NGB主要接入技术方案分析

胡睿,彭涛,杨易

(中央电视台新台址建设工程办公室)

1 引言

中国下一代广播电视网(NGB:Next-Generation Broadcast)[1]从内容上来说,是发展高清晰度电视、数字音频节目、高速数据接入和话音等三网融合业务,为科技、教育、文化、卫生、商务等行业搭建综合信息服务平台。从网络建设上来说,就是要以“3TNET”的核心技术为依托,建设 T比特的路由、T比特的交换和 T比特的传输的网络结构,还具有可靠的服务保障和可管可控的网络运行属性。NGB的网络包括三个大块——骨干网、城域网和接入网。高数据率的传输带宽和内容丰富的运营业务使得下一代广播电视网(NGB)对接入技术的选择提出了很高的要求,主要有以下几点:

(1)高带宽透明通道,与互联网无缝对接;

(2)接入端更高带宽,支持 IPTV、组播、视频电话等业务;

(3)三网融合,节约资源,网络结构简洁、低成本覆盖、能够快速开展业务;

(4)技术成熟,能够通过市场检验

NGB包括多种接入技术,各接入网根据各自的网络现状、网络架构运用不同的技术。接入网直接面对用户,因此接入网可以说是 NGB中最重要的技术部分。对于有线运营商来说,进行接入网技术选型时,能否满足未来高带宽的需求是必须考虑的一个重要因素。本文就目前主要的接入网技术“基于CMTS+CM的技术接入”以及“EPON+EoC的技术接入”做简单的分析。

2 两种接入技术分析

2.1 基于 CMTS+CM的接入技术

通过基于 DOCSIS接入标准的 Cable Modem接入方式开展宽带接入业务,利用有线电视光纤同轴电缆网(HFC Hybrid Fiber-Coaxial)实现用户宽带数据接入的方法,是基于广电技术体系发展起来的技术模式,在 HFC完成双向改造的基础上,就可以开展广电的宽带上网业务,是最直接的实现方式。该方案光纤传输部分利用空间分割上下行信号独立传输,光节点后同轴电缆采用频分制共缆传输,光纤同轴混合网(HFC)具有 5～750/860MHz的带宽,利用频分复用可以兼容模拟和数字业务(包括电视、电话和数据)。

Cable Modem系统包括前端设备 CMTS(Cable Modem Termination System)和用户端设备 Cable Modem,设备之间通过双向 HFC网络连接,系统终端Cable Modem完成用户端数据信号的上下行处理。其中 CMTS连接有线电视 HFC网络和 IP数据网络,使用 DOCSIS协议,配合 CPMS(Cable Provisioning Management System)终端管理服务器,通过终端 CM实现 Internet网络接入以及本地 IP数据业务接入的设备。CMTS数据系统是头端的控制器,它是 CM的核心部分,CMTS用来控制和管理 CM,并进行上、下行数据之间的传输频率转换,HFC系统功能是否完善,完全取决于 CMTS的性能质量,它还能为以太网和 CATV网络的连接,并进行数据频率分配。

图 1所示为 DOCSIS/HFC典型结构图。

图 1 DOCSIS/HFC典型结构图

美国有线电视实验室(Cable Labs)于 2006年 8月发布的 DOCSISV3.0(Data Over Cable Service Interface Specification)标准[2],是 Cable Modem接入技术的又一次重大变革,它在基于 DOCSIS V1.1/V2.0通信协议的扩展频谱、加大流量及增强功能等方面卓有贡献,使在 HFC网上运营三重业务变得游刃有余,具有成为 NGB的接入网的潜力。其主要特点例举如下:

(1)扩展频谱:将下行扩展为 108～1002MHz,上行扩展为 5～85MHz;

(2)加大流量:上 /下行均可采用 4个以上的信道绑定,若采用 4个 6MHz带宽的信道绑定(我国信道带宽可用为 8MHz),则下行速率(256QAM)可达160Mbps,上行速率(64QAM)可达 120Mbps;

(3)信道采用 QAM调制,A-TDMA和 S-CDMA解决上行通道噪声和脉冲干扰

(4)增强功能:基于 IP分组的支持多业务,可支持 IPv4/v6地址的分别或同时预置,可使 CM透传 IPv6到其后的 CPE,并提供 QoS支持;

(5)可支持组播(Multicast)功能,使专用源信号的 IP组播流传到 CPE,并提供 QoS支持。

(6)支持更先进的安全策略 AES

由上述技术特点可知,DOCSISV3.0可根据不断增长的业务市场需求,使 HFC网络的下行带宽持续扩容至 5Gbps,且增加带宽的成本较低;其 CMTS既可支持大量用户,满足用户的流量需求,还可对每个用户终端灵活地预置 IP地址进行管理,并提供QoS保证,使网络业务能安全可靠地运营。

DOCSIS下行数据信号采用了与数字电视信号一样的包结构(MPEG)、调制方式及信道编码,两者可在同一 HFC网上混合下行,亦可将数字电视信号(或其它附加业务信号)接入专设的下行会聚子层同时下行(受 MAC协议控制)。这些特点使得 Cable Modem具有高带宽透明通道,可以与互联网实现无缝对接。

2.2 基于 EPON+EoC的接入技术

目前正在大力推行“光进铜退”,将 FTTH作为双向化改造以及三网融合的最终奋斗目标,而解决最后 100米传输问题的 EoC技术,与 EPON技术结合在一起因其运行风险低,影响范围小的特点,成为当下争论的热点。

EoC(Ethernet Over Coax)技术？通过同轴电缆链接数据光纤链路与接入终端负载的设备,采用RJ45以太接口,传输互联网协议(TCP/IP)的作用都是相同的。是典型的“一点对多点”工作传输模式。它把 IP数据与有线电视信号有机的结合在一起,用同一根电缆接入送入用户,既不影响有线电视信号的传输,又有双向独享的宽带综合业务接入,具有良好的适应性和灵活的组网接入方案,无需对原有有线电视网络进行双向施工改造,克服了有线电视网络双向网络改造过程中入户施工较难、全网覆盖成本高以及改造工程周期长的诸多问题。

现有有线电视网络是以光纤为干线的光缆 -同轴电缆混合网(HFC),有线电视网络双向化改造技术主要包括接入网光传输改造技术和用户接入改造技术两部分。基于电缆接入技术(EoC)的有线电视宽带接入网如图 2所示[3]:

图 2 有线电视宽带接入网基本结构示意图

EoC也是一个广泛的概念,从其技术方法的不同可以归纳为两大类:无源基带传输和有源调制传输。EoC技术因其协议标准化程度强、接入带宽高、网络噪声低、施工方便、环保节能、链路简单、可靠性强等优势被列选为 NGB的主流技术之一。

EoC技术协议成熟,遵循 IEEE 802.3以太网协议,不需要进行协议转换,原有以太网络信号的帧格式和 MAC层都没有改变,是一条全“透明”的 IP管道。EoC入户接入速率可以保证每户都是 10Mbps,克服了同时多用户同时在线“抢”带宽的问题,也去除了因用户多而导致数据碰撞产生的开销。而且由于数字电视节约了更多的频带资源,为频谱资源的重新划分提供了基础,只要留给数据通道足够的低频频谱,EoC就可以实现 100M入户带宽。EoC与EPON技术相结合,一根光纤三波长传输,一根同轴电缆提供数据业务与视音频业务,这种技术方式不仅可以提供高带宽的数据通道,还能提供丰富的视音频节目,提供 VoD点播的通道,能够充分利用有线电视的网络资源,特别是这几年进行了星型分布网络改造的网络,只需要简单地更换分配器与用户盒,就能够以低成本实现网络的双向化,节省投资,避免了令人头痛的噪声汇聚问题。

3 接入技术应用评价

3.1 评价内容

(1)双向以 IP传输协议

(2)下行广播方式

(3)上行 TDMA

(4)MAC层IEEE802

(5)MAC控制访问机制

(6)QOS

(7)动态带宽分配

(8)加密

3.2 差异

(1)物理层编码

(2)物理介质 电缆 VS光纤

(3)支持速率

(4)标准系列

(5)兼容性

3.3 CMTS+CM的优点

(1)技术体系完善成熟、业务支持性好、兼容性好;

(2)充裕的下行带宽和极低的带宽成本;

(3)在现有有线电视网络上进行改造,树型结构的同轴电缆分配系统,有利于用户接入和工程施工;适合稀疏模式网络覆盖区域

(4)大面积覆盖低开通率情况下成本较低,少量前期投入即可在全网进行业务受理

(5)下行传输带宽资源丰富,满足标清电视、高清电视点播需求,当双向业务用户增加时,其主要设备 CMTS可以像搭积木式的逐步投入,扩展性、兼容性良好;

(6)按频谱分割方式构成非对称的双向传输系统,不会影响其对网络业务的适应性。就三重业务的传输容量而言,大容量的电视和数据业务都是非对称的,下行容量大、上行容量小;只有话音(VoIP)业务是要求对称传输的,但其传输容量甚小,也就在十几 ～几十 kbps量值,不会成为分配网的传输负担。相比之下,若采用对称结构的分配网来传输三重业务,则其传输业务的带宽成本将会增加,为VoIP传输业务付出的代价太大;

(7)上/下行光路采用空间分割方式,有利于提高信号的传输质量、降低传输损耗,在光缆成本越趋下降的情况下,还有利于网络资源的储备和今后的扩容;这种方式尤其适用于大容量、小时延的实时电视广播业务。

3.4 CMTS+CM的不足

(1)在 CMTS+CM系统中,上行噪声汇聚的普遍存在降低了用户通信质量,尤其是在视频或 IP话音等实时业务情况下,噪声干扰会引起数据传输时延和抖动,造成视频图像失真和语音不连续。同时工程维护需要的技术支持问题在短期内难以妥善解决。

(2)CMTS设备数据功能简单,仅仅有简单的MAC学习管理,桥接转发能力,需要外接 IP路由设备完成业务平台的搭建。

(3)反向消耗光纤资源、设备密集

(4)doscis3.0即使可以采用信道捆绑方式,带宽也不过区区 100M左右,在满足用户越来越高的带宽需求方面能力有限;

(5)采用 CMTS网络改造需更换大量设备,工程量大,后续成本相对较高。

(6)产业化程度不高,可供选择的设备及系统数量较少。

3.5 EPON+EoC的优点

(1)目前在广电网的双向改造中,普遍采用的是 EPON+EoC技术,该技术发展相对成熟,设备成本低,EPON技术应用到有线电视行业,解决了对双向 HFC建设中遇到的上行技术问题和 CMTS+CM成本问题;

(2)点到多点的物理和逻辑拓扑结构符合有线电视星 -树形接入网络结构,组网灵活;

(3)EoC技术解决了 ONU支持的楼宇数据控制器与家用数据终端的连接问题,把 ONU输出的以太网信号搬移到同轴电缆上,借助单向 HFC网络的同轴电缆与电视信号一同传送,刚好克服了这个困难;

(4)充分利用了 HFC下行宽带优势,高速带宽充分满足接入网客户的带宽需求,可根据用户业务需求灵活的动态分配带宽;

(5)覆盖成本、开通成本、运营成本、运维成本较低,克服了施工与技术困难。

(6)网络可靠性高、便于平滑升级、商用化程度高、符合 FTTH发展趋势

3.6 EPON+EoC的不足

(1)面临 EoC局端设备的布局问题。一个 EoC局端只能布局在光节点或光节点以下的电缆线路上,相对于布局于前端或分前端的 CMTS来讲,EoC的覆盖能力明显下降,有的地方可能会存在有 EoC局端的布局,近期内却没有或只有较少的业务用户,造成 EoC局端的闲置;

(2)若采取将频率放置在高端的 EoC方案,则会使局端与终端间的路由链损失较大,个别较远端用户开展业务时造成连接不稳定。若增加中继设备后,成本低的优点也不具备了。

(3)制造商驱动,标准规范相对宽松,EOC技术选择众多,在国内尚无统一的行业标准,各个厂家分割而治,在 EPON+EoC发展后期会带来系统不兼容而产生的各种矛盾。

4 小结

我国广电同轴电缆 cable接入覆盖达 1.5亿用户,打造下一代广播电视网络要充分利用现有有线电视网络用户覆盖资源和同轴电缆宽频率、高带宽的特点,采用适当的宽带接入技术,通过网络宽带化、双向化改造,承载互动式多媒体业务。如何利用改造现有广电网络、充分依托同轴电缆入户资源,以IP作为业务承载协议,满足标准化和兼容性的要求,成为各种技术争论的焦点。

在传统意义上的 HFC双向化改造,是为 CMTS+CM和互动式机顶盒提供传输通道,该项改造已经在部分地区逐步完成;而 Epon技术和产品的出现和成熟,及其低成本高带宽等优势为 NGB接入技术提供了新的选择,在现有 HFC网络上叠加 EpoN技术,不需要对现有的 HFC网络进行大幅度改造,设备成本较低,只需要在原来的光网络上进行相应的配置,可以在相对较短的时间内完成网络的升级改造。

下一代广播电视网(NGB)的技术发展要走业务驱动型的发展思路,在选择适合下一代广播电视网(NGB)的接入方式时,应考虑促进技术收敛,同时以增强自主创新能力为出发点,培育能形成具有核心自主知识产权,并适应我国下一代广播电视网(NGB)业务需求和技术发展的宽带接入技术。在为 NGB选择合适的接入网时要从业务的灵活性、用户的成本以及网络的生存周期等各方面综合考虑,得到一个最优解。第一,可持续性发展,设计一个将来能长期应用的网络。选择接入网技术不仅要考虑带宽和业务的关系,同时还需要考虑系统的架构和网络的架构。第二,按需打造接入网。最终的一百米究竟需要怎样的接入网技术接入是根据用户今后中长期的需求来制定。在 NGB的大背景下,接入网所能支持的业务不仅包括高清视频、标清视频、宽带上网、VoD甚至 VoIP等语音服务,利用广电的带宽优势,给各种高数据率业务提供技术背景,最终在应用层面上实现三网融合,打造适合我国国情的、有线无线相结合的、全程全网的下一代广播电视网络。

[1] 盛志凡.中国下一代广播电视网络 NGB[J].广播电视信息,2009.

[2] 段伟 .浅谈 CableModem系统在有线电视网中的应用[J].有线电视技术,2009.

[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[Z].北京:2009.