三网融合下的有线电视网络改造技术

金立标，张乃谦

中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024

0 引言

随着通信技术和广播电视技术的迅速发展，在三网融合的大背景下，有线电视网络正在向下一代广播电视网过渡。2009年7月31日，科技部、广电总局、上海市共同进行了中国下一代广播电视网启动仪式，标志着我国下一代广播电视网的建设进入实质性推进阶段。2010年1月13日，国务院常务会议决定加快推进电信网、广播电视网和互联网的三网融合，提出推进三网融合的阶段性目标，把2010年至2012年作为广电和电信业务双向进入的探索期，2013年至2015年作为三网融合的全面推广期。2010年6月6日，三网融合试点建议方案第6稿在国家三网融合协调小组会议上最终通过，并于6月30日公布了第一批试点城市及地区：北京、上海、大连、青岛、厦门、深圳、哈尔滨、南京、武汉、杭州、绵阳和长株潭地区。截至2011年2月，12个试点城市的IPTV集成播控平台基本完成，并审核批准了594家国内互联网视听节目服务机构。

2011年3月14日，我国的“十二五”规划纲要提出，统筹布局新一代移动通信网、下一代互联网、数字广播电视网、卫星通信等设施建设，形成超高速、大容量、高智能国家干线传输网络。引导建设宽带无线城市，推进城市光纤入户，加快农村地区宽带网络建设，全面提高宽带普及率和接入带宽，并以广电和电信业务双向进入为重点，建立健全法律法规和标准，实现电信网、广电网、互联网三网融合，促进网络互联互通和业务融合。

在三网融合的背景下，如何确定并选择合适的网络接入传输技术，成为电信网络和广播电视网络目前面临的一个重要问题。电信网络的传统接入技术为ADSL，由于受到带宽的限制，基本上确定了光纤入户的大原则，无论是基于EPON还是GPON，都能够提供足够的带宽，满足日益增长的业务需求。

有线电视网络技术发展到现在，在经历了传统的模拟广播电视、数字广播电视之后，现在又面临双向化的技术选择。从最初的基于DOCSIS的CMTS/Cable Moden接入，到现在的EoC技术，以及和EPON结合后发展出的EPON+EoC技术，唯独没有提出光纤入户的接入目标。

因此，本文将在业务需求和接入带宽目标的基础上，对有线电视网络所面临的DOCSIS3.0，EoC和EPON这3种主要技术进行分析和比较。

1 业务带宽测算

1.1 接入目标

下一代广播电视网（NGB）制定的10年规划发展目标，提出保证每户接入带宽超过60 Mbit/s，在2015年用户平均带宽达到100 Mbit/s以上。

2010年11月30日，上海市三网融合工作协调小组提出城镇地区家庭宽带接入能力100 Mbit/s。2010年12月16日，武汉广电和武汉电信的三网融合合资公司计划2012年光纤到户80%，入户能力100 Mbit/s以上。

2011年2月16日，中国电信正式在全国启动“宽带中国，光网城市”工程。按照工程目标，南方城市将全面实现光纤化，核心城区全部实现光纤接入，最高接入带宽达到100 Mbit/s，城市家庭接入带宽普遍达到20 Mbit/s以上。

2011年3月17日，工信部、国家发展改革委、科技部、财政部、国土资源部、住房和城乡建设部、国家税务总局联合印发了《关于推进光纤宽带网络建设的意见》。提出电信企业以光纤尽量靠近用户为原则，加快光纤宽带接入网络部署。计划到2011年，光纤宽带端口超过8 000万，城市用户接入能力平均达到8 Mbit/s以上，农村用户接入能力平均达到2 Mbit/s以上，商业楼宇用户基本实现100 Mbit/s以上的接入能力。

2011年5月8日，武汉移动和武汉广电已经率先实现业务上的三网融合，推出首个三网融合套餐，涵盖宽带、互动高清、语音通话等多项业务。

1.2 带宽测算

从目前的网络业务发展趋势分析，视频点播、高速上网、视频通信、网络游戏等是未来业务发展中很有潜力的几种业务，其中视频业务对带宽的需求量是最大的。为了便于测算，仅对应用广泛、带宽需求量大的业务进行带宽测算。

据预测，未来基于IPTV的视频点播业务需求带宽将达到20 Mbit/s以上，高速上网业务的带宽需求达到10 Mbit/s以上。IPTV目前采用H.264标准的编码方式，一套标清的视频带宽需求在3 Mbit/s左右，高清的视频带宽需求在8 Mbit/s左右[1]。随着用户家庭数字终端的增加和普及，IPTV的带宽需求还将进一步增加。

视频通信的带宽需求一般在500 kbit/s左右，随着对高清视频通信的需求，未来其带宽需求会增加到2 Mbit/s左右。网络游戏目前对带宽的需求不是很大，一般在30 kbit/s左右，如果是交互式的网络游戏，带宽需求会增加到300 kbit/s左右。

在传统的网络带宽测算中，主要是数据业务，一般考虑其并发率约为15%。今后，网页上的视频业务越来越多，在带宽测算时应该考虑提高其并发率，逐步提高到30%左右。对于视频点播业务，由于其持续期长，一般可按30%的并发进行计算，随着用户数量的增加和内容业务的增加，并发率可逐步提高到50%。

无论是NGB还是电信网络，都提出未来平均接入带宽达到100 Mbit/s以上。按照NGB的保证接入带宽60 Mbit/s计算，如果其中有40 Mbit/s分配给视频点播业务，20 Mbit/s给高速上网业务，则用户的平均接入带宽为40 Mbit/s×0.3+20 Mbit/s ×0.15=15 Mbit/s。

因此在文章后面所涉及到的计算中，每户平均接入带宽都以15 Mbit/s进行计算。

2 现有接入技术分析

2.1 基于DOCSIS3.0的接入技术

2.1.1 DOCSIS3.0简介

CMTS/Cable Modem接入技术在经历了DOCSIS V1.0/V1.1/V2.0之后，又进入到DOCSIS V3.0时代。DOCSIS 3.0由美国有线电视实验室（Cable Labs）于2006年8月发布，2007年7月29日由国际电联（ITU）发布，作为ITU-T Rec.J.222标准，即《交互式有线电视业务的第三代传输系统——IP Cable Modem》。

DOCSIS 3.0相对于第一代和第二代标准，进行了一些技术改进。在传统的第一代和第二代标准中，经常会探讨回传噪声的问题，那是因为在低频段确实存由电缆分配系统的热噪声、光纤链路噪声和外部入侵噪声，尤其是在30 MHz以下。DOCSIS3.0对频谱进行了扩展，将上行频率扩展到了85 MHz，下行频率扩展到了1 002 MHz，这样无论是上行频段的噪声和容量，或者下行频段的信道容量都有了一定程度的提高[2]。

DOCSIS3.0第2项改进就是信道绑定技术，以满足日益增长的业务需求。该技术要求无论是下行还是上行，都至少能够绑定4个信道。采用64QAM调制方式，在8 MHz的带宽下其有效信道容量为38 Mbit/s，假若绑定8个信道，其下行带宽可达304 Mbit/s，这在一定程度上提高了高带宽的业务需求。此外，DOCSIS 3.0还支持IPv6以及组播技术。

2.1.2 接入方案

目前的DOCSIS3.0厂家产品已经很成熟，大部分产品的信道绑定都做到了8个。现在1个DOCSIS3.0的板卡都可以包含多个下行信道，例如摩托罗拉BSR 64000的1个TX32下行卡可以支持32路下行，Arris的C4C的1个下行业务模块16DCAM可以支持16路下行信道。假如一个DOCSIS3.0的CMTS板卡有16个下行信道，每8个信道做一个绑定（如图1所示），那么该板卡可以通过两个光节点经过分配网到达用户端。

图1 DOCSIS3.0系统示意图

采用64QAM调制方式，则8信道绑定在一起的信道容量为304 Mbit/s。若仅考虑高速上网的数据业务，给每个用户的平均带宽为4 Mbit/s，则该板卡可以带2×（304 Mbit·s-1）/（4 Mbit·s-1）=152户。若考虑NGB的接入保证带宽，包含高清和标清的视频点播业务，给每个用户的平均带宽为15 Mbit/s，则该板卡可以带2×（304 Mbit·s-1）/（15 Mbit·s-1）=40户。

2.2 基于EoC的接入技术

2.2.1 EoC技术分析

电缆接入技术（EoC）是下一代广播电视网的关键技术之一，利用各种数字调制技术在同轴电缆上承载以太网业务和各种综合业务，实现下一代广播电视网的宽带接入。

EoC技术分为无源EoC和有源EoC两大类型，无源EoC是基带传输，将基带数据信号直接混入有线电视系统，不需要进行调制。有源EoC是调制传输，采取各种数字调制技术把数据信号混入到有线电视系统中去。有源EoC技术又分成两大类，即低频EoC和高频EoC。低频EoC的技术标准包括家庭电话线网络联盟（HomePNA）和家庭电力线联盟（HomePlug）。高频EoC技术标准包括同轴电缆多媒体联盟（MoCA）、高性能同轴网络（HiNOC）和降频WiFi技术等[3]。

EoC各种标准的物理带宽和符号率均不一样，因此它们的信道容量也各不相同。根据有关测试数据，MoCA现有设备的吞吐量典型值在100 Mbit/s左右，MoCA2.0的吞吐量会有一定程度的提高。降频WiFi的吞吐量典型值在70 Mbit/s左右，现在有的厂家可能做到了100 Mbit/s以上。Homeplug AV的吞吐量典型值在100 Mbit/s左右。所以普遍存在的问题是频谱利用率不高，一般都在50%左右，并且有的系统带外抑制性能较差，有可能对有线电视信号造成一定的影响。最关键的问题在于标准不统一，从而造成各地选用的技术标准不一样，对网络整合也带来一定的困难。

2.2.2 接入方案

有线电视网络如果充分利用现有的电缆，可以采用EoC方式进行接入，并且和EPON结合在一起，即采用EPON+EoC实现光纤到楼（FTTB）。数据业务从光局端设备（OLT）经过光分配网（ODN）到达光网络单元（ONU），ONU利用EoC的局端设备对数据进行调制，然后经电缆网络送至用户端的EoC终端，即如图2所示。

图2 EPON+EoC接入示意图

EPON的1个PON口带宽为1.25 Gbit/s，其最高有效带宽为1 250 Mbit/s×98%×80%=980 Mbit/s。假设EoC局端设备的吞吐量在100 Mbit/s，此时系统所带用户数量由ONU带宽决定。

若采用典型1∶32光分，则每个ONU获得平均带宽为30.625 Mbit/s。每户平均接入带宽为15 Mbit/s，则每个EoC局端可带（30.625 Mbit·s-1）/（15 Mbit·s-1）=2户，那么EPON的1个PON口可带32×2=64户。该方案中，需要32台ONU，32台EoC局端。

若采用1∶16光分，则每个ONU获得平均带宽为61.25 Mbit/s。每户平均接入带宽为15 Mbit/s，此时每个EoC局端可带61.25 Mbit/s/15=4户，此时EPON的1个PON口可带64户，同1∶32光分的时候相同。但是，只需要16台ONU和16台EoC局端。因此，考虑到设备数量和成本，在EPON+EoC方案中，一般选用1∶16光分。

考虑另外一种情况，ONU获得的平均带宽超出了EoC局端设备的吞吐量，例如采用1∶8光分的情况，此时每个ONU获得的平均带宽为122.5 Mbit/s，那么系统所带用户数量就由EoC的带宽决定了。按照EoC局端设备的吞吐量为100 Mbit/s计算，每户平均接入带宽仍然为15 Mbit/s，则每个EoC局端设备所带用户数量约为6户。EPON的1个PON口所带用户数量为8×6=48户。

如果ONU获得的平均带宽超过了EoC局端设备吞吐量的2倍，例如在1∶4光分的情况下，每个ONU的平均带宽为245 Mbit/s，为了不造成带宽的浪费，可以采用每个ONU带多个EoC局端设备，或者在EoC设备中采用信道绑定技术。

2.3 基于PON的光纤入户

2.3.1 EPON技术分析

基于PON的网络技术标准主要有EPON和GPON两种，其中EPON线路速率上下行均为1.25 Gbit/s。GPON的线路速率为上下行不对称的，下行最高可达 2.5 Gbit/s，上行最高为 1.25 Gbit/s。在有线电视网络中和EoC结合主要是采用EPON技术，因此主要介绍EPON网络技术。

IEEE 802 LAN/MAN标准委员会在2001年7月正式成立了IEEE 802.3ah EFM工作组，IEEE 802.3ah标准于2004年6月正式颁布。标准定义了两种EPON的光接口：1000Base-PX10-U/D和1000Base-PX20-U/D，分别工作于10 km和20 km范围。标准同时定义了多点控制协议（MPCP），使EPON具备下行广播发送，上行TDMA的工作机制。

EPON是采用波分复用技术，下行采用1 490 nm的波长，上行采用1 310 nm的波长。如果存在有线电视信号，则采用1 550 nm的波长。在下行方向，OLT发出的是以太网帧经过编码的连续比特流，速率为1.25 Gbit/s，经光分路器到达各分支光纤上，信号光功率/幅度由于分路而变小。ONU接收到OLT发给所有ONU的比特流，解码后根据以太网帧前导码中的逻辑链路标识取出本ONU的以太网帧，送上层进一步处理。上行方向OLT授权各ONU的发送时刻和发送时间的长短，在OLT制定的发送时间里，ONU发送符合光千兆以太网物理层要求的速率为1.25 Gbit/s的比特流。

2.3.2 接入方案

对于光纤入户应用，在按EPON系统支持的最大光分路数组网时，EPON系统内的用户分配带宽应该可以满足到近、中期的业务需求，并且规划带宽应考虑一定的冗余，合理规划系统带的用户数。

EPON系统的典型光分为1∶32，系统结构如图3所示。经过32光分，每个ONU获得的平均带宽为30.625 Mbit/s，完全能够满足用户接入带宽60 Mbit/s的需求。即使按照用户接入带宽100 Mbit/s的标准，完全为IPTV视频点播，考虑30%的并发，也能够满足用户的带宽需求。

图3 EPON光纤入户接入示意图

在采用光纤入户的方案设计时，除了进行带宽测算之外，还要进行EPON系统的传输距离测算或者光功率测算。

EPON系统提供了两种光接口，1000BASE-PX10和1000BASE-PX20，分别提供10 km和20 km的光接入。EPON系统的最大通道插入损耗参考值[4]见表1。

表1 EPON系统的最大通道插入损耗

EPON系统的链路损耗主要由光分路器的插损、活动接头的损耗、熔接点的损耗、光纤的损耗等等组成，其中光分路器的插损占很大一部分。每个活动接头的损耗一般按照0.5 dB来计算，所以在设计EPON系统的光链路时，应尽可能减少活动接头的损耗。

2.4 接入技术比较

在前面提到的3种接入方案中，基于PON的光纤入户方案无疑在带宽需求和业务发展方面有很大的优势。

从施工的角度，CMTS/Cable Modem和EoC方案相对来说比较容易，对现有的电缆链路可以充分利用，又不用对现有网络做很大的改动，所以这两种技术方案在施工层面上是有优势的。对于光纤入户，由于全程光纤接入，原有的电缆接入部分可能会造成浪费。并且光纤入户需要重新进行分配网的光纤布线，尤其是用户家中原有的电缆要改成皮缆，在施工上造成一定的难度。

为了不造成电缆的浪费，可以考虑EPON系统采用单纤两波，广播电视业务还是通过原有的电缆网络接入，EPON系统只提供数据业务和视频点播业务。这样做的另外一个原因是单纤三波中的隔离度问题，由于有线电视信号的光功率偏高，而数据业务的光功率偏低，所以需要合波器有很高的隔离度。

下面对3种接入方案的造价做一个测算，并且仅考虑主要设备的价格，不包括施工和线路上的费用。比较前提是提供相同的接入带宽60 Mbit/s，考虑并发率的情况下用户平均接入带宽为15 Mbit/s，以10 000用户为例。由于市场上设备的价格多种多样，因此在下面的价格测算中对设备的单价取平均值。

对于基于DOCSIS3.0的CMTS/Cable Modem技术，考虑1个含16路下行信道的板卡，采用8个信道绑定，由前面的结论可知每个板卡可带40户。对于1万户需要250个板卡，仅考虑数据业务设备，不考虑链路中使用的光节点和放大器等设备，其价格见表2。

表2 CMTS/Cable Modem价格测算（1万户）

对于基于EPON+EoC技术，考虑采用1∶16光分，每个EoC局端设备吞吐量为100 Mbit/s，由前面的结论可知，每个PON口可带64户，则总计需要156个PON口，即156×16=2 496个ONU和EoC局端设备，总价格在886.48万元，平均每户886.48元，见表3。

表3 EPON+EoC价格测算（1万户）

对于光线入户的方式，由于平均接入带宽为15 Mbit/s，可考虑采用1∶64光分来实现，所以需要10 000/64=156个PON口，1万台ONU，其总价格在787.2万元，平均每户787.2元，见表4。

表4 EPON光纤入户价格测算（1万户）

由上面的价格比较可知，基于DOCSIS3.0的成本是最高的，其次是EPON+EoC，而光纤入户反而是价格最低的。

当然，如果不提供这么高的带宽，基于DOCSIS3.0的造价比较低。因为如果降低用户所需的带宽，那么一个板卡所带的用户数量会增加，CMTS的板卡数量同时减少，因而价格下降。对于EPON来说，无论带宽下降多少，它的光分最高为1∶64，所以其价格不变。经过测算，如果提供的带宽下降到4 Mbit/s，并发带宽为0.3 Mbit/s时，DOCSIS3.0的方案价格和EPON光纤入户的总造价相当。也就是说，随着带宽的增加，CMTS/Cable Modem技术的成本越来越高，而EPON的优势也就越大。

3 结论

通过本文分析可知，在过去低速率带宽的情况下，CMTS/Cable Modem和EoC技术还是一种比较经济、合适的接入手段。但是在三网融合的背景下，在高速率带宽的情况下，光纤入户已经成为趋势，也将成为广电和电信在业务竞争上所必须采取的业务承载方式。

[1]王庆，胡卫，程博雅，等.光纤接入网规划设计手册[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[2]Data over cable service interface specifications DOCSIS 3.0-physical layer specification[EB/OL].[2011-03-04].http：//www.cablelabs.com/specifications/CM-SP-PHYv 3.0-I08-090121.pdf.

[3]金立标，张乃谦，李鉴增.面向NGB的EoC接入网技术分析[J].电视技术，2010，34（6）：57-59.

[4]YD/T 1636—2007，光纤到户（FTTH）总体结构和总体要求[S].2007.