李遠東

（浙江普陀廣播電視臺，浙江 普陀 316100）

1 EPoC的發(fā)展背景

1.1 有線電視網絡相關情況

DOCSIS雖然技術很成熟且可承載多業(yè)務，但在國內有線電視網絡的應用場景中，存在以下問題:1）對HFC底層基礎網絡質量、分中心機房基礎設置、網絡管理與運維、有線運營商經濟與技術實力等的要求很高；2）上、下行帶寬不對稱，尤其是上行帶寬很小且?guī)缀醪豢蓴U展（雖有廠商在2011 Cable Show上推出5～200 MHz上行解決方案[1]，但速率僅有575 Mbit/s，頻譜效率很低）；3）CMTS的單位帶寬成本與CM價格目前仍然很高。由此造成的的現狀為:國內成功運用DOCSIS的有線電視網絡公司很少，轉而不斷探索EoC技術的應用與發(fā)展。長遠來看，EoC是國內有線電視網絡雙向化改造的應用趨勢。但現有EoC滿足不了三網融合下多業(yè)務開展所需的多業(yè)務支持、高帶寬、強QoS、家庭多終端接入等核心需求，于是出現了EPONoC的發(fā)展趨勢[2]。但EPONoC本質上還是有源調制EoC，所以其應用場景受限，而且各種EPONoC技術獨立發(fā)展，不能互聯(lián)互通。

美國有線運營商之所以能成功地運用DOCSIS技術，是由于當初FCC《電信法》對有線運營商的保護、HFC的巨大投資、強大的電纜產業(yè)支撐、幾十年積累的同軸電纜網絡工程經驗，另一個重要原因就是美國的居住環(huán)境相對分散（這使得電信xDSL的接入速率低于有線的CM）。但隨著近幾年來各種新興的“帶寬密集型”應用的不斷涌現，尤其是2007年FCC推出新的《電信法》以及電信運營商開始大規(guī)模FTTP建設，有線運營商面臨巨大的壓力[3]，同時DOCSIS在PHY及上行方面的固有缺陷愈發(fā)凸顯。在此背景下，美國有線運營商從2009年第4季度就已經開始發(fā)展新的HFC接入網技術，并密切關注我國EoC的發(fā)展動向。

1.2 全球有線運營商越來越傾向于EPON

廣電總局從2008年開始評估將EPON作為有線電視網絡雙向化改造技術的可行性，之后，1G-EPON在國內有線電視網絡中得到了廣泛部署（結合LAN，EoC），并有升級成10G-EPON的趨勢（目前10G-EPON已可在FTTx（x≠H）場景下商用部署，且產品互通性已具備）。另外，國內已成功規(guī)模部署DOCSIS的天威、歌華、華數等正在關注的C-DOCSIS技術，從目前的技術體制來看，也要結合EPON才能實現。

北美有線運營商也一致看好EPON[3]，CableLabs于今年2月發(fā)布了DPoETM 1.0（DOCSIS Provisioning of EP?ON，DOCSIS的EPON配置），目的是在繼續(xù)利用DOCSIS后臺系統(tǒng)的同時，以EPON（1G-EPON或10G-EPON）向用戶提供更大的接入帶寬與更優(yōu)性能的服務[2]。2011年6月，CableLabs又發(fā)布了CCAP[2]，這實際上是一個可實現有線電視網絡扁平化與節(jié)能減排的融合型技術平臺，而其中也包括DPoE技術，由此可見北美有線運營商對EPON的重視程度。

1.3 EPON在有線電視網中的應用場景受限

EPON是一種FTTH技術，但考慮到用戶普遍的應用帶寬需求、成本投入（尤其是10G-EPON FTTH的成本）、市場競爭份額、用戶分布的密集程度等重要因素，目前把FTTH作為廣電接入網首選技術尚不現實。況且，放棄業(yè)已廣泛部署的、仍有巨大潛在利用價值的同軸網絡而部署入戶光纜是一種極不明智的行為，其CAPEX要比升級現有同軸網絡高出4～5倍。

1.4 同軸網絡具有巨大潛在價值

同軸電纜具有3 GHz的可用帶寬[4]，新興調制技術可使同軸電纜的頻譜效率達到20（bit·s-1·Hz-1）[5]，國內有線電視網絡對同軸電纜的利用還很不充分，而在密集居住區(qū)內最后100 m接入網的同軸資源在成本及可提供的帶寬上皆可與FTTH媲美[2]。全球的有線電視網絡都是HFC架構，絕大多數均是以同軸網絡入戶。所以，有線運營商必須掌握并創(chuàng)新同軸接入技術，發(fā)展出具有高性價比、能適應有線電視網絡各種應用場景（包括光纖段與同軸段）的下一代HFC接入技術，而且該技術應該能與EPON一起構成一個統(tǒng)一的有線電視以太接入網架構?；贓PON協(xié)議的同軸分配網絡（EP?ON Protocal over Coaxial Distribution Network，EPoC）即是這樣一種技術。

1.5 IEEE成立EPoC研究組

11月11日，IEEE 802.3工作組批準并成立了EPON PHY for a Coax Study Group（面向同軸接入的EPON PHY研究組）[6]。該研究組將致力于同軸專用接入技術EPoC的市場需求考察、網絡兼容性考量、基于現有技術的物理層標準制定。EPoC源于博通公司的EPOC[2]，但限于目前的技術水平，不能像EPOC那樣在任何應用場景下都能實現端到端。EPoC代表了下一代HFC接入網的發(fā)展方向，因此得到了行業(yè)組織、有線運營商、芯片商、設備供應商的大力支持。

2 EPoC參考架構

EPoC將EPON的MAC層協(xié)議移植到有線電視網絡的同軸段[7]，并定義了新的PHY[6]，參考架構如圖1所示。系統(tǒng)由同軸線路局端（Coaxial Line Terminal，CLT）、終端的同軸網絡單元（Coaxial Network Unit，CNU）以及同軸分配網（Coaxial Distribution Network，CDN）組成。工作原理如圖2、圖3所示。下行方向，CLT發(fā)送的數據信號廣播到其所覆蓋的所有CNU，CNU按照CLT分配的終端標識（Logic Link Identifier，LLID）只接收屬于自己的以太幀；上行方向，CNU發(fā)送的數據信號只達到CLT，而不會到其他CNU，為避免數據沖突并提高網絡利用率，EPoC的上行采用基于EPON MPCP的TDMA對各CNU的數據發(fā)送進行仲裁，并以DBA保證各CNU的QoS。據博通公司介紹，1G-EPON的1個OLT接口最多可接入254個CNU，10G-EPON的1個OLT接口最多可接入1000 個CNU。

3 EPoC的原理

EPoC的協(xié)議棧如圖4所示，基本上完全沿用EPON的MAC[7]。

3.1 MAC層

3.1.1 MAC客戶端子層

該子層提供EPoC MAC層與上層間的接口。

3.1.2 MAC實體與OAM客戶端

單播MAC實體在CLT與相應CNU之間提供點到點仿真業(yè)務，由于物理層協(xié)調子層的存在，每個CNU只需對應1個MAC實體。CLT中還有一個標記為SCB的MAC實體，結合IGMP Proxy（CLT）/Snooping（CNU）協(xié)議，用于處理下行廣播/組播業(yè)務。

CLT中的OAM客戶端用于建立并管理鏈路OAM，使能并配置OAM子層實體。在OAM發(fā)現過程中，OAM客戶端監(jiān)控來自CNU的OAM協(xié)議數據單元，并根據CLT與CNU狀態(tài)配置相關參數，使能鏈路上的OAM功能。

3.1.3 OAM子層

在OAM子層，CLT與CNU交互傳遞一類OAM幀，用于遠端環(huán)回控制、鏈路性能監(jiān)測、遠端故障告警等?？蛇xIEEE 802.3ah中所定義的OAM或者由中國電信所定義的OAM，若選用后者，則可獲得比前者更多的運行、維護、管理功能，包括:1）OAM發(fā)現與能力通告；2）CNU基本信息上報；3）CNU認證；4）CNU升級軟件下載；5）“三重攪動”密鑰更換、更新、同步；6）DBA參數設置與讀??；7）用戶端口相關屬性管理；8）VLAN配置與管理；9）組播業(yè)務管控；10）QoS相關配置，如業(yè)務流分類與標記；11）重新設置CNU的Action功能，并規(guī)范了IEEE 802.3ah OAM中未規(guī)定清楚的屬性。EPoC完全引用了EPON的MAC協(xié)議，只是將在IEEE 802.3ah OAM中利用其所定義的擴展機制額外增加一些用于網絡配置、監(jiān)測、管理等的OAM消息。

3.1.4 DBA子層

EPON DBA子層提供了CLT為其所覆蓋的各CNU靈活且動態(tài)地分配一定長度上行時隙的MAC仲裁機制，可提高EPoC系統(tǒng)的上行帶寬利用率、保證業(yè)務公平性與QoS、根據LLID分配帶寬授權。

3.1.5 MPCP子層

MPCP子層（多點MAC控制子層）引入了EPON的MPCP協(xié)議，定義了點到多點同軸網絡的MAC控制機制，其中的GATE（授權幀）、REPORT（報告幀）、REGIS?TER-REQ（注冊請求幀）、REGISTER（注冊幀）、REGIS?TER-ACK（注冊確認幀）等5個MAC控制幀在CLT與CNU之間交互傳遞，用于CNU注冊、系統(tǒng)測距、DBA、CNU帶寬申請、CLT帶寬分配等。圖5以CNU的發(fā)現過程為例，分析了EPoC的MAC層工作原理。在注冊之后，CNU在CLT所安排的時隙中報告其緩存中用戶數據隊列情況，CLT據此為CNU安排數據發(fā)送時隙的起點及長度，實現動態(tài)帶寬分配。

3.1.6 加密子層

加密子層用于用戶數據加密及CNU接入認證。下行方向應支持加密，上行則可選支持。EPoC專利文件中涉及的加密方法為AES[2]，但存在的問題是安全性能優(yōu)異的AES-128不符合國內的商用密碼管理條例，所以，筆者認為，在國內的應用場景中，EPoC可選用由中國電信所定義的“三重攪動”算法，詳見中電信的EPON OAM。

3.1.7 MAC子層

MAC子層將上層所發(fā)送的數據封裝到以太網的幀結構之中，并產生校驗幀校驗序列碼，接收與發(fā)送以太網幀。

3.2 物理層

物理層（尤其是物理編碼子層、同軸附加子層、同軸相關子層）是實現EPoC的關鍵技術，這是EPoC研究組的核心任務。研究組的目標是定義下行10 Gbit/s，上行10 Gbit/s的頻分全雙工EPoC，但受限于同軸段的可用頻譜資源，相關廠家正在開發(fā)下行5 Gbit/s，上行1 Gbit/s的非對稱全雙工EPoC。由于EPoC的物理層尚處于研究階段，所以下文只簡要介紹其調制解調技術。

EPoC采用基于小波數學變換的多載波調制技術[7]，小波正交頻分復用（Wavelet Orthogonal Frequency Divi?sion Multiplexing，WOFDM）、離散小波多音（Discrete Wavelet Multi-Tone，DWMT）、子帶分集復用（Sub-band Division Multiplexing，SDM）等調制方式可選，也可選用目前廣泛用于EoC的OFDM。

作為一種先進的傳輸體制，OFDM相對于單純的單載波調制極大地提高了數據通信的有效性及可靠性，廣泛應用于無線通信及廣播、DVB-C2、有源調制EoC等領域，但其缺點也較明顯。與OFDM基于快速傅里葉變換不同的是，小波多載波/多子帶調制是基于小波變換。小波變換改進了傅里葉變換只在信號的頻域進行、只能得到局部頻域特性的缺陷，在傅里葉變換的基礎上發(fā)展而來，可在對信號進行局部頻域處理的同時，也進行局部時域處理。小波方案通過圖6所示的M通道多速率小波濾波器來快速實現。

以下行方向為例簡要說明小波方案的原理。在CLT中，基帶以太信號經過FEC、交織、PAM等處理后成為x（n）信號，輸入M通道分析濾波器組[8-11]:先經過小波帶通濾波器Hk（z）（0≤k≤M-1）將整個頻段分成M個不同的子帶xk（n）（0≤k≤M-1）；再將xk（n）信號饋入↓M（M倍抽取器）進行下采樣，把xk（n）的抽樣率降低M倍，得到vk（n）（0≤k≤M-1），以便針對信號能量分布的特點進行相關處理；最后把經過小波變換及下采樣處理得到的子帶信號vk（n）相加，并發(fā)送到同軸信道進行傳輸；到達CNU后，為保證變換前后的數據總量不變（抽樣率一致），每個子帶信號vk(n)先饋入↑M（M倍內插器）進行上采樣，得到抽樣率增至M倍的 μk（n）（0≤k≤M-1）信號，再輸入綜合濾波器組Gk（z）（0≤k≤M-1）去除插值過程中產生的映像，最后將綜合濾波器輸出的信號相加，重構出(n)信號，(n)相比x(n)會有些許損傷，因為信號在M通道小波濾波器中可能會產生子帶混疊失真、幅度及相位失真、量化誤差等?！俺槿　迸c“插值”是M通道多速率小波濾波器中的基本運算，目的是滿足EPoC系統(tǒng)中的CLT及CNU不同的信號抽樣率需求，以利于信號的處理、傳輸等。

對于SDM原型樣機，在125 MHz寬度的同軸信道中，M（子帶個數）的取值為256，子帶寬度為100 kHz（各子帶共享1μs符號時間）[8]，可通過動態(tài)的軟件控制進行頻譜“開槽”以規(guī)避較嚴重的噪聲或開展其他業(yè)務?？膳渲妹總€子帶所承載的數據位數，能統(tǒng)計每個子帶的誤碼率。每個子帶的調制深度可變，目前可實現的頻譜效率為4～12（bit·s-1·Hz-1），理論上最高可達 20（bit·s-1·Hz-1）[5]。相關芯片廠商正在考慮M=512或1024 的ASIC芯片的研發(fā)。另外值得一提的是，SDM所有的處理是在基帶完成的，并通過小波帶通濾波器實現頻譜搬移（而非通過傳統(tǒng)的RF載波）。

小波方案中的各個子帶頻譜在時域及頻域均正交，因此各子帶之間的相關性很?。◣缀鯙榱悖訋У莫毩⑿院軓奫10-12]，阻帶衰減值可超過55 dB（甚至60 dB）[8]，因此在抵抗子信道互干擾方面的性能優(yōu)于OFDM（阻帶衰減值只有13 dB，旁瓣能量較大），如圖7、圖8所示。

另外，相比于OFDM，小波方案無需子信道間的時間保護間隔、循環(huán)前綴、PN序列，無需導頻[8-12]。從而提高了頻譜效率（約可提高33%[12]）。

4 EPoC的組網

考慮到各國有線電視頻譜標準、網絡架構、未來演進（高分割上行、全數字化、全IP化）等情況以及能對現有頻譜進行有效利用，EPoC的頻譜設置具有很大的靈活性（甚至可以針對某個有線運營商的具體情況進行頻譜定制）[7]，下行頻段可在54/65 MHz～2 GHz內選擇，上行頻段可在5～250 MHz及900～2000 MHz內選擇。由于小波方案具有很大的頻譜滾降（55 dB帶寬為6 MHz，3 dB帶寬為5.8 MHz），頻譜近似矩形，EPoC信號及與其相鄰的廣播電視信號、HFC網管信號、DOCSIS信號等相互間的干擾可忽略不計[8]，圖9給出了EPoC針對北美有線電視網絡的兩例頻譜安排。

EPoC具有很強的組網能力，適用于所有的應用場景，如圖10所示，在有源CDN中，EPoC可以雙向放大。為了擴大覆蓋范圍，EPoC下行信號也可以先與電視廣播信號以同一波長傳輸至光節(jié)點，上行信號則通過CWDM以另一波長從光節(jié)點回傳至CLT，這樣可以節(jié)約光纖資源，并真正做到端到端。EPoC CNU也可支持以MoCA、IEEE 802.11等進行家庭組網[7]，建議在制定相關國際標準時，考慮融入IEEE P1905.1（融合數字家庭網絡標準），其通過抽象層（也被稱為“類MAC”層，介于MAC層與網絡層之間）融合支持 IEEE P1901，IEEE 802.11，IEEE 802.3，IEEE MoCA 1.1及其他家庭網絡技術[13]。

5 EPON與EPoC的統(tǒng)一管理

統(tǒng)一管理使得廣電接入網的光纖段與同軸段具有相同的QoS與配置策略。可采用中電信定義的EPON OAM來配置接入同一個PON口的ONU與EPoC（CLT，CNU）。也可在EPON OLT中集成DOCSIS管理中間件[2]（如DML，DOCSIS適配層軟件），以利用現網中已部署的DOCSIS后臺系統(tǒng)來統(tǒng)一管理EPON與EPoC網絡。

6 小結

在電信大規(guī)模FTTH的嚴峻形勢下，國內有線運營商所堅持的“在最后100 m同軸上進行技術創(chuàng)新，打造高速率、高性能、高可靠同軸接入網”的技術路線得到了全球同行的認可?！坝性凑{制EoC”和“EPON MAC+同軸OFDM”是國內有線運營商、供應商在HFC接入網改造過程中探索出來的創(chuàng)新方案[2]。EPoC代表了下一代廣電寬帶接入網的發(fā)展方向，是全球有線電視技術工作者的智慧結晶，有望成為性價比最高的接入網解決方案。

最后，將EPoC的主要特點總結如下:1）完全保留了EPON的MAC層與介質無關接口協(xié)議，僅對OAM消息作適當擴展；2）重新定義了適應于同軸信道的PHY；3）物理層速率具有升級至雙向對稱10 Gbit/s的潛力，可為將來的同軸高帶寬入戶提供低成本解決方案；4）頻譜可定制，組網形式靈活多樣；5）可實現與EPON、DOCSIS、DPoE等網絡的統(tǒng)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]李遠東，姚永.EoC的發(fā)展—EPONoC[J].電視技術，2011，35（14）:1-5.

[3]李遠東.北美及我國廣電接入網面臨的嚴峻形勢與技術發(fā)展概述[J].世界寬帶網絡，2011，（18）8:76-79.

[4]DRAVIDA S，GUPTA D，NANDA S，et al.Broadband access over ca?ble for next-generation services:a distributed switch architechture[J].IEEE Communicatios Magazine，2002（8）:116-124.

[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工作組批準成立EPoC研究組，打造同軸專用接入技術[EB/OL].[2011-11-18].http://www.dvbcn.com/2011-11/14-81910.html.

[7]Broadcom Corparation.Ethernet passive optical network over coaxial(EPOC):US，WO2011/031831A1[P/OL].2011-03-17[2011-05-02].http://www.wipo.int/pctdb/en/wo.jsp?WO=2011031831&IA=US2010048232 &DISPLAY=STATUS.

[8]MILLER W J，LING YI，LAUBACH M E，et al.Sub-band division multiplexing(SDM)and its applications[C]//Proc.Sarnoff Sympo?sium.Princeton，NJ:[s.n.]，2008:1-4.

[9]吳芩.基于濾波器組的小波變換研究[D].武漢:武漢理工大學，2005.

[10]郭經紅.小波變換與多速率濾波器組理論在抗干擾技術中的應用[D].南京:東南大學，2000.

[11]張丙峰.基于寬帶無線信道的多載波調制理論與技術研究[D].濟南:山東大學，2008.

[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.

[13]P1905.1-Standard for a convergent digital home network for hetero?geneous technologies[EB/OL].[2011-6-28].http://standards.ieee.org/develop/project/1905.1.html.