双向数据网络接入技术浅析

王凯张宏宇

双向数据网络接入技术浅析

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1.2.内蒙古广播电视网络集团有限公司内蒙古呼和浩特市010010

本文从内蒙古广播电视网络集团有限公司正在采用的双向数据网络接入技术入手，结合数据接入宽带的实际运营情况，对目前主用的三种双向数据网络接入技术进行分析和论述。

接入网CMTS FTTH

引言

2009年，内蒙古广播电视网络集团有限公司推出数据接入业务，对内蒙古自治区12个盟市接入网进行双向化改造。通过几年的改造，如今全区双向用户发展数十万，基本形成城镇规模的双向化接入网络。业务不断摸索发展过程，也是技术日新月异的演进过程，在不同的发展阶段面临的新的双向数据接入技术不断升级。目前，内蒙古广播电视网络集团有限公司接入网络主要有如下三种技术：CMTS、C-CMTS以及FTTH，本文主要对这三种技术进行分析。

1 CMTS技术

CMTS（Cable Modem Terminal Systems）线缆调制解调器终端系统，在以有线电视网络为传输介质的宽带网络中使用领域，也称为有线宽带路由器。CMTS作为整个CMTS系统的局端设备，在与Cable Modem配合使用下，为有线电视网用户提供数据接入服务，同时完成对IP数据包和数据信号的调制、解调、转换和路由功能。上联路由器的数据包经由CMTS重新封装，以MPEG2-TS帧的形式采用QAM调制后通过HFC网络传给各CM终端。同时，CMTS将接收到的经过调制的上行数据进行解调，并转换成路由器可以识别的以太帧。

张宏宇内蒙古广播电视网络集团有限公司助理工程师

CM（Cable Modem）电缆调制解调器又名线缆调制解调器，主要用于有线电视网进行数据传输的调制解调器。与CMTS设备相配合使用，利用典型的电视频道（50～1000MHz的范围）进行下行方向的数据解调，利用5～65MHz频率来进行上行方向的数据调制（CMTS作用机理与CM相反）。如图1所示

图1　有线电视双向HFC网络图

CM线缆调制解调器与以往的调制解调器在原理上的相同之处为：都是在电缆的一个频率范围内通过对数据进行调制后传输。反之，在接收时进行解调。不同之处在于：CM是通过有线电视的某个传输频带进行调制解调，而普通Modem的传输介质属于用户独享通讯介质。CM属于共享介质系统，剩余空闲频段仍然可以用于有线电视信号的传输。

图2　CMTS网络系统结构

CM与CMTS进行通信，首先需要CM进行上线，完成与CMTS的配对，即完成CM从CMTS获取上下行信道参数，然后通过向DHCP服务器发出地址申请并与TOD服务器建立连接，当获取正确的地址和配置文件之后，即可与CMTS实现数据收发。

CMTS的调制方式和端口数量决定了HFC网络带宽的容量，上下行信道数据调制可以根据需要，承载对称或者非对称数据流。如图2所示

CMTS的信道参数：

HFC网络容量是基于CMTS的调制解调能力。CMTS的调制解调能力则取决于CMTS的信道参数，因此，CMTS信道参数决定了HFC网络理论数据带宽的基础。

CMTS的信道作用和参数如下：

上下行信道频点：提供载波频率；

上下行信道频宽：提供数据调制载波有效范围和安全隔离度；

上下行信道载波技术方式：针对载波在不同情况下使用的抗干扰技术方式；

上下行信道调制方式：用于决定理想情况下信道带宽的容量；

上下行端口接收和发射电平（功率）：根据网络的链路衰减和噪音干扰情况设定的发射（或者接收）功率值（或范围）。如表1所示

表1　调制方式与调制带宽对应表

图3　C-CMTS网络系统结构

2 C-CMTS技术

C-CMTS系统是一个将CMTS与EPON相结合的解决方案。C-CMTS系统由三个部分组成：前端部署EPON系统的OLT设备，接入网部分部署C-CMTS作为核心设备，调制解调器CM部署在终端。其技术本质是CMTS，体现在核心设备C-CMTS采用兼容DOCSIS技术标准的C-DOCSIS技术标准设计，与CMTS系统相同，充分利用广电现有光纤-同轴网络资源进行数据传输，使用与广电现有方式保持一致的频点规划。而其组网本质与EPON组网方式相似，体现在C-CMTS系统的光网络传输部分采用EPON传输方式；C-CMTS部署在光节点处，EPON的传输过程通过核心功能设备C-CMTS内置ONU与OLT完成相应功能，然后进入CMTS模块部分内部将IP数据调制成射频电信号方式进行输出，根据C-DOCSIS技术标准，采用8MHz安全频带一个频点的方式，根据网络情况调制方式可灵活选择64～1024QAM方式，一般情况下默认选择256QAM方式，单频点调制可达50Mbps数据输出；部署在终端的CM完成下行信号的解调输出IP信号。如图3所示

原有DOCSIS所支持的CMTS技术只适合低带宽、广覆盖的场景，如果需要扩容带宽，则需要在分前端机房中增加CMTS设备以及相应的光平台等昂贵设备，除了占据机房内宝贵的空间资源不说而且在新增光节点的过程中，需要大量独立的光纤资源作为回传通道，光纤的铺设投资巨大，总体造成网络升级的成本迅速上升，越来越不能满足实际环境复杂的HFC网络，更不用说向下一代网络的延伸。所以作为接收标准传承性的C-DOCSIS技术标准协议的产生可以再解决以上现有问题的基础上，实现向下一代网络的跨越。

C-DOCSIS系统也称作China DOCSIS系统，是Cable Modem系统的一种，其设备主要包括CMTS同轴电缆调制解调器终端系统（Cable Modem Termination System）及CM同轴电缆调制解调器（Cable Modem）。位于前端机房放置的CMTS属于射频器件，也是一种比较特殊的路由器，所有的CM都归CMTS管理。CMTS的管理内容有∶

（1）CM承载的所有的通信信息交换业务；

（2）管理CM发送信号上行时隙；

（3）同步，即时延管理；

（4）CM的发射和接收功率；

图4　PON网络结构图

CMTS设备连接着干线网与HFC网，这就需要其在两网络间传输数据包的同时，还需要在HFC上、下行信道间传送数据包，作为家庭网络终端设备CM的路由转接节点，实现连接通信。C-DOCSIS技术标准继承原有D0CSIS3.0标准对HFC网络定义为∶“光信号通过光节点与前端设备之间的光纤干线进行传输，用户端与光节点以同轴电缆作为双向媒介宽传输电信号的传输系统”。C-DOCSIS延续了D0CSIS3.0主要规范，包括MAC和上层协议接口规范（MULPI） 、运营支持系统接口规范（OSSI）、安全业务规范（SEC）、物理层接口规范（PHY），以及上下行信道的捆绑和满足IPv6要求等。C-DOCSIS是中国广电行业落实三网融合过程中所采用的主要宽带标准。

C-DOCSIS技术应用具有以下优势：

（1）保护原有投资，减少改造成本

（2）网络结构简单，快速接入

（3）运营方便

（4）行业标准一致性

（5）频点资源充分利用

（6）频道绑定技术

（7）融入IPv6技术

3 FTTH技术

目前我公司实网FTTH技术方案中采用EPON接入标准设备，EPON技术采用点到多点的用户网络拓扑结构，利用光纤实现数据、语音和视频的全业务接入的目的，主要由OLT、ODN、ONU三个部分构成。如图4所示

其中，OLT既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，它提供面向无源光纤网络的光纤接口（PON接口），作为整个网络/节点的核心和主导部分，完成ONU注册和管理、全网的同步和管理以及协议的转换、与上联网络之间的通信等功能。

ONU作为用户端设备在整个网络中属于从属部分，完成与OLT之间的正常通信并为终端用户提供不同的应用端口。

ODN在网络中的定义为从OLT-ONU的线路部分，包括光缆、配线部分以及分光器（Splitter）全部为无源器件，是整个网络信号传输的载体。其中光缆部分选用G.652、G.657系列的全部型号光纤，分光器可以从1∶2-1∶64可选，OLT到ONU之间的传输距离一般20km以内，分光器分光比例越高，光衰耗越大。OLT（Optical Line Terminal）放在中心机房，ONU（Optical Network U-nit）放在用户设备端附近或与其合为一体。无源光纤分支器是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发下行数据，并集中上行数据。EPON中使用单芯光纤，在一根芯上转送上下行两个波（上行波长：1310nm，下行波长：1490nm，另外还可以在这个芯上下行叠加1550nm的波长，来传递电视信号）。

在下行方向，IP数据、语音、视频等多种业务由位于中心局的OLT，采用广播方式，通过ODN中的1：N无源分光器分配到PON上的所有ONU单元。在上行方向，来自各个ONU的多种业务信息互不干扰地通过ODN中的1：N无源分光器耦合到同一根光纤，最终送到位于局端OLT接收端。

FTTH结构均在路边设置无源分光器，并将ONU移至用户的办公室或家中，是真正全透明的光纤网络，它们不受任何传输制式、带宽、波长和传输技术的约束，是光纤接入网络发展的理想模式和长远目标。

EPON的优点主要表现在：

（1）相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。

（2）提供非常高的带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gbps的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gbps。

（3）服务范围大，EPON作为一种点到多点网络，可以利用局端单个光模块及光纤资源，服务大量终端用户。

（4）带宽分配灵活，服务有保证。对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。EPON可以通过DBA（动态带宽算法）、DiffServ、PQ/WFQ、WRED等来实现对每个用户进行带宽分配，并保证每个用户的QoS。

我们来展示一下EPON的完整传输过程：

当OLT启动后，它会周期性的在本端口上广播允许接入的时隙等信息。ONU上电后，根据OLT广播的允许接入信息，主动发起注册请求，OLT通过对ONU的认证（本过程可选），允许ONU接入，并给请求注册的ONU分配一个本OLT端口唯一的一个逻辑链路标识（LLID）。

数据从OLT到多个ONU以广播式下行（时分复用技术TDM），根据IEEE802.3ah协议，每一个数据帧的帧头包含前面注册时分配的、特定ONU的逻辑链路标识（LLID），该标识表明本数据帧是给ONU（ONU1、ONU2、ONU3……ONUn）中的唯一一个。另外，部分数据帧可以是给所有的ONU（广播式）或者特殊的一组ONU（组播），在1：N分光器处，流量分成独立的N组信号，每一组载到所有ONU的信号。当数据信号到达ONU时，ONU根据LLID，在物理层上做判断，接收给它自己的数据帧，摒弃那些给其它ONU的数据帧。

对于上行，采用时分多址接入技术（TDMA）分时隙给ONU传输上行流量。当ONU在注册时成功后，OLT会根据系统的配置，给ONU分配特定的带宽，在采用动态带宽调整时，OLT会根据指定的带宽分配策略和各个ONU的状态报告，动态的给每一个ONU分配带宽。带宽对于PON层面来说，就是多少可以传输数据的基本时隙，每一个基本时隙单位时间长度为16ns。

在一个OLT端口（PON端口）下面，所有的ONU与OLT PON端口之间时钟是严格同步的，每一个ONU只能够在OLT给他分配的时刻上面开始，用分配给它的时隙长度传输数据。通过时隙分配和时延补偿，确保多个ONU的数据信号耦合到一根光纤时，各个ONU的上行包不会互相干扰。

结语

双向接入网技术在不断进步，但是并不能以此得出新的技术必定比老的技术更加在现有运营环境中适用。想达到最佳运营的目标，需要“合适的技术用在合适的环境中”，并且不断为更好的技术创造适用的条件以体现其优越性。由于CMTS技术的广覆盖特性，在一定时间内还需要因为保障前期投资以及满足用户相应需求而继续存在下去。而采用C-DOCSIS技术优化，既保护了前期原有对网络的投资，同时又满足未来业务的发展需求，解决了目前网络中存在的带宽容量小、汇聚噪声大、维护繁琐困难、光链路资源不足、频点资源紧张等困扰广电现有业务以及未来业务发展的诸多问题。但是随着接入网技术的快速发展以及具有大数据特征的社会需求趋势下，还需要逐渐完善我们现有的一、二级光网络，不断发展更加优质的光接入网络来为我们的核心竞争力进行加分。

审稿人：周速飞内蒙古广播电视网络集团有限公司正高级工程师

责任编辑：乌日山

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王凯内蒙古广播电视网络集团有限公司助理工程师