字视频信号采用1 550 nm窗口，三波信号经过分路器分路后，分支光纤用单芯皮线光缆(蝶形光缆)传输到用户家，解波分复用还原出1 550 nm信号接CATV光接收机，其他信号接到ONU，完成宽带数据信号及语音的传输，网络结构如图5所示.单纤三波方式要解决1 550 nm的CATV信号过强导致光纤的非线性效应对1 490 nm、1 310 nm信号的干扰及接收端光接收机的灵敏度问题[5]，且目前WDM光分合波器成本较高，所以实际应用案例不多，但预期随着光分合波器等光器件成本的下降，未来新建小区将大规模采用这种方式.

图5 单纤三波EPON/GPON＋VB的网络结构图

1.6 EPON/GPON单芯光纤FTTH

该方案是电信、联通、移动三大运营商进行FTTH宽带建设的模式，国内已达数千万用户.主要采用GPON技术方式，以1∶64一级分光为主，用户终端以“数据口+语音口+WiFi”为主，完全以数据方式传输数据、语音、IP电视等业务.为满足智能电视(ITV)业务需求，为了缓解汇聚层网络传输压力，在各处汇聚交换机处与BRAS 设备一起配置VDN 节点设备，实现节目点播数据流的传输分流，网络结构图如图6所示.本方案以纯IP形式传送视频，除了点播，如要进行视频组播，则“核心机房端—用户端”各传输设备必须支持组播能力，同时带宽要留有50%左右的余量保证QoS，以提高用户体验[6].这种方案如采用上述GPON加64一级分光，每用户速率可达百兆以上，完全能满足高清视频的播放.该方案将电视、语音和数据全IP化，是未来三网融合的终极目标.

图6 EPON/GPON单芯光纤FTTH的网络示意图

1.7 光纤射频传输(RFoG)

RFoG(radio frequency on glass)是美国有线通信工业协会(SCTE)制定的新标准.光纤射频传输允许有线电视运营商充分利用现有CMTS HFC网络设备，相对于HFC而言将光网络终端(光站)从小区移至用户大楼或楼道(微型光站ONU)，而同轴射频网络设备保持不动.同时有线电视运营商可以继续使用现有的计费系统和设备(如前端设备、CMTS平台、电缆调制解调器、机顶盒等).

RFoG网络结构如图7所示，视频RF信号在前端执行必要的转换后，通过光信号将下行业务发送至安装在用户住所附近的RFoG微型光站.数据网络业务和视频控制信息输送通过一台CMTS边缘路由器下发，然后由光发射平台执行电/光转换，通过波分复用(WDM)平台和光分路器(一般1∶32分路)，在1 550 nm波长上将下行数据和视频业务传输至位于用户住所的微型光站，微型光站将光信号转换成RF电信号，由同轴电缆端口通过同轴电缆传输到用户终端，一般一个两同轴端口的RFoG微型光站最多覆盖60个家庭用户，四端口微型光站最多覆盖100个家庭用户.用户微型光站需要将反向信号重新发送至CMTS分前端，反向信号以内置突发方式以各光站时分复用发送，该激光发送机与CM或者机顶盒STB的回传RF发射信号同步工作，由CMTS或数字电视前端设备准确控制，这样RFoG 技术抑制了反向漏斗汇聚噪声，使之限定在单个光机覆盖范围内[7-8].由于RFoG技术在对传统HFC网络进行升级改造中的特殊优势，现已得到广大设备供应商、网络运营商的高度关注，国内已有多个城市(如苏州、无锡、南京等)的广电运营商采用RFoG技术，实现了用户宽带数据和电视的接入.

图7 RFoG的网络结构图

2 结论

包含电信网、计算机互联网和广电网的“三网融合”是国家鼓励的基本政策.广电运营商作为信息传输的企业之一，正面临着电信、移动、联通及越来越多的竞争对手的市场挑战.对于本文所述的各种“三网融合”方案，广电运营商也要因地制宜地加以选择.CMTS+CM方式和EPON+EOC都充分利用了广电原有的入户同轴电缆资源，但由于国内网络质量参差不齐，而且在乡镇农村地区由于电缆过长要加入双向放大器、野外光站和局端导致的供电、防雷等因素，使得很多网络公司在采用CMTS+CM模式进行双向网改造时，不是很成功.对于乡村地区，建议采用RFoG方式，直接将光纤接入用户楼道甚至住宅内.但RFoG技术当前设备生产厂商较少，导致户均建设成本偏高.目前性价比最好的方案是双纤三波(EPON/ GPON＋VB)入户，既能提供高速数据，视频的QoS也能得到保障，相对新建小区来说成本不高.随着技术的进步，EPON/GPON在不久的将来采用带宽更高的10 GEPON/10 GGPON，以及波分复用解复用器的成本降低，家庭宽带接入将采用10 GEPON/10 GGPON单芯光纤FTTH方式，数据、语音和视频将全IP化传输，从而实现真正的“三网融合”.

参考文献:

[1] 桂松. CMTS+CM技术实现有线电视网络双向传输原理[J]. 电脑知识与技术，2007，3(15)：697-698.

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[3] 高伟. EPON+LAN与EPON+EoC接入方式的选择[J]. 中国有线电视，2012(9)：1046-1048.

[4] 沈凌霄. 对于多种 FTTH 接入方式对比的几点思考[J]. 有线电视技术，2015(12)：49-54.

[5] 杨大伟. 几种有线网络双向化改造技术的比较与选择[J]. 广播电视信息，2012(6)：35-36.

[6] 张晓斌. “单纤三波”技术在三网融合中的应用[J]. 科技创新导报，2012(19)：47-49.

[7] 瞿勇. RFoG 技术在乡镇有线电视HFC网络双向改造中的应用[J]. 中国有线电视，2013(8)：951-954.

[8] 曹阳. 应用RFoG技术进行有线电视网络双向改造[J]. 中国有线电视，2013(12)：134-136.

(责任编辑：沈凤英)

引文格式： 俞兴明，刘东洋，许助勇.基于广电HFC网络的“三网融合”技术方案分析[J].苏州市职业大学学报，2016，27(2)：14-19.

中图分类号：TN929.18

文献标志码：A

文章编号：1008-5475(2016)02-0014-06

DOI：10.16219/j.cnki.szxbzk.2016.02.004

收稿日期：2016-02-24；修回日期：2016-03-20

作者简介：俞兴明(1965-)，江苏苏州人，教授，高级工程师，硕士，主要从事光通信和无线通信研究.

Analysis of the “Three Network Integration” Technic Schemes Based on HFC Cable Television Network

YU Xing-ming1，LIU Dong-yang2，XU Zhu-yong2
(1.School of Electronic Information Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China；
2.Jiangsu Tongding Broadband Co.，LTD，Suzhou 215200，China)

Abstract：Hybrid fiber coaxial (HFC) cable television network is an important information network in our country， playing an important role in building information society. Discussed are some construction schemes of the “Three Network Integration” including telecommunication network， computer network and broadcasting network based on cable television network， and their relative merits & shortcomings are pointed out， and their prospects are also demonstrated.

Key words：cable television network；Three Networks Integration；EPON；GPON；RFoG