下一代广电宽带接入网技术——EPoC

李远东

（浙江普陀广播电视台，浙江 普陀 316100）

1 EPoC的发展背景

1.1 有线电视网络相关情况

DOCSIS虽然技术很成熟且可承载多业务，但在国内有线电视网络的应用场景中，存在以下问题:1）对HFC底层基础网络质量、分中心机房基础设置、网络管理与运维、有线运营商经济与技术实力等的要求很高；2）上、下行带宽不对称，尤其是上行带宽很小且几乎不可扩展（虽有厂商在2011 Cable Show上推出5～200 MHz上行解决方案[1]，但速率仅有575 Mbit/s，频谱效率很低）；3）CMTS的单位带宽成本与CM价格目前仍然很高。由此造成的的现状为:国内成功运用DOCSIS的有线电视网络公司很少，转而不断探索EoC技术的应用与发展。长远来看，EoC是国内有线电视网络双向化改造的应用趋势。但现有EoC满足不了三网融合下多业务开展所需的多业务支持、高带宽、强QoS、家庭多终端接入等核心需求，于是出现了EPONoC的发展趋势[2]。但EPONoC本质上还是有源调制EoC，所以其应用场景受限，而且各种EPONoC技术独立发展，不能互联互通。

美国有线运营商之所以能成功地运用DOCSIS技术，是由于当初FCC《电信法》对有线运营商的保护、HFC的巨大投资、强大的电缆产业支撑、几十年积累的同轴电缆网络工程经验，另一个重要原因就是美国的居住环境相对分散（这使得电信xDSL的接入速率低于有线的CM）。但随着近几年来各种新兴的“带宽密集型”应用的不断涌现，尤其是2007年FCC推出新的《电信法》以及电信运营商开始大规模FTTP建设，有线运营商面临巨大的压力[3]，同时DOCSIS在PHY及上行方面的固有缺陷愈发凸显。在此背景下，美国有线运营商从2009年第4季度就已经开始发展新的HFC接入网技术，并密切关注我国EoC的发展动向。

1.2 全球有线运营商越来越倾向于EPON

广电总局从2008年开始评估将EPON作为有线电视网络双向化改造技术的可行性，之后，1G-EPON在国内有线电视网络中得到了广泛部署（结合LAN，EoC），并有升级成10G-EPON的趋势（目前10G-EPON已可在FTTx（x≠H）场景下商用部署，且产品互通性已具备）。另外，国内已成功规模部署DOCSIS的天威、歌华、华数等正在关注的C-DOCSIS技术，从目前的技术体制来看，也要结合EPON才能实现。

北美有线运营商也一致看好EPON[3]，CableLabs于今年2月发布了DPoETM 1.0（DOCSIS Provisioning of EP⁃ON，DOCSIS的EPON配置），目的是在继续利用DOCSIS后台系统的同时，以EPON（1G-EPON或10G-EPON）向用户提供更大的接入带宽与更优性能的服务[2]。2011年6月，CableLabs又发布了CCAP[2]，这实际上是一个可实现有线电视网络扁平化与节能减排的融合型技术平台，而其中也包括DPoE技术，由此可见北美有线运营商对EPON的重视程度。

1.3 EPON在有线电视网中的应用场景受限

EPON是一种FTTH技术，但考虑到用户普遍的应用带宽需求、成本投入（尤其是10G-EPON FTTH的成本）、市场竞争份额、用户分布的密集程度等重要因素，目前把FTTH作为广电接入网首选技术尚不现实。况且，放弃业已广泛部署的、仍有巨大潜在利用价值的同轴网络而部署入户光缆是一种极不明智的行为，其CAPEX要比升级现有同轴网络高出4～5倍。

1.4 同轴网络具有巨大潜在价值

同轴电缆具有3 GHz的可用带宽[4]，新兴调制技术可使同轴电缆的频谱效率达到20（bit·s-1·Hz-1）[5]，国内有线电视网络对同轴电缆的利用还很不充分，而在密集居住区内最后100 m接入网的同轴资源在成本及可提供的带宽上皆可与FTTH媲美[2]。全球的有线电视网络都是HFC架构，绝大多数均是以同轴网络入户。所以，有线运营商必须掌握并创新同轴接入技术，发展出具有高性价比、能适应有线电视网络各种应用场景（包括光纤段与同轴段）的下一代HFC接入技术，而且该技术应该能与EPON一起构成一个统一的有线电视以太接入网架构。基于EPON协议的同轴分配网络（EP⁃ON Protocal over Coaxial Distribution Network，EPoC）即是这样一种技术。

1.5 IEEE成立EPoC研究组

11月11日，IEEE 802.3工作组批准并成立了EPON PHY for a Coax Study Group（面向同轴接入的EPON PHY研究组）[6]。该研究组将致力于同轴专用接入技术EPoC的市场需求考察、网络兼容性考量、基于现有技术的物理层标准制定。EPoC源于博通公司的EPOC[2]，但限于目前的技术水平，不能像EPOC那样在任何应用场景下都能实现端到端。EPoC代表了下一代HFC接入网的发展方向，因此得到了行业组织、有线运营商、芯片商、设备供应商的大力支持。

2 EPoC参考架构

EPoC将EPON的MAC层协议移植到有线电视网络的同轴段[7]，并定义了新的PHY[6]，参考架构如图1所示。系统由同轴线路局端（Coaxial Line Terminal，CLT）、终端的同轴网络单元（Coaxial Network Unit，CNU）以及同轴分配网（Coaxial Distribution Network，CDN）组成。工作原理如图2、图3所示。下行方向，CLT发送的数据信号广播到其所覆盖的所有CNU，CNU按照CLT分配的终端标识（Logic Link Identifier，LLID）只接收属于自己的以太帧；上行方向，CNU发送的数据信号只达到CLT，而不会到其他CNU，为避免数据冲突并提高网络利用率，EPoC的上行采用基于EPON MPCP的TDMA对各CNU的数据发送进行仲裁，并以DBA保证各CNU的QoS。据博通公司介绍，1G-EPON的1个OLT接口最多可接入254个CNU，10G-EPON的1个OLT接口最多可接入1000 个CNU。

3 EPoC的原理

EPoC的协议栈如图4所示，基本上完全沿用EPON的MAC[7]。

3.1 MAC层

3.1.1 MAC客户端子层

该子层提供EPoC MAC层与上层间的接口。

3.1.2 MAC实体与OAM客户端

单播MAC实体在CLT与相应CNU之间提供点到点仿真业务，由于物理层协调子层的存在，每个CNU只需对应1个MAC实体。CLT中还有一个标记为SCB的MAC实体，结合IGMP Proxy（CLT）/Snooping（CNU）协议，用于处理下行广播/组播业务。

CLT中的OAM客户端用于建立并管理链路OAM，使能并配置OAM子层实体。在OAM发现过程中，OAM客户端监控来自CNU的OAM协议数据单元，并根据CLT与CNU状态配置相关参数，使能链路上的OAM功能。

3.1.3 OAM子层

在OAM子层，CLT与CNU交互传递一类OAM帧，用于远端环回控制、链路性能监测、远端故障告警等。可选IEEE 802.3ah中所定义的OAM或者由中国电信所定义的OAM，若选用后者，则可获得比前者更多的运行、维护、管理功能，包括:1）OAM发现与能力通告；2）CNU基本信息上报；3）CNU认证；4）CNU升级软件下载；5）“三重搅动”密钥更换、更新、同步；6）DBA参数设置与读取；7）用户端口相关属性管理；8）VLAN配置与管理；9）组播业务管控；10）QoS相关配置，如业务流分类与标记；11）重新设置CNU的Action功能，并规范了IEEE 802.3ah OAM中未规定清楚的属性。EPoC完全引用了EPON的MAC协议，只是将在IEEE 802.3ah OAM中利用其所定义的扩展机制额外增加一些用于网络配置、监测、管理等的OAM消息。

3.1.4 DBA子层

EPON DBA子层提供了CLT为其所覆盖的各CNU灵活且动态地分配一定长度上行时隙的MAC仲裁机制，可提高EPoC系统的上行带宽利用率、保证业务公平性与QoS、根据LLID分配带宽授权。

3.1.5 MPCP子层

MPCP子层（多点MAC控制子层）引入了EPON的MPCP协议，定义了点到多点同轴网络的MAC控制机制，其中的GATE（授权帧）、REPORT（报告帧）、REGIS⁃TER-REQ（注册请求帧）、REGISTER（注册帧）、REGIS⁃TER-ACK（注册确认帧）等5个MAC控制帧在CLT与CNU之间交互传递，用于CNU注册、系统测距、DBA、CNU带宽申请、CLT带宽分配等。图5以CNU的发现过程为例，分析了EPoC的MAC层工作原理。在注册之后，CNU在CLT所安排的时隙中报告其缓存中用户数据队列情况，CLT据此为CNU安排数据发送时隙的起点及长度，实现动态带宽分配。

3.1.6 加密子层

加密子层用于用户数据加密及CNU接入认证。下行方向应支持加密，上行则可选支持。EPoC专利文件中涉及的加密方法为AES[2]，但存在的问题是安全性能优异的AES-128不符合国内的商用密码管理条例，所以，笔者认为，在国内的应用场景中，EPoC可选用由中国电信所定义的“三重搅动”算法，详见中电信的EPON OAM。

3.1.7 MAC子层

MAC子层将上层所发送的数据封装到以太网的帧结构之中，并产生校验帧校验序列码，接收与发送以太网帧。

3.2 物理层

物理层（尤其是物理编码子层、同轴附加子层、同轴相关子层）是实现EPoC的关键技术，这是EPoC研究组的核心任务。研究组的目标是定义下行10 Gbit/s，上行10 Gbit/s的频分全双工EPoC，但受限于同轴段的可用频谱资源，相关厂家正在开发下行5 Gbit/s，上行1 Gbit/s的非对称全双工EPoC。由于EPoC的物理层尚处于研究阶段，所以下文只简要介绍其调制解调技术。

EPoC采用基于小波数学变换的多载波调制技术[7]，小波正交频分复用（Wavelet Orthogonal Frequency Divi⁃sion Multiplexing，WOFDM）、离散小波多音（Discrete Wavelet Multi-Tone，DWMT）、子带分集复用（Sub-band Division Multiplexing，SDM）等调制方式可选，也可选用目前广泛用于EoC的OFDM。

作为一种先进的传输体制，OFDM相对于单纯的单载波调制极大地提高了数据通信的有效性及可靠性，广泛应用于无线通信及广播、DVB-C2、有源调制EoC等领域，但其缺点也较明显。与OFDM基于快速傅里叶变换不同的是，小波多载波/多子带调制是基于小波变换。小波变换改进了傅里叶变换只在信号的频域进行、只能得到局部频域特性的缺陷，在傅里叶变换的基础上发展而来，可在对信号进行局部频域处理的同时，也进行局部时域处理。小波方案通过图6所示的M通道多速率小波滤波器来快速实现。

以下行方向为例简要说明小波方案的原理。在CLT中，基带以太信号经过FEC、交织、PAM等处理后成为x（n）信号，输入M通道分析滤波器组[8-11]:先经过小波带通滤波器Hk（z）（0≤k≤M-1）将整个频段分成M个不同的子带xk（n）（0≤k≤M-1）；再将xk（n）信号馈入↓M（M倍抽取器）进行下采样，把xk（n）的抽样率降低M倍，得到vk（n）（0≤k≤M-1），以便针对信号能量分布的特点进行相关处理；最后把经过小波变换及下采样处理得到的子带信号vk（n）相加，并发送到同轴信道进行传输；到达CNU后，为保证变换前后的数据总量不变（抽样率一致），每个子带信号vk(n)先馈入↑M（M倍内插器）进行上采样，得到抽样率增至M倍的 μk（n）（0≤k≤M-1）信号，再输入综合滤波器组Gk（z）（0≤k≤M-1）去除插值过程中产生的映像，最后将综合滤波器输出的信号相加，重构出(n)信号，(n)相比x(n)会有些许损伤，因为信号在M通道小波滤波器中可能会产生子带混叠失真、幅度及相位失真、量化误差等。“抽取”与“插值”是M通道多速率小波滤波器中的基本运算，目的是满足EPoC系统中的CLT及CNU不同的信号抽样率需求，以利于信号的处理、传输等。

对于SDM原型样机，在125 MHz宽度的同轴信道中，M（子带个数）的取值为256，子带宽度为100 kHz（各子带共享1μs符号时间）[8]，可通过动态的软件控制进行频谱“开槽”以规避较严重的噪声或开展其他业务。可配置每个子带所承载的数据位数，能统计每个子带的误码率。每个子带的调制深度可变，目前可实现的频谱效率为4～12（bit·s-1·Hz-1），理论上最高可达 20（bit·s-1·Hz-1）[5]。相关芯片厂商正在考虑M=512或1024 的ASIC芯片的研发。另外值得一提的是，SDM所有的处理是在基带完成的，并通过小波带通滤波器实现频谱搬移（而非通过传统的RF载波）。

小波方案中的各个子带频谱在时域及频域均正交，因此各子带之间的相关性很小（几乎为零），子带的独立性很强[10-12]，阻带衰减值可超过55 dB（甚至60 dB）[8]，因此在抵抗子信道互干扰方面的性能优于OFDM（阻带衰减值只有13 dB，旁瓣能量较大），如图7、图8所示。

另外，相比于OFDM，小波方案无需子信道间的时间保护间隔、循环前缀、PN序列，无需导频[8-12]。从而提高了频谱效率（约可提高33%[12]）。

4 EPoC的组网

考虑到各国有线电视频谱标准、网络架构、未来演进（高分割上行、全数字化、全IP化）等情况以及能对现有频谱进行有效利用，EPoC的频谱设置具有很大的灵活性（甚至可以针对某个有线运营商的具体情况进行频谱定制）[7]，下行频段可在54/65 MHz～2 GHz内选择，上行频段可在5～250 MHz及900～2000 MHz内选择。由于小波方案具有很大的频谱滚降（55 dB带宽为6 MHz，3 dB带宽为5.8 MHz），频谱近似矩形，EPoC信号及与其相邻的广播电视信号、HFC网管信号、DOCSIS信号等相互间的干扰可忽略不计[8]，图9给出了EPoC针对北美有线电视网络的两例频谱安排。

EPoC具有很强的组网能力，适用于所有的应用场景，如图10所示，在有源CDN中，EPoC可以双向放大。为了扩大覆盖范围，EPoC下行信号也可以先与电视广播信号以同一波长传输至光节点，上行信号则通过CWDM以另一波长从光节点回传至CLT，这样可以节约光纤资源，并真正做到端到端。EPoC CNU也可支持以MoCA、IEEE 802.11等进行家庭组网[7]，建议在制定相关国际标准时，考虑融入IEEE P1905.1（融合数字家庭网络标准），其通过抽象层（也被称为“类MAC”层，介于MAC层与网络层之间）融合支持 IEEE P1901，IEEE 802.11，IEEE 802.3，IEEE MoCA 1.1及其他家庭网络技术[13]。

5 EPON与EPoC的统一管理

统一管理使得广电接入网的光纤段与同轴段具有相同的QoS与配置策略。可采用中电信定义的EPON OAM来配置接入同一个PON口的ONU与EPoC（CLT，CNU）。也可在EPON OLT中集成DOCSIS管理中间件[2]（如DML，DOCSIS适配层软件），以利用现网中已部署的DOCSIS后台系统来统一管理EPON与EPoC网络。

6 小结

在电信大规模FTTH的严峻形势下，国内有线运营商所坚持的“在最后100 m同轴上进行技术创新，打造高速率、高性能、高可靠同轴接入网”的技术路线得到了全球同行的认可。“有源调制EoC”和“EPON MAC+同轴OFDM”是国内有线运营商、供应商在HFC接入网改造过程中探索出来的创新方案[2]。EPoC代表了下一代广电宽带接入网的发展方向，是全球有线电视技术工作者的智慧结晶，有望成为性价比最高的接入网解决方案。

最后，将EPoC的主要特点总结如下:1）完全保留了EPON的MAC层与介质无关接口协议，仅对OAM消息作适当扩展；2）重新定义了适应于同轴信道的PHY；3）物理层速率具有升级至双向对称10 Gbit/s的潜力，可为将来的同轴高带宽入户提供低成本解决方案；4）频谱可定制，组网形式灵活多样；5）可实现与EPON、DOCSIS、DPoE等网络的统一管理。

[1]CED Magazine.Arris boasts DOCSIS‘firsts’[EB/OL].[2011-06-14].http://www.cedmagazine.com/uploadedfiles/Ced/Show_Dailies/CED 2011-Cable-Show-Day1.pdf.

[2]李远东，姚永.EoC的发展—EPONoC[J].电视技术，2011，35（14）:1-5.

[3]李远东.北美及我国广电接入网面临的严峻形势与技术发展概述[J].世界宽带网络，2011，（18）8:76-79.

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[5]CT’S Pipeline.Pipeline profile:mark laubach[EB/OL].[2011-5-16].www.cable360.net/ct/news/people/profile-Profile-Mark-Laubach_17654 .html.

[6]DVBCN.IEEE 802.3工作组批准成立EPoC研究组，打造同轴专用接入技术[EB/OL].[2011-11-18].http://www.dvbcn.com/2011-11/14-81910.html.

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[12]RM wavelet based(WOFDM)PHY proposal for 802.16.3 Rev.0.0[EB/OL].[2011-08-20].http://www.ieee802163c-01_12.pdf.

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