RF PON：NGB网络的首选接入技术

熊承国，尹冠民

（路通光电技术有限公司，江苏 无锡 214072）

1 RF PON技术概述

在有线电视网络的双向改造中，无源光网络（PON）技术得到了越来越广泛的应用，许多HFC双向网络都采用了GEPON技术。除去GEPON技术之外，不同的PON技术也都各具特色，并在不同的应用领域各领风骚。射频PON（RFPON）、光纤上的 RF 传输（RFoG）、混合光纤同轴 PON （HFC－PON）或者电缆PON（Cable PON－CPON）都是指在无源光网络结构上传输传统有线电视RF信号的一种无源光网络形式。在正向，RF PON是一个典型的点对多点 （P2MP）系统；在回传通道，RF PON把传输上行流或RF回传信号并入一个独立的回传PON波长，从而提供对传统的混合光纤同轴电缆网络RF回传信号的支持。

美国的SCTE接口实践分委员会（Interface Practices Subcomittee，IPS）第 5工作组正在编制光纤上的RF（RFoG）规范（代号为IPS910），计划将于近期发布正式的标准文本。由于该技术在对传统HFC网络进行升级改造中的特殊优势，得到了广大设备供应商、网络运营商的高度关注。笔者将简要介绍无锡路通光电技术有限公司（后简称“无锡路通”）提出的1种HFC网络双向改造中新的RF PON技术。

2 RF PON的基本工作原理[1]

RF PON（或称RFoG）是一种光纤深入网络结构，其典型网络拓扑如图1所示。在这种网络拓扑中，HFC网络的同轴部分被单纤（或双纤）无源光网络代替，下行和上行传输以不同的波长共享同一根光纤（或分别用2根光纤传输），典型的是下行采用1 550 nm传输广播信号与交付业务下行信号，而上行采用1 590 nm传输交互业务回传信号。这样就允许在这种光纤结构上通过WDM的方式在同一个PON网络上以1 490 nm传输EPON下行通讯信号，而以1 310 nm传输上行通讯信号，从而在同一个PON结构上同时传输传统的有线电视广播、交付业务信号和EPON系统的正反向通讯信号。图1上部为典型的HFC网络结构，下部为前端/分前端、光分配网络以及取代放大器的RF PON微型光节点示意图。

无锡路通根据中国HFC网络双向改造的实践，将北美的RF PON技术用于FTTB或FTTC环境，提出了图2所示的双纤应用模式RF PON网络结构。

图1 传统HFC网络和RF PON网络对比

图2所示双纤结构中下行以1 550 nm（或者1 310 nm）传输正向RF图像 （模拟/数字）广播信号、DOCSIS业务下行信号及话音业务下行信号。以光分路器代替原光节点，以微节点（内含突发式同步回传发送机）代替放大器（以及原光节点），以PON网络替代有源HFC传输网络。

RF PON微节点内置突发式反向激光发送机与CM或者STB的回传RF发射信号同步工作，时分复用。其定时与时隙安排由CMTS或者数字电视前端设备准确控制；回传光波波长可按系统设计考虑分别选择为1 310/1 550/1 590 nm或者1 610 nm。

前端多台 （理论上可达32台）RF PON节点共享1台反向接收机，反向接收机解调出RF回传信号后再分别送到不同的回传业务前端设备的回传RF输入端口。

下行传输业务RF PON设备无需控制，经PON网络进行广播，与传统HFC网络在节点处从光变成RF电信号一样，RF PON下行接收机置于野外、楼栋或者用户家中，完成与传统光节点内的光电变换相同的功能。RF PON下行接收机对于诸如 AM－VSB，QAM或QPSK之类的调制技术是完全透明的。

在回传通道，RF PON回传发送机工作在突发模式，使用RF PON完全像在HFC网络中CMTS控制CM那样，在任何给定时间都只允许一个CM发送信号。事实上，RF PON设备的激光发送机的发射时刻严格受用户驻地设备控制，RF PON回传发送机通过精确监测来自用户驻地设备的RF发射信号的发送时刻，并立即打开反向通道激光器。当来自用户驻地设备的RF信号完成发射时，激光器立即关断。因为激光器与RF回传信号严格同步，所以避免了2个激光器被同时打开而发生碰撞，即使回传光合成器覆盖多达32台微节点，任何时刻也仅有1台RF PON节点对应的那1条回传光链路在工作。

广播信号和交付信号既可如图2所示空分复用（双纤传输，回传信号采用独立光纤传输），也可以波分复用（通讯回传信号采用1 310 nm或1 590 nm，共享下行光纤）。图3给出了最简单的RF PON单纤应用模式的网络拓扑结构图。

图2 RF PON双纤应用的工作机理示意图

图3 RF PON单纤应用的工作机理示意图

在图3中，前端/分前端在单根光纤上以1 550 nm波长传送广播信号及交付业务下行信号，而传统的CM或STB的1 310 nm回传光信号在微节点处以合波器合成后送入同一根光纤上传回前端/分前端，在前端/分前端处用分波器提取出回传光信号，再送入共享的回传光接收机。

如果希望该网络不仅仅只传送传统的双向HFC应用业务，还希望在同一光纤结构上开展EPON应用，则可以利用如图4所示的网络结构实现更为灵活的应用。图中示出了用户驻地的A、B两类用户的不同情况，A类用户仅要求传统HFC业务，用户驻地设备包括STB机顶盒（RF 图像接收：广播、VoD 等），DOCSIS业务终端 （CM：高速数据传输业务及VoIP）；所以在单根光纤上采用波分复用方式，以1 550 nm传输下行业务光信号，1 590 nm传输上行业务光信号。对于B类用户，出现高速IP应用需求，故需要结构在EPON网络之上；因而对B类用户可将HFC网络与EPON网络进行波分复用，EPON业务下行以太通信信号以1 490 nm传输；回传信号以1 310 nm波长传输；4个波长复用后以同一根光纤实现双向传输，将PON结构同时应用于传统的HFC网络及EPON网络。

图4 RF PON典型的单纤应用模式

在这种网络结构下，即使对同一个用户，也可以使用RF PON技术与x－PON技术相结合，非常灵活地构建所需要的多种网络拓扑，同时提供传统HFC网络所能提供的全部业务及x－PON所提供的多种高速通讯业务。

3 RF PON的噪声特性研究

3.1 RF PON的噪声特性

从基本工作机理上分析，有4个因素使RF PON系统的噪声性能比传统的HFC网络更好。

首先是因为RF PON网络结构中，回传通道的上行突发模式限制了RF PON网络中的异常侵入噪声对载噪比性能的劣化。当用户驻地设备激活时，在任何给定时间内都只有1个RF PON设备在发射，也就是说仅有该激活通道对应的终端在此时刻发生的侵入噪声才有可能侵入系统的回传通道，系统所覆盖的其他终端即使在这一时刻出现侵入噪声，但因为对应的激光发送机被关断而不能侵入系统的回传通道，所以RF PON网络中回传通道的侵入噪声明显低于传统的HFC网络。

RF PON网络结构载噪比性能优异的第2个原因是RF PON网络固有的低噪声性能，图5所示为典型的HFC网络回传通道与RF PON的回传通道。从图中可知，在传统的HFC网络结构中，回传通道存在多个反向RF放大器的级联，回传信号以及噪声通过放大、衰减、再放大，随着放大器级数的增多，这些反向RF放大器的级联使HFC网络的载噪比逐级劣化。反之，RF PON光纤网络仅仅只在RF PON节点和反向光接收机中才进行回传RF信号的放大，其回传通道RF载噪比（CNR）必然优于传统HFC网络的载噪比。

RF PON技术对噪声还有另一种改善，就是以低噪声光电路制成的回传通道收发器专门针对RF PON网络进行了优化，这些接收机的噪声性能优于传统的HFC网络。

回传通道噪声特性有所改善的第4个因素是在RF PON网络结构下，任何时刻都只有1个回传发送机在发射回传信号，所以，回传激光器的RF激励信号功率谱密度可以加大，从而使回传链路的NPR进一步得到显著改善。

图5 HFC网络和RF PON网络中的回传通道噪声

3.2 RF PON的噪声特性计算[2]

根据IEC 60728-13给出的光传输系统载噪比的计算公式，可以分别计算出RF PON系统的链路载噪比指标与回传通道各种系统参数的关系，进一步深入研究RF PON系统的噪声特性，从而寻找出制约回传链路载噪比的主要因素。该公式为

式中：C/N为光传输系统载噪比；BN为噪声带宽；mk为第k个载波的光调制指数；R为光接收设备的光电变换效率（响应度）；Pr为接收机的接收光功率；RIN为接收机光输入信号的相对强度噪声；e为电子电荷， 值为 1.602×10－19C；Id0为光接收设备光探测器的暗电流；Ieq为光接收机的光探测器的等效输入噪声电流密度。

为计算RF PON系统的回传光链路，假设RF PON系统的典型参数为：BN=3.2×106Hz；RF PON 系统中始终只有一个CM对应的反向发送机工作，故光调制指数mk典型值设为20%；R=0.84 A/W；Pr＝－20 dBm 即 10－5W；RIN＝135 dB/Hz；Id0＝1.3×10－9A；Ieq＝4×10－12A·Hz-1/2。

利用上述公式，在系统参数为典型假设值时，分别计算出 mk，Ieq，RIN和Pr之间的关系，并绘成了图6所示的曲线。

分析图6给出的RF PON系统回传通道载噪比曲线，可以得出下述结论：

曲线①中，mk＝20%，Pr＝－20 dBm，BN＝3.2 MHz，Ieq＝4 pA·Hz-1/2，反向激光发送机的RIN 从－130 dB/Hz改善到－150 dB/Hz，反向光接收机的RF输出信号载噪比仅提高了1.5 dB。在低光功率及超低光功率接收条件下，反向激光发送机的RIN优劣对反向光接收机输出信号载噪比的影响不大。该特性就为突发式回传激光器的选择提供了较大的空间，有利于降低系统总体造价。

曲线②中，mk＝20%，RIN=135 dB/Hz，Pr＝－20 dBm，BN＝3.2 MHz，Ieq从 10 pA·Hz-1/2到4 pA·Hz-1/2变化时，接收机输出RF信号的载噪比从36.2 dB增加到43.2 dB；在超低接收光功率条件下，降低接收机的等效输入噪声电流密度对于改善输出RF信号的载噪比非常有效 （接收机的Ieq降低2.5倍，从10 pA降低到4 pA，接收机输出RF信号载噪比改善达7 dB）。

图6 RF PON系统回传通道载噪比与系统参数的关系曲线

曲线③中，mk=20%，Ieq=4 pA，BN=3.2 MHz，RIN=-135 dB/Hz，Pr取值-6～-26 dBm变化时（接收光功率减小20 dB），反向光接收机的C/N范围52.7～32.2 dBm。Pr从-6 dBm降低到-10 dBm时，C/N仅降低 0.5 dB；Pr从-10 dBm降低到-15 dBm时，C/N 降低 2.5 dB，Pr（单位 dBm）与 C/N（单位 dB）的关系约为 2:1；Pr从-15 dBm降低到-26 dBm时，C/N降低约18 dB，Pr（单位dBm）与 C/N（单位dB）的关系约为1∶1.5。在回传发送功率为0 dBm时，16个RF PON节点合成回传，回传链路损耗约为-16 dB，此时回传链路最大载噪比接近49 dB，所以将RF PON技术用于传统HFC网络的双向改造将显著改善回传通道的噪声特性。

曲线④中，Pr=-20 dBm，Ieq=4 pA，BN=3.2 MHz，RIN=-135 dB/Hz，当 mk变化范围为5%～25%，反向光接收机的C/N从31.6 dB增加到45.6 dB。C/N的变化幅度为mk增加倍数对数值的20倍。加大光调制指数可以显著改善链路载噪比指标。

曲线⑤中，回传带宽为 24 MHz（4×6 MHz捆绑），其他系统参数与曲线④相同，接收光功率变化对接收机RF输出信号载噪比产生影响。计算结果也表明Pr=-16dBm时，回传通道的C/N还大于40dB。这已是非常优异的链路性能，即使应用DOCSIS3.0标准也可以采用64QAM调制格式进行回传信号频道的捆绑传输。

3.3 RF PON网络的噪声特性实验研究

为验证RF PON网络结构的回传通道噪声特性，在多个大中型有线电视网络中，按图7所示网络拓扑结构进行了回传链路的噪声性能测试。

图7中左边为传统HFC网络回传通道前端信号处理电路示意图，4条回传光链路分别用4台反向光接收机接收之后先4分配、再进行4路合成送入CMTS回传RF端口。在CMTS的RF回传端口处用频谱仪进行本底噪声特性的验证测试，测试结果见图8。从本底噪声的频谱曲线可以断定远端4个光节点中都已经内置了20～65 MHz的带通滤波器（或20 MHz高通滤波器），滤除了20 MHz以下的低端噪声，所以低频段（5～20 MHz）本底噪声读数约22 dBμV，而25 MHz以上频段的本底噪声约30 dBμV。

图7 RF PON回传光链路噪声性能测试网络拓扑

把这4个回传光链路中远端光节点内的普通回传发送机组件更换成RF PON发送机组件之后，图7右边的前端信号处理电路是将这4路RF PON的回传光纤用4分路器进行合成之后送入单台RF PON回传接收机，该接收机的RF输出经4分配后，1路送入CMTS的原RF回传端口，1路以频谱仪测试CMTS回传RF端口处的回传链路本底噪声频谱，测试结果如图9所示。

图9为经过RF PON改造后同一网络的本底噪声频谱。远地光节点中的20～65 MHz带通滤波器已去除。为更好地观测回传链路的本底噪声电平，将频谱仪参考电平设置从 100 dBμV降为90 dBμV，除此之外频谱仪设置与图8所用设置完全相同。图9所示曲线表明，整个回传频段的本底噪声都处于 15 dBμV的水平，比传统网络结构下的回传噪声约低 7～15 dB。

CMTS工具软件监测到的CMTS上行端口RF回传信号的信噪比改善随网络实际状况呈现较大差异，但都有显著改善，其改善量约为3～10 dB。

4 RF PON在HFC网络改造中的优劣[3]

图8 传统光链路（4合1）的本底噪声频谱

图9 同样网络结构之下的RF PON回传链路的本底噪声频谱

从以上的分析可以看出RF PON网络结构有着显著的优势，简单归纳如下：

1）从本质上克服了传统HFC网络回传通道的各种侵入噪声干扰。因为RF PON应用模式在任意时刻都仅有一个CM所对应的突发式反向发送机在工作，其他反向激光发送机都关断，故本底噪声电平更低；又因为仅仅一个CM在发射，故工作反向发送机的光调制指数可以远高于传统连续发射的模拟激光发送机。因此，回传光链路的NPR非常高。

2）将传统HFC网络的光纤向用户端延伸，纯介质的无源光纤结构对信号传输协议、信号调制格式完全透明，所以既能提供传统HFC网络上的全部RF信号的传输功能，又不需要为双向改造重新构建一个独立的PON网络。今后用户确实需要更高的传输速率再平滑升级到x-PON系统时，也只需要共享该PON网络，在前端（或分前端）位置添加局端设备（如各种OLT），在用户端添加用户终端设备（如相应的ONU），真正实现传输网络向FTTH的平滑升级。

3）拥有更宽的上行频谱。因为RF PON对噪声特性的改善和反向激光器光调制指数的增加，使得NPR明显改善，有可能使整个5～65 MHz回传带宽都能够用于数据传输。此外，RF PON系统还能够更好地支持DOCSIS3.0的绑定，这就使网络运营商能够采用64QAM调制格式进行上行传输，从而显著增加上行传输速率。

4）多个光节点对应一台反向接收机，前端机房管理更为简单，前端机房和反向接收机的建设费用都更低。

5）光纤用量显著减小，不仅使光纤费用明显减少，而且还大大降低了光纤敷设费用，这对难于重新架设光缆的地方（例如地埋管孔不足时），从根本上解决了系统升级无法克服的障碍。

6）RF PON支持其他技术：对多种射频交付业务 （如 CM，STB，NMS等）都能提供透明的传输。RF PON网络的优势是其结构支持传输增值业务的各种技术，所以PON系统能够覆盖RF PON网络，允许开展吉比特带宽的高级商用业务，提供了丰富的以太传输能力。

7）维护量小，可靠性高。系统结构明显简化，维护方便、快捷，网络可靠性极大提高。RF PON网络在前端和用户之间只有多功能光节点，没有放大器之类的有源电子设备。RF PON网络还有另一个优势，那就是光纤比同轴电缆更为可靠，湿度、温度、闪电、电化腐蚀以及在同轴及双绞线网络中随时间而变化的其他条件都不需要考虑。

8）系统可以方便地平滑升级到FTTH（采用了PON网络结构）。

9）能够在单纤结构上集成RF与IP业务（如图10所示）。

10）与传统的双向 HFC，EPON＋EoC模式相比，RF PON结构的接入网络系统造价最低。随着高性价比CMTS的推出，这种RF PON技术的发展前景十分美好。

当然，与任何接入网络技术一样，RF PON技术也存在局限性：1）SCTE所编制的RF PON技术规范还未发布；2）CMTS的价格居高不下，在一定程度上制约了该技术的成本优势；3）采用波分复用技术进行系统扩容或升级时，复用器/解复用器价格偏高；4）波分复用单纤传输时，宽波长分路器的价格也高于传统的单波长分路器的价格。

图10 把EPON系统覆盖到RF PON网络上

5 RF PON技术在HFC网络双向改造中的应用注意事项

采用RF PON技术构建全业务传输网络时必须注意：

1）回传光链路的损耗差异、突发式反向激光发送机光调制指数的不同、反向激光器调制效率的差异（dP/di曲线的斜率不同）都会引起反向光接收机RF输出电平的差异，从而导致不同交付业务用户的RF回传信号（如CM回传信号、机顶盒回传信号）电平的不同，引起回传信号的载噪比不同，如果这种电平的不均匀度过大，就可能引起不同用户回传信号的比特误码率差异。系统设计时必须尽可能保证每个用户的回传光链路损耗尽可能相同。

2）回传通道的设计与调试方法都必须相应改进，原则上应该尽可能加大反向激光器的光调制指数。

3）RF PON应用中，反向光接收机的RF增益必须完全满足回传光链路损耗的要求，一般情况下其RF增益都会高于传统HFC双向网络应用中的反向接收机；其次，因这种应用中接收光功率可能非常低（例如可能低达－20 dBm以下），所以反向光接收机必须满足低噪声要求。

4）因为突发工作模式的限制，RFPON反向接收机不能设计光AGC功能。

[1]路通光电技术有限公司.RFoG双向网络解决方案 [EB/OL].[2009-11-11].http://www.lootom.com/ProductShow.asp?ID=102.

[2]IEC 60728－13，广播信号的光传输系统[S].2010.

[3]Motorola.利用RFoG解决方案开展基于光纤的DOCSIS和 GPON业务[EB/OL].[2009-11-11].http://www.motorolahnmclub.com.cn/GPON/downloads/Leveraging-RFoG-to-Deliver-DOCSIS-and-GPON-Servicesover-Fiber.pdf.