RFoG技术在网络双向化改造中的应用

沈 鑫，邓志杰，方中奇

（江苏省广播电视信息网络股份有限公司 苏州分公司，江苏 苏州 215006）

责任编辑:许 盈

0 引言

双向HFC网络一直是有线电视运营商解决电视网络双向化的主要技术手段。但由于HFC网络对于电缆线路和电缆接头等施工工艺要求较高，且在网络实际维护过程中，习惯于维护广播方式传输的有线电视网络维护人员，还较难适应维护以汇聚方式传输的HFC反向链路，这些都造成了双向HFC网络在中国推广较为缓慢。

同时，随着三网融合政策的确定，采用FTTB甚至FTTH的方式提高入户带宽已经成为各大通信运营商的一种战略决策。作为急于进入宽带通信领域的有线电视运营商来说，也不得不考虑如何将光纤不断地向用户端延伸，以应对未来的通信市场竞争。

在现阶段有线电视运营商开展光纤推进不外乎采用划小光站片区或者EPON+EoC等方式。划小光站片区是一种在技术上相当成熟的方案，但对于光纤资源和机房资源提出了较高的要求；EPON+EoC是近阶段比较热门的方案，但由于EoC种类繁多，且出现时间较短，在国内市场上还没有大规模利用EoC技术实现宽带通信运营较为成功的范例。而RFoG是一种在原有HFC网络架构基础上，不需要有线电视运营商改变业务运营模式，实现FTTH网络架构的新的网络改造技术方案[1－2]。

1 RFoG技术

1.1 RFoG的网络架构

图1是一种利用RFoG技术实现FTTH的网络架构图，这也是RFoG在北美主要的使用模式。从图中1可以看出，RFoG网络下行传输使用1550光发和EDFA，反向由于接收光功率较低，使用了低噪声光电路制成的回传光接收机，野外部分借用PON的无源光网络结构，利用单纤波分复用的方式实现上下行信号传输。

RFoG网络一般可以实现单个光口覆盖32个用户，但若每个反向光发都连续发送光信号的话，则在分前端反向光接收机会收到多达32个光信号的叠加，其产生的叠加干扰将影响信号的传输。因此RFoG网络光节点中的反向光发使用突发式激光发送机，即只在有RF回传信号注入时，激光发送机才发出光信号，否则不发出光信号。

1.2 RFoG网络中的关键技术

1.2.1 突发式回传激光发送机

图2是突发式回传光发送机的框架图。从图中可知，在没有RF回传信号的情况下，激光器偏置电流关闭，激光器不发出光；当有RF回传信号送入时，信号一方面送入信号检测模块进行信号功率检测和识别，另一方面对信号进行一定的延时处理。若检测发现是达到一定功率的RF信号，则向偏置电流模块发出打开偏置电流的触发电平指令，激光器发出光信号，而通过一定延迟的RF回传信号也送入了激光器随光信号同步输出。

由于在DOCSIS标准中CMTS和CM之间上行链路可以采用TDMA方式，即任一瞬间只有一个CM向CMTS发送上行信号，因此突发式回传光发送技术适合采用TD⁃MA方式的CM系统使用[3－5]。

在这个信号处理过程中，有2个关键参数:

1）延迟时间的控制。延迟电路的延迟时间必须与RF信号检测和激光器打开光信号时间基本同步，否则会影响上行链路的延时指标，严重的会出现信号丢失的现象。

2）RF回传信号检测门限功率的设置。RF信号检测门限功率不宜过低，否则可能导致满足功率要求的噪声打开激光器；而过高的门限检测功率要求光节点后的电缆网络反向链路衰减差值要小。所以RF回传信号检测门限功率的设置必须依据各运营商反向链路设计标准和实际网络状况确定。

1.2.2 低光功率回传接收机

由于RFoG网络使用路数较多的光分路器，因此回传光接收机和光节点之间的光衰减值较传统的HFC网络要大很多。

若按分前端覆盖范围5 km计算，使用1∶32光分路器的光链路衰减值在20 dB左右，而传统的回传光接收机接收光功率在－8～－10 dBmW，不能满足要求。低光功率接收机采用了低噪声光电路设计，并针对RFoG网络特点进行了优化处理，其光信号接收范围降低到－13～－27 dBmW，能够满足RFoG网络信号要求。

但由于使用了光突发技术，因此在传统HFC网络反向链路中使用比较普遍的光AGC功能在RFoG反向链路中无法实现。

1.3 RFoG网络优缺点分析

RFoG技术优点:1）在不改变有线电视运营商现有业务运营模式的前提下实现了光纤到户（FTTH）的目标。2）使用波分复用的方式传输，节省了分前端接入光纤资源。3）野外部分借用了PON的无源光网络结构，简化了网络的维护，提高了网络的可靠性，并且能够与各种PON网络进行叠加运营。4）使用反向光突发技术，可以减少用户噪声汇聚，提高了反向链路的传输质量。

RFOG技术缺点:1）由于每个光口只覆盖32户，同时必须使用1550光发射模块和EDFA，因此在相同覆盖用户情况下，RFoG增加了分前端设备数量和投入成本。2）反向光链路没有光AGC功能。3）传统HFC网络中使用的1310光发射机和回传接收机在RFoG网络中无法继续使用，此部分投资无法得到保护。4）RFoG是一种光纤到户的技术，但在现阶段光纤到户的业务模式还不成熟情况下，仍然需要一种光纤逐步推进的实施方案。

2 利用RFoG技术实现网络双向化改造的方案

2.1 反向光突发式双向HFC网络架构

在进行网络双向化改造过程中，可以利用RFoG技术的光无源网络结构来实现光纤的逐步推进。可以利用反向光突发技术来减少反向链路噪声汇聚。同时也需要利用传统HFC网络技术来弥补RFoG技术由于覆盖用户较少造成的投入成本较大的问题。

图3所示是在分析和融合了RFoG关键技术以后形成的一种反向光突发式双向HFC网络改造方案。

从图3中可以看出，分前端到野外双向光机之间的网络仍然沿用了传统的HFC网络结构，这样设计不但可以保护原1310系统设备投资和分前端机房网络结构，而且可以继续使用反向光AGC功能来保证野外光机到回传光接收机之间的长距离光纤链路指标。

野外双向光机以下的小区光电分配网则使用了上下行分开设计的理念。其中下行信号完全使用单向广播式传输网络，放大器可以使用单向放大器，传输电缆和分支分配器在保证单向广播信号传输质量的前提下可以不进行更换。在上行方面，将反向光突发式光机放置于单元或楼边，在野外光机处使用1∶16光分路器进行光路混合，并使用低光功率接收机将回传光信号转换为电信号，系统可支持4个低光功率接收机的输出电信号混合，混合后的电信号送入野外双向光机转换为光信号送至分前端。在楼或单元处放置的反向光突发式光机带有下行RF信号混合模块，下行信号通过光机内的高低通滤波器混合送入电缆无源分配网络。也可以利用下行电缆对所有反向突发式光机进行60 V集中供电，以解决改造时的供电处理问题。

图3中的电缆无源分配网部分沿用了传统双向HFC网络架构，其中的分支分配器、电缆和电缆接头都需要按照双向信号的传输要求进行改造。由于只涉及无源电缆网部分，改造难度有很大的降低。

2.2 反向光突发式双向HFC网络架构的优缺点

反向光突发式双向HFC网络架构的优点:1）分前端至野外双向光机之间的网络沿用了传统的HFC网络架构，保护了运营商原有设备投资，网络有较好的延续性。2）在小区光电分配网络中，上下行信号传输完全分开，且下行采用传统的单向广播式网络，这是所有基层维护人员都非常熟悉的一种网络架构，便于维护人员迅速开展维护工作。3）在小区光电分配网络中，上行信号采用光纤传输技术，由于光纤链路的稳定性和抗干扰能力优于电缆网络，所以反向链路使用光纤可以大大减少上行链路的维护量。同时反向光突发式光发的使用可以最大程度地减少上行噪声的汇聚。4）采用两级光电转换的架构，覆盖用户数较RFoG网络可以有极大的增加，以光纤到单元，每单元12户为例，反向光突发式双向HFC网络最多可以覆盖768户，同时反向噪声汇聚量并没有增加。

反向光突发式双向HFC网络架构的缺点就是在反向链路上增加了一级光电转换，因此在传输指标上需要进行重新测算。

3 反向光突发式双向HFC网络反向链路指标测算

3.1 反向链路测试模型的搭建

图4是反向光突发式双向HFC网络反向链路测试模型，其中A点是回传接收模块的测试口，标准是单通道80 dBμV；B点是传统HFC网络反向光链路，光AGC范围为0～－8 dBmW；C点是低光功率接收机向野外光机注入反向电信号，标准是每通道80 dBμV；E点是低光功率接收机接收光信号，在测试模型中为－15 dBmW左右；F点是反向突发式光发的输出光信号，经测试为1.5 dBmW；G点为反向突发式光机的注入信号，标准是反向总功率80 dBμV，同时G点也是反向噪声的注入点；H点为用户端注入信号，按单通道100 dBμV测算；G到H之间的反向链路衰减根据覆盖用户数的不同而变化。

首先根据系统要求测算G点的反向信号单通道注入电平，然后根据此注入电平的要求分析系统的CNR指标，同时在G点侵入噪声变化的情况下，分析系统在各种覆盖用户数时的反向噪声承载力。

3.2 反向光调制度与G点注入电平分析

图5是一种正向电信号输入，反向光突发式信号输出的光机设备框图。其中在反向ATT插0 dB情况下，G点的电平比I点低10 dB。

按照《HFC网络上行传输物理通道技术规范》（GY/T 180—2001）要求，在5～65 MHz的范围内共划分为19个通道，每通道3.2 MHz频宽。但在实际网络中由于低端的噪声较高，使用价值不大，且对于突发式光机来说，过高的噪声容易误打开激光器，所以在上述光机中将25 MHz以下的信号用滤波器进行了滤除，实际可用带宽只有25～65 MHz，共12个通道。

按照IEC 60728－13的3.1.6光调制指数定义

式中:M为总光调制度；mk为每个载波的光调制度；k为通道数。

按M=30%进行测算，得出以下单通道调制度表（见表1）。

表1 反向链路单通道调制度表

在考虑规划通道数时，仍然需要考虑光链路差异对反向电平信号的影响。使用的PLC光分路器均匀性在1～2 dB左右，如果要实现反向光机免调试安装，就需要在光调制度上为这种差异预留指标空间。

原国家标准规划19个通道时的单通道调制度为6.8%，将6.8%作为反向注入电平光调制度的下限。而RF激励功率的变化对光调制度的影响可以用以下式子计算

式中:M原为电平变化前的调制度；M新为电平变化后的调制度；x为RF激励功率变化值，单位dB。

测算各种通道数量下允许电平变化幅度，统计值如表2所示。

表2 光调制6.8%情况下单通道电平允许变化幅度

由于光功率与RF电平功率之间有1∶2的对应关系，所以选择电平变化幅度在3～4 dB的规划通道可以应对PLC光分路器的输出口差异问题。为便于计算，选择10通道模式，即G点单通道注入电平为70 dBμV。当然，各运营商可以根据自己的设计规范确定上行通道规划数，但建议不要少于4通道。

3.3 反向链路系统载噪比指标分析

3.3.1 理论测算

在不考虑侵入噪声的前提下，图5所示的反向链路载噪比指标由2部分组成:A点到C点的CNR1、C点到G点CNR2，整体系统的载噪比为

其中，CNR1和CNR2的计算可以使用IEC 60728－13给出的光强度调制系统的载噪比计算式得到

式中:BN为噪声带宽，回传通道取3.2×106Hz；mk为第k个载波的光调制度；R为光接收设备的光电变换效率，取0.84 A/h；Pr为接收机的接收光功率，单位W；RIN为光输入信号的相对强度噪声，取－135 dB/Hz；e为电子电荷1.602×10－19C；Id0为接收设备光探测器的暗电流，取1.3×10－9A；Ieq为接收机前置放大器的等效输入噪声电流密度，取4×10－12（A·h－1/2）；

针对图4的测试模型，主要分析接收光功率变化对系统载噪比的影响。为了模拟CM运行环境，假设当E点的光功率降低时，H点的电平升高，但最多升高10 dB，否则会引起反向光发的非线性失真。

从图6可以看出，由于受到光AGC的影响，B点的接收光功率在AGC范围内对系统载噪比影响不大。而由于受到H点的电平升高的影响，E点的光功率下降引起光调制度的上升，在光功率－20 dBmW以上时，系统载噪比有所改良，但低于－20 dBmW以后由于H点电平不再升高，光调制度趋于稳定，系统载噪比随光功率降低急剧下降。需要指出的是－20 dBmW以上系统载噪比改良是牺牲可用通道数的结果。

3.3.2 试验网测试结果

笔者模拟了CM运转时的信号，在接收光功率－15.4 dBmW时，H点的发射功率为100 dBμV。当接收光功率降低至－22.4 dBmW时，H点的发射功率为114 dBuV。测得结果如图7所示。

从图7可以看出，当光功率降低5 dB时，系统载噪比保持稳定。但光功率降低超过5 dB时，系统载噪比开始降低。整体系统能够保证CNR≥25 dB的要求。

3.4 反向链路噪声承载力分析

3.4.1 理论测算

按照图4的测试模型，分析在H点覆盖不同用户数量情况下，G点能够承载多大的噪声，以便保证上行链路达到CNR≥25 dB的要求。

测算时仍然需要使用式（3），但此时CNR1表示光系统载噪比，CNR2表示G点到H点之间的电缆分配网络CNR。

在H点覆盖用户数方面，分别测算了6户、12户、24户、36户和72户，链路衰减值分别为10 dB，14 dB，18 dB，21 dB，22 dB和26 dB。

通过计算，得到以下2点结果:

1）由于覆盖用户数量的减少，使得系统对噪声的承载力大幅提升，表3是测算的结果。

表3 系统CNR≥25 dB时G点最高侵入噪声功率

经实际测试，在G点25 MHz以上频谱中噪声功率很少超过50 dBμV。

2）在系统CNR≥25 dB的要求下，光系统载噪比对于整体系统载噪比的影响较小。在覆盖72户的测算模型中，对于光系统载噪比分别为41 dB和37 dB两种情况，G点噪声功率减低到39 dBμV时，光系统载噪比对整体系统载噪比的影响才超过1 dB。

3.4.2 试验网测试结果

进行了覆盖12户和覆盖72户试验网测试，测试结果如图8所示。

经过测试和计算，图4所示的测试模型对噪声有较好的承载力。

4 结论

RFoG技术的最大优势是其在不需要改变原有业务运营模式的前提下，实现了光纤推进和反向链路优化。但对于中国的有线电视运营商来说，由于RFoG技术并不会带来比HFC网络更宽的入户带宽，所以完全利用RFoG技术实施FTTH网络并不一定适用，然而这并不排斥利用RFoG技术中的一些关键技术优化现有的HFC网络，在实现光纤逐步推进的同时，减少对反向链路的维护，实现现有双向HFC网络的品质提升，增强在宽带接入领域的竞争力。

[1]熊承国,尹冠民.下一代广播电视网络接入网络新技术[M].北京:中央广播电视大学出版社，2010.

[2]Motorola.利用RFoG解决方案开展基于光纤的DOCSIS®和GPON业务[EB/OL].[2011－05－15].http://www.motorolahnmclub.com.cn/GPON/downloads/Leveraging－RFoG－to－Deliver－DOCSIS－and－GPON－Servicesover－Fiber.pdf.

[3]Cisco.Cisco prisma D－PON:your DOCSIS－based fiber－to－the－home solution[EB/OL].[2011－05－16].http://www.cisco.com/en/US/prod/collateral/video/ps8806/ps8862/ps10444/G1717A－DPON－whitepaper.pdf.

[4]OVADIA S.宽带有线电视接入网从技术到应用[M].韩煜国，译.北京:人民邮电出版社，2002.

[5]徐力恒，李建华.融合EPON与DOCSIS的EoC技术与双向网改方案[J].电视技术，2011，35（12）:4－6.