王凱張宏宇

雙向數據網絡接入技術淺析

王凱1張宏宇2

1.2.內蒙古廣播電視網絡集團有限公司內蒙古呼和浩特市010010

本文從內蒙古廣播電視網絡集團有限公司正在采用的雙向數據網絡接入技術入手，結合數據接入寬帶的實際運營情況，對目前主用的三種雙向數據網絡接入技術進行分析和論述。

接入網CMTS FTTH

引言

2009年，內蒙古廣播電視網絡集團有限公司推出數據接入業(yè)務，對內蒙古自治區(qū)12個盟市接入網進行雙向化改造。通過幾年的改造，如今全區(qū)雙向用戶發(fā)展數十萬，基本形成城鎮(zhèn)規(guī)模的雙向化接入網絡。業(yè)務不斷摸索發(fā)展過程，也是技術日新月異的演進過程，在不同的發(fā)展階段面臨的新的雙向數據接入技術不斷升級。目前，內蒙古廣播電視網絡集團有限公司接入網絡主要有如下三種技術：CMTS、C-CMTS以及FTTH，本文主要對這三種技術進行分析。

1 CMTS技術

CMTS（Cable Modem Terminal Systems）線纜調制解調器終端系統(tǒng)，在以有線電視網絡為傳輸介質的寬帶網絡中使用領域，也稱為有線寬帶路由器。CMTS作為整個CMTS系統(tǒng)的局端設備，在與Cable Modem配合使用下，為有線電視網用戶提供數據接入服務，同時完成對IP數據包和數據信號的調制、解調、轉換和路由功能。上聯(lián)路由器的數據包經由CMTS重新封裝，以MPEG2-TS幀的形式采用QAM調制后通過HFC網絡傳給各CM終端。同時，CMTS將接收到的經過調制的上行數據進行解調，并轉換成路由器可以識別的以太幀。

張宏宇內蒙古廣播電視網絡集團有限公司助理工程師

CM（Cable Modem）電纜調制解調器又名線纜調制解調器，主要用于有線電視網進行數據傳輸的調制解調器。與CMTS設備相配合使用，利用典型的電視頻道（50～1000MHz的范圍）進行下行方向的數據解調，利用5～65MHz頻率來進行上行方向的數據調制（CMTS作用機理與CM相反）。如圖1所示

圖1　有線電視雙向HFC網絡圖

CM線纜調制解調器與以往的調制解調器在原理上的相同之處為：都是在電纜的一個頻率范圍內通過對數據進行調制后傳輸。反之，在接收時進行解調。不同之處在于：CM是通過有線電視的某個傳輸頻帶進行調制解調，而普通Modem的傳輸介質屬于用戶獨享通訊介質。CM屬于共享介質系統(tǒng)，剩余空閑頻段仍然可以用于有線電視信號的傳輸。

圖2　CMTS網絡系統(tǒng)結構

CM與CMTS進行通信，首先需要CM進行上線，完成與CMTS的配對，即完成CM從CMTS獲取上下行信道參數，然后通過向DHCP服務器發(fā)出地址申請并與TOD服務器建立連接，當獲取正確的地址和配置文件之后，即可與CMTS實現數據收發(fā)。

CMTS的調制方式和端口數量決定了HFC網絡帶寬的容量，上下行信道數據調制可以根據需要，承載對稱或者非對稱數據流。如圖2所示

CMTS的信道參數：

HFC網絡容量是基于CMTS的調制解調能力。CMTS的調制解調能力則取決于CMTS的信道參數，因此，CMTS信道參數決定了HFC網絡理論數據帶寬的基礎。

CMTS的信道作用和參數如下：

上下行信道頻點：提供載波頻率；

上下行信道頻寬：提供數據調制載波有效范圍和安全隔離度；

上下行信道載波技術方式：針對載波在不同情況下使用的抗干擾技術方式；

上下行信道調制方式：用于決定理想情況下信道帶寬的容量；

上下行端口接收和發(fā)射電平（功率）：根據網絡的鏈路衰減和噪音干擾情況設定的發(fā)射（或者接收）功率值（或范圍）。如表1所示

表1　調制方式與調制帶寬對應表

圖3　C-CMTS網絡系統(tǒng)結構

2 C-CMTS技術

C-CMTS系統(tǒng)是一個將CMTS與EPON相結合的解決方案。C-CMTS系統(tǒng)由三個部分組成：前端部署EPON系統(tǒng)的OLT設備，接入網部分部署C-CMTS作為核心設備，調制解調器CM部署在終端。其技術本質是CMTS，體現在核心設備C-CMTS采用兼容DOCSIS技術標準的C-DOCSIS技術標準設計，與CMTS系統(tǒng)相同，充分利用廣電現有光纖-同軸網絡資源進行數據傳輸，使用與廣電現有方式保持一致的頻點規(guī)劃。而其組網本質與EPON組網方式相似，體現在C-CMTS系統(tǒng)的光網絡傳輸部分采用EPON傳輸方式；C-CMTS部署在光節(jié)點處，EPON的傳輸過程通過核心功能設備C-CMTS內置ONU與OLT完成相應功能，然后進入CMTS模塊部分內部將IP數據調制成射頻電信號方式進行輸出，根據C-DOCSIS技術標準，采用8MHz安全頻帶一個頻點的方式，根據網絡情況調制方式可靈活選擇64～1024QAM方式，一般情況下默認選擇256QAM方式，單頻點調制可達50Mbps數據輸出；部署在終端的CM完成下行信號的解調輸出IP信號。如圖3所示

原有DOCSIS所支持的CMTS技術只適合低帶寬、廣覆蓋的場景，如果需要擴容帶寬，則需要在分前端機房中增加CMTS設備以及相應的光平臺等昂貴設備，除了占據機房內寶貴的空間資源不說而且在新增光節(jié)點的過程中，需要大量獨立的光纖資源作為回傳通道，光纖的鋪設投資巨大，總體造成網絡升級的成本迅速上升，越來越不能滿足實際環(huán)境復雜的HFC網絡，更不用說向下一代網絡的延伸。所以作為接收標準傳承性的C-DOCSIS技術標準協(xié)議的產生可以再解決以上現有問題的基礎上，實現向下一代網絡的跨越。

C-DOCSIS系統(tǒng)也稱作China DOCSIS系統(tǒng)，是Cable Modem系統(tǒng)的一種，其設備主要包括CMTS同軸電纜調制解調器終端系統(tǒng)（Cable Modem Termination System）及CM同軸電纜調制解調器（Cable Modem）。位于前端機房放置的CMTS屬于射頻器件，也是一種比較特殊的路由器，所有的CM都歸CMTS管理。CMTS的管理內容有∶

（1）CM承載的所有的通信信息交換業(yè)務；

（2）管理CM發(fā)送信號上行時隙；

（3）同步，即時延管理；

（4）CM的發(fā)射和接收功率；

圖4　PON網絡結構圖

CMTS設備連接著干線網與HFC網，這就需要其在兩網絡間傳輸數據包的同時，還需要在HFC上、下行信道間傳送數據包，作為家庭網絡終端設備CM的路由轉接節(jié)點，實現連接通信。C-DOCSIS技術標準繼承原有D0CSIS3.0標準對HFC網絡定義為∶“光信號通過光節(jié)點與前端設備之間的光纖干線進行傳輸，用戶端與光節(jié)點以同軸電纜作為雙向媒介寬傳輸電信號的傳輸系統(tǒng)”。C-DOCSIS延續(xù)了D0CSIS3.0主要規(guī)范，包括MAC和上層協(xié)議接口規(guī)范（MULPI） 、運營支持系統(tǒng)接口規(guī)范（OSSI）、安全業(yè)務規(guī)范（SEC）、物理層接口規(guī)范（PHY），以及上下行信道的捆綁和滿足IPv6要求等。C-DOCSIS是中國廣電行業(yè)落實三網融合過程中所采用的主要寬帶標準。

C-DOCSIS技術應用具有以下優(yōu)勢：

（1）保護原有投資，減少改造成本

（2）網絡結構簡單，快速接入

（3）運營方便

（4）行業(yè)標準一致性

（5）頻點資源充分利用

（6）頻道綁定技術

（7）融入IPv6技術

3 FTTH技術

目前我公司實網FTTH技術方案中采用EPON接入標準設備，EPON技術采用點到多點的用戶網絡拓撲結構，利用光纖實現數據、語音和視頻的全業(yè)務接入的目的，主要由OLT、ODN、ONU三個部分構成。如圖4所示

其中，OLT既是一個交換機或路由器，又是一個多業(yè)務提供平臺，它提供面向無源光纖網絡的光纖接口（PON接口），作為整個網絡/節(jié)點的核心和主導部分，完成ONU注冊和管理、全網的同步和管理以及協(xié)議的轉換、與上聯(lián)網絡之間的通信等功能。

ONU作為用戶端設備在整個網絡中屬于從屬部分，完成與OLT之間的正常通信并為終端用戶提供不同的應用端口。

ODN在網絡中的定義為從OLT-ONU的線路部分，包括光纜、配線部分以及分光器（Splitter）全部為無源器件，是整個網絡信號傳輸的載體。其中光纜部分選用G.652、G.657系列的全部型號光纖，分光器可以從1∶2-1∶64可選，OLT到ONU之間的傳輸距離一般20km以內，分光器分光比例越高，光衰耗越大。OLT（Optical Line Terminal）放在中心機房，ONU（Optical Network U-nit）放在用戶設備端附近或與其合為一體。無源光纖分支器是一個連接OLT和ONU的無源設備，它的功能是分發(fā)下行數據，并集中上行數據。EPON中使用單芯光纖，在一根芯上轉送上下行兩個波（上行波長：1310nm，下行波長：1490nm，另外還可以在這個芯上下行疊加1550nm的波長，來傳遞電視信號）。

在下行方向，IP數據、語音、視頻等多種業(yè)務由位于中心局的OLT，采用廣播方式，通過ODN中的1：N無源分光器分配到PON上的所有ONU單元。在上行方向，來自各個ONU的多種業(yè)務信息互不干擾地通過ODN中的1：N無源分光器耦合到同一根光纖，最終送到位于局端OLT接收端。

FTTH結構均在路邊設置無源分光器，并將ONU移至用戶的辦公室或家中，是真正全透明的光纖網絡，它們不受任何傳輸制式、帶寬、波長和傳輸技術的約束，是光纖接入網絡發(fā)展的理想模式和長遠目標。

EPON的優(yōu)點主要表現在：

（1）相對成本低，維護簡單，容易擴展，易于升級。

（2）提供非常高的帶寬。EPON目前可以提供上下行對稱的1.25Gbps的帶寬，并且隨著以太技術的發(fā)展可以升級到10Gbps。

（3）服務范圍大，EPON作為一種點到多點網絡，可以利用局端單個光模塊及光纖資源，服務大量終端用戶。

（4）帶寬分配靈活，服務有保證。對帶寬的分配和保證都有一套完整的體系。EPON可以通過DBA（動態(tài)帶寬算法）、DiffServ、PQ/WFQ、WRED等來實現對每個用戶進行帶寬分配，并保證每個用戶的QoS。

我們來展示一下EPON的完整傳輸過程：

當OLT啟動后，它會周期性的在本端口上廣播允許接入的時隙等信息。ONU上電后，根據OLT廣播的允許接入信息，主動發(fā)起注冊請求，OLT通過對ONU的認證（本過程可選），允許ONU接入，并給請求注冊的ONU分配一個本OLT端口唯一的一個邏輯鏈路標識（LLID）。

數據從OLT到多個ONU以廣播式下行（時分復用技術TDM），根據IEEE802.3ah協(xié)議，每一個數據幀的幀頭包含前面注冊時分配的、特定ONU的邏輯鏈路標識（LLID），該標識表明本數據幀是給ONU（ONU1、ONU2、ONU3……ONUn）中的唯一一個。另外，部分數據幀可以是給所有的ONU（廣播式）或者特殊的一組ONU（組播），在1：N分光器處，流量分成獨立的N組信號，每一組載到所有ONU的信號。當數據信號到達ONU時，ONU根據LLID，在物理層上做判斷，接收給它自己的數據幀，摒棄那些給其它ONU的數據幀。

對于上行，采用時分多址接入技術（TDMA）分時隙給ONU傳輸上行流量。當ONU在注冊時成功后，OLT會根據系統(tǒng)的配置，給ONU分配特定的帶寬，在采用動態(tài)帶寬調整時，OLT會根據指定的帶寬分配策略和各個ONU的狀態(tài)報告，動態(tài)的給每一個ONU分配帶寬。帶寬對于PON層面來說，就是多少可以傳輸數據的基本時隙，每一個基本時隙單位時間長度為16ns。

在一個OLT端口（PON端口）下面，所有的ONU與OLT PON端口之間時鐘是嚴格同步的，每一個ONU只能夠在OLT給他分配的時刻上面開始，用分配給它的時隙長度傳輸數據。通過時隙分配和時延補償，確保多個ONU的數據信號耦合到一根光纖時，各個ONU的上行包不會互相干擾。

結語

雙向接入網技術在不斷進步，但是并不能以此得出新的技術必定比老的技術更加在現有運營環(huán)境中適用。想達到最佳運營的目標，需要“合適的技術用在合適的環(huán)境中”，并且不斷為更好的技術創(chuàng)造適用的條件以體現其優(yōu)越性。由于CMTS技術的廣覆蓋特性，在一定時間內還需要因為保障前期投資以及滿足用戶相應需求而繼續(xù)存在下去。而采用C-DOCSIS技術優(yōu)化，既保護了前期原有對網絡的投資，同時又滿足未來業(yè)務的發(fā)展需求，解決了目前網絡中存在的帶寬容量小、匯聚噪聲大、維護繁瑣困難、光鏈路資源不足、頻點資源緊張等困擾廣電現有業(yè)務以及未來業(yè)務發(fā)展的諸多問題。但是隨著接入網技術的快速發(fā)展以及具有大數據特征的社會需求趨勢下，還需要逐漸完善我們現有的一、二級光網絡，不斷發(fā)展更加優(yōu)質的光接入網絡來為我們的核心競爭力進行加分。

審稿人：周速飛內蒙古廣播電視網絡集團有限公司正高級工程師

責任編輯：烏日山

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王凱內蒙古廣播電視網絡集團有限公司助理工程師