一种点对点百兆入户的同轴接入技术

张 斌，秦幸坚，陆晓苏，杜延霞，王春华

（1.上海大学 特种光纤与光接入网实验室，上海 200000；2.苏州云普通讯技术有限公司，上海 200000）

一种点对点百兆入户的同轴接入技术

张 斌1，秦幸坚2，陆晓苏2，杜延霞1，王春华1

（1.上海大学 特种光纤与光接入网实验室，上海 200000；2.苏州云普通讯技术有限公司，上海 200000）

结合基带EoC的星形交换网络拓扑和有源EoC的高频谱利用率的优点，提出并实现了一种基于EoC（Ethernet over Coax）技术的独享百兆入户的宽带同轴接入技术P2P-ECAN（Point-to-Point Ethernet Coax Access Network）。全面阐述了该ECAN技术的系统结构、关键技术，并对网络性能进行了测试，测试结果表明该技术具有低成本、带宽宽、时延小的优点，完全满足广电下一代接入网的传输要求。

EoC；ECAN；时延小；吞吐量；点对点

随着国家“三网融合”[1]和广电网络双向化改造的不断推进，高速上网、高清广播电视、IPTV、VoIP、VoD等多种业务成了接入网的主要业务,在有线电视网络正向下一代广播电视网络（Next Generation Broadcasting Network，NGB）演进的过程中，EoC技术成为众多有线电视网运营商的主要选择。

EoC技术主要分为非调制EoC与调制EoC两类。非调制EoC[2]是无源系统，设备简单，维护方便，可以提供10 Mbit/s的独享带宽。10 Mbit/s带宽虽然能实现一般网络的接入需求，但对于NGB业务，如超高清视频、3D等业务，10 Mbit/s的接入速率显然不能满足要求。调制EoC技术主要采用各种调制技术实现传输频谱的高效利用率，从而提高接入速率。调制EoC技术种类众多，主要有HomePlug AV[3]、MoCA[4]、WiFi over Coax[5]等技术。在家庭电力线网络联盟HomePlugAV[3]系统中，MAC层采用CSMA/CA或TDMA方式，物理层采用正交频分复用（OFDM）调制方式，通过7.5～30 MHz的频段传输以太数据信号。在同轴电缆多媒体联盟MoCA[4]系统中，MAC层采用TDMA方式，物理层采用自适应星座图多载波调制ACMT方式，该方式隶属OFDM调制，并采用Entropic技术的C-Link作为MoCA1.0规范的依据。在降频WiFi[5]系统中，MAC层使用CSMA/CA协议，物理层使用OFDM调制方式，通过降频将2.4 GHz下变频至1 GHz左右，耦合到同轴电缆中传输。调制EoC技术虽然都能提供100 Mbit/s双向带宽，但由于带宽共享的网络拓扑结构，在高峰时段的用户带宽会非常不理想。

本文结合基带EoC的星形交换网络拓扑和有源EoC[6]调制技术的高频谱利用率的优点，提出并实现了一种基于EoC（Ethernet over Coxa）技术的独享百兆入户的带宽同轴接入技术P2P-ECAN（Point-Point Ethernet Coax Access Network），实现了同轴用户独享百兆接入的目标。P2P-ECAN技术工作于5～65 MHz低频段，MAC层结合交换技术与IEEE802.3ah协议，实现下行交换、上行时分复用的技术方案，物理层采用单载波残留边带调制n-VSB（Vestigial Sideband）。以下就ECAN技术的独享百兆入户点对点同轴接入方案的系统结构、性能测试及其优于现有技术的特点进行详细的介绍和讨论。

1 系统结构

1.1 P2P-ECAN网络拓扑

系统方案的典型应用拓扑如图1所示。P2P-ECAN一般与EPON网络联合应用，P2P-ECAN系统由局端设备（Multi-Dwelling Unit，MDU）和终端用户设备（Coax Network Unit，CNU）构成，网络拓扑为星型结构，即局端设备MDU与各终端CNU可实现点对点连接。

图1 P2P-ECAN网络拓扑

图1中，下行数字业务首先由EPON网络的线路终端设备（Optical Line Terminal，OLT）经无源光网络（Passive Opti⁃cal Network，PON）传送到光网络终端设备（Optical Network Unit，ONU）。ONU与MDU通过GE（GigabitEthernet）口相连，MDU将以太数据调制到同轴线，以太帧格式全程遵循IEEE802.3ah协议。MDU将高频段的广播电视信号和调制后的以太数据信号通过双工滤波器混合后送入同轴线路中传输。其中，MDU通过以太数据帧中的逻辑链路标识LLID（Logic Link Identification）绑定用户终端的MAC地址和MDU的各端口MAC地址，从而实现在MAC层的数据转发。MDU使用n-VSB残留边带调制技术，调制后的数据业务信号占用低频频段为5～65 MHz，广播电视业务信号占用65～870 MHz频段；混合后的信号通过同轴网传输到用户端，由CNU接收，分离出的广播电视信号送至用户电视机，分离出的数据信号由CNU解调并输出至用户数据终端设备。

1.2 MDU的子层结构

如图2所示，局端MDU主要包括交换芯片与FPGA实现的MAC层、物理层芯片以及双工滤波器。输出端口数可根据用户环境调整。

MDU中的数据流程下行方向：以太网数据由GE口进入交换芯片，在交换芯片中完成数据的转发分配，转发分配后的数据分别通过MII（Media Indepedent Interface）接口送入由FPGA实现的MAC层模块中。

图2 MDU子层结构框图

FPGA设计实现的MAC层功能是：上下行带宽分配、IEEE802.3ah协议帧的转换封装、用户注册以及数据的排队转发等。物理层芯片中采用4-VSB调制方式，将接收数据调制到5～65 MHz的频带上，进而通过双工滤波器完成有线电视信号和数据信号的合成，然后通过同轴F接口输出至用户终端。

上行方向：从CNU发出的用户信号，经由双工滤波器，进入物理层芯片模块，解调出数据信号，再送入FPGA模块，对接收到的用户数据提取出本地的MPCP（Multi-Point Control Protocol）控制信息和OAM（Operation Administration and Main⁃tenance）管理信息，还原出IEEE802.3以太数据，送入交换芯片，在交换芯片中完成数据的转发，并通过GE口将信号发出。

1.3 MDU的MAC层及FPGA设计架构

P2P-ECAN技术采用TDD时分双工模式，协议时域上由DBA（Dynamic Bandwidth Allocation）周期构成，如图3所示。DBA周期由下行时段TDS和上行时段TUS两部分构成。上下行分配比可以根据业务需求进行更改。一般而言，DBA周期越大，控制开销所占比例越少，带宽利用率随之提高，但是数据时延相应增加。DBA周期越小越有利于降低数据延迟，但带宽利用率会有所下降。下行数据由绑定的LLID地址直接存储转发，上行则采用TDMA协议。

图3 MDU DBA周期

由于上行采用TDMA接入方式，局端MDU与用户终端设备CNU需要保持同步，才能保证信息的正确传输。P2P-ECAN以MDU时钟作为参考时钟，CNU依据MDU时钟，通过RTT（Round-Trip Timing）技术调整自己的时钟，实现网络同步。

FPGA实现的MAC层功能如图4所示。

图4 FPGA架构框图

该架构主要由下行接收模块DN_RX、队列 模 块 PKT_LEN_FIFO、调 度 模 块DN_TX_ARB、下行发送模块DN_TX、计时模块TIM_CTRL、监测模块RGS_CTRL、多点控制协议报文生成模块MPCP、上行接收模块UP_RX、上行发送模块UP_TX和寄存器REG_CONFIG组成。上下行工作及注册流程如下：

1）下行数据流

DN_RX首先从Switch TX接口接收数据包，然后解析该数据包。对于FE OAM报文，提取相关信息，然后生成寄存器读/写命令到REG_CONFIG寄存器；对于数据报文，则发送到FIFO队列，一方面获取数据报文的长度，另一方面将数据报文进行缓存，由调度模块DN_TX_ARB判断此时间段是否适合发送该数据报文，如果符合，则直接下发，反之则选通MAC MII接口的TX_CLK产生背压，停止发送，等待该报文的发送时间。其中，DN_TX_ARB是用于下行分组调度的核心模块，首先负责同轴信道传输的半双工控制，调整上下行时隙分配。其次，产生数据包的注册过程和用户带宽分配。多点控制协议报文生成模块MPCP由TIM_CTRL计数模块提供计时信息，如开始时间等，生成MPCP报文。TIM_CTRL模块为DN_TX_ARB模块提供定时控制信号，根据用户的配置参数，如周期长度和TDS/TUS，产生下行开始、下行结束、上行开始、上行结束等标志，也产生系统时间戳来保持系统的同步。数据包最终由发送模块DN_TX发送到PHY MII接口。

2）上行数据流

上行接收模块UP_RX接收来自PHY层的数据包，首先从数据流中过滤出MPCP管理信息，得到用于寄存器状态的必要信息，同时提取时间戳信息用于环路时延RTT计算，最后将还原的以太数据包直接经发送模块UP_TX送至Switch RX接口。

3）注册流程

因为只有一个终端设备CNU接入，对于每一个周期，DN_TX_ARB都会为该CNU终端生成一个发现窗口和注册表，CNU则产生REGISTER_REQ/REGISTER_ACK，如果局端MDU收到REGISTER_ACK，则注册完成。RGS_CTRL模块会继续监测每个周期报告中的数据包，如果报告丢失了一定的数据包，则终端CNU必须重新开始注册。

1.4 MDU的物理层

同轴局端MDU物理层模块分为上行、下行两部分，如图5所示。

图5 MDU物理层结构框图

在下行链路中，待发送数据模块EOC_MII_TX接收来自FPGA的以太数据流，前向纠错编码模块FEC_ENCODER接收数据后，将其封装为物理层数据帧格式，经过扰码、里德-所罗门RS（188，204）前向纠错编码后，由调制模块MOD实现信道调制，之后采用8 bit数模转换模块DAC（采样率为250 MHz），将数字信号转换为适合同轴电缆传输的模拟信号。然后模拟信号经过低通滤波器LPF_TX滤除工作频带以外的噪声，再由功率放大器PA进行信号放大，使输出信号电平工作于-11 dBm，3 dBm或4.5 dBm这3个发送功率点之一，以适应不同应用环境下的75 Ω同轴电缆传输。

数据上行链路中，从75 Ω同轴电缆上传的功率范围为-63～-3 dBm的宽频带信号首先经由低噪声放大器模块LNA接收，LNA可提供0 dB和20 dB两种增益。与下行发送信号相似，通过低通滤波器LPF_RX滤除带外噪声干扰后，信号经过可变增益放大器模块VGA，其放大增益为0～40 dB，以1 dB增益步进增加。放大后信号经模数转换，峰峰值可达500 mV，将模拟信号转换为8 bit一组的数字信号，数字信号进一步通过自动增益控制AGC、时间恢复环TRX、均衡器EQU等模块，实现信道解调。前向纠错解码器FEC_DECOD⁃ER进行RS（188，204）的解码并对数据进行去扰，最后由接收数据模块EOC_MII_RX通过数据线RX_D[3:0]送至MAC层。

2 P2P-ECAN系统性能测试

测试系统的框图架构如图6所示。其中，由Smart⁃bits600B产生的以太数据送入MDU，经同轴网络下发至终端CNU，CNU接收的数据则返送回至Smartbits600B。测试中，使用可调衰减器可对系统的传输链路衰减进行动态调整。

图6 P2P-ECAN测试系统图

测试中使用的局端MDU有7路速率性能相同的输出端口。测试中输出端口为任选，链路衰减为20 dB。设置调制方式为4-VSB，DBA周期为1 ms，上下行时段比例为1∶1。测试中设置对应包长分别为64 byte，128 byte，256 byte，512 byte，1 024 byte，1 280 byte和1 518 byte，测试得到的系统上下行吞吐量如图7所示。由测试结果可知：系统带宽不受包长影响，上下行总吞吐量保持在100 Mbit/s左右。家庭用户达到百兆接入带宽，可充分满足超高清视频、虚拟现实、智能家居等超宽带业务的带宽需求。

图7 上下行吞吐量测试数据

图8、图9分别给出了在测试包长为64 byte，128 byte，256 byte，512 byte，1 024 byte，1 280 byte，1 518 byte的情况下，系统的下行和上行的最大时延、最小时延和平均时延的测试结果。由测试结果可以看出：系统的传输时延与包长成正比，且上下行的最大时延都在2 ms以下。如今VoIP电话、视频电话和视频会议等语音业务都是一种面向连接的实时业务，对带宽有一定的要求，同时对时延要求更为严格，不影响VoIP电话、视频电话和视频会议等业务的最大时延为20 ms。网络游戏业务也是一种实时的面向连接的业务，不仅要求足够的带宽，同时也要求足够小的时延，让普通游戏玩家接收的最大时延为20 ms。互动的SDTV和HDTV电视点播同样是有限电视网络的一项基本业务，同样也对时延具有严格的要求，要求最大时延为30 ms。由上可见，此系统最大时延2 ms大大满足了各项业务需求，具有良好的网络性能。

图8 下行时延测试数据

图9 上行时延测试数据

3 小结

为满足国家广电总局的NGB带宽网络传输要求以及针对目前EoC技术的不足，本文提出并实现了一种P2P-ECAN技术方案。P2P-ECAN利用系统局端MDU的数据交换和n-VSB调制的高效频谱利用率，可保证每个接入用户都可以实现100 Mbit/s的带宽接入速率，实现百兆同轴入户带宽。

P2P-ECAN具有传输时延小，最大上下行时延分别小于2 ms和1 ms，提高了系统性能，完全可以满足国家广电总局提出的NGB业务的带宽需求。P2P-ECAN可充分利用现有的同轴网络资源，实现带宽接入，无需额外布线，节约了资源。P2P-ECAN还具有良好的技术兼容性，可无缝衔接基带EoC和目前的ECAN技术。

[1] HENS F J，CABALLERO J M.Triple play:building the con⁃verged network for IP,VoIP and IPTV[M].[S.l.]：John Wiley& Sons，2008.

[2] HALINEN A，MEDLIN C J，TÖRNROOS J Å.Time and process in business network research[J].Industrial Marketing Manage⁃ment，2012，41（2）：215-223.

[3] 徐小涛.HomePlug AV系统及其数据传输机制[J].数据通信，2010（1）：8-11.

[4] GOTZ M.Manuel rapp power line channel characteristics and their effect on communication system design[J].IEEE Communica⁃tions Magazine，2004，42（4）：78-86.

[5] DUAN Xiaoxue，JING Xinxing.Types and suppressions of the up⁃stream channel noise in HFC network[J].Guilin University，2000（9）：28-32.

[6] 周海洋，王春华，陆晓苏，等.一种新颖宽带点对多点同轴接入技术[J].电视技术，2013，37（11）：108-110.

张 斌（1989—），硕士生，主研接入网及通信协议；

秦幸坚（1981—），工程师，主研嵌入式软件开发与网管架构；

陆晓苏（1981—），工程师，主研通信协议及硬件开发；

杜延霞（1991—），女，硕士生，主研接入网及通信协议；

王春华（1963—），女，教授，主研光纤通信、光通信及光网络。

责任编辑：许 盈

Point-to-Point 100 Mbit/s Access Technology over Cable Network

ZHANG Bin1,QIN Xingjian2,LU Xiaosu2,DU Yanxia1,WANG Chunhua1
（1.Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks,Shanghai University,Shanghai 200000，China；2.Suzhou WINPAL Communication Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200000，China）

A novel EoC（Ethernet over Coax）technology P2P-ECAN（Point-to-Point Ethernet Coax Access Network）is proposed and implemented.Combing the star topology of passive EoC and the high spectrum utility of active EoC, P2P-ECAN can achieve over 100 Mbit/s broadband access for each subscriber.The detailed analysis of the structure of the system,key technologies are presented.Moreover,the system performance is tested.The experimental results prove that the technology features with low coast,broad bandwidth,low latency,and fully meet the requirement of access network over cable TV.

EoC;ECAN;low latency;throughput;P2P

TN949.6

B

10.16280/j.videoe.2015.04.012

2014-07-06

【本文献信息】张斌，秦幸坚，陆晓苏，等.一种点对点百兆入户的同轴接入技术[J].电视技术，2015，39（4）.