面向NGB的EoC接入網(wǎng)技術(shù)分析

金立標(biāo)，張乃謙，李鑒增

（中國(guó)傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024）

1 引言

隨著通信技術(shù)和廣播電視技術(shù)的迅速發(fā)展，有線電視網(wǎng)絡(luò)正在向下一代廣播電視網(wǎng)過渡。下一代廣播電視網(wǎng)（Next Generation Broadcasting，NGB）是以有線電視數(shù)字化和移動(dòng)多媒體廣播為基礎(chǔ)構(gòu)建的適合我國(guó)國(guó)情的、“三網(wǎng)融合”的、有線無線相結(jié)合的、全程全網(wǎng)的下一代廣播電視網(wǎng)絡(luò)。2008年12月4日，科技部與廣電總局共同起草并簽署了《國(guó)家高性能寬帶信息網(wǎng)暨中國(guó)下一代廣播電視網(wǎng)自主創(chuàng)新合作協(xié)議書》，共同建設(shè)下一代廣播電視網(wǎng)絡(luò)。2009年7月31號(hào)，科技部、廣電總局、上海市共同進(jìn)行中國(guó)下一代廣播電視網(wǎng)啟動(dòng)儀式，標(biāo)志著我國(guó)下一代廣播電視網(wǎng)的建設(shè)進(jìn)入一個(gè)實(shí)質(zhì)性的推進(jìn)階段。

以太網(wǎng)同軸電纜接入技術(shù)（Ethernet over Coax，EoC）是下一代廣播電視網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，利用各種數(shù)字調(diào)制技術(shù)在同軸電纜上承載以太網(wǎng)業(yè)務(wù)和各種綜合業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)下一代廣播電視網(wǎng)的寬帶接入[1]。2009年4月，國(guó)家廣電總局科技司頒布了 《面向下一代廣播電視網(wǎng)（NGB）電纜接入技術(shù)（EoC）需求白皮書》[2]，描述了基于EoC的有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)類型和應(yīng)用場(chǎng)景，從信道帶寬需求、物理層需求、MAC層需求、以太網(wǎng)支持能力、接入設(shè)備需求等方面對(duì)EoC技術(shù)進(jìn)行了規(guī)范。

2 EoC系列標(biāo)準(zhǔn)比較

EoC技術(shù)分為無源EoC和有源EoC兩大類型，無源EoC是基帶傳輸，將基帶數(shù)據(jù)信號(hào)直接混入有線電視系統(tǒng)，不需要進(jìn)行調(diào)制[3]。在總局頒布的EoC技術(shù)需求白皮書中，主要是針對(duì)有源EoC，筆者也主要對(duì)有源EoC技術(shù)進(jìn)行分析。

有源EoC是調(diào)制傳輸，采取各種數(shù)字調(diào)制技術(shù)把數(shù)據(jù)信號(hào)混入到有線電視系統(tǒng)中去。目前，市場(chǎng)上的有源EoC技術(shù)又分成兩大類，即低頻EoC和高頻EoC。低頻EoC的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括家庭電話線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（Home Phoneline Networking Allince，HomePNA）和家庭電力線聯(lián)盟（HomerPlug Powerline Alliance，HomePlug）。 高頻 EoC 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括同軸電纜多媒體聯(lián)盟 （Multimedia over Coax Alliance，MoCA）、 高性能同軸網(wǎng)絡(luò) （High Performance Network Over Coax，HiNOC）和降頻 WiFi技術(shù)等[4]。

HomePNA采用自適應(yīng)QAM調(diào)制技術(shù)，主要工作在4～21 MHz的頻段。HomePNA3.0的工作頻段延伸到28 MHz，即4～28 MHz。 采用的中心頻率有3個(gè)，即7 MHz，12 MHz和18 MHz。符號(hào)率最高可達(dá)24 MS/s（兆符號(hào)/秒），每個(gè)符號(hào)的比特?cái)?shù)量最高可達(dá)10 bit，所以其最高傳輸速率可達(dá) 240 Mbit/s。

HomePlug AV采用OFDM調(diào)制技術(shù)，工作頻段位于2～28 MHz，每個(gè)子載波可采用QPSK，64/256/1024QAM調(diào)制技術(shù)，物理層最高傳輸速率可達(dá)200 Mbit/s。

MoCA采用OFDM調(diào)制技術(shù)，工作頻段位于860～1500 MHz。采用時(shí)分雙工方式（TDD），每個(gè)信道帶寬為50 MHz，最高物理速度可達(dá)270 Mbit/s。

HiNOC采用OFDM調(diào)制技術(shù)，工作頻段位于860 MHz以上，每個(gè)子載波采用BPSK到256QAM的自適應(yīng)調(diào)制方式，每個(gè)信道帶寬16 MHz，每個(gè)信道的最高數(shù)據(jù)速率理論上可達(dá)120 Mbit/s。

降頻WiFi技術(shù)采用的是802.11協(xié)議，把2.4 GHz的數(shù)據(jù)信號(hào)降頻到900 MHz～1.1 GHz范圍內(nèi)，每個(gè)信道帶寬為20 MHz，利用OFDM調(diào)制技術(shù)，物理層速率最高可達(dá)54 Mbit/s。

3 EoC技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 物理結(jié)構(gòu)

EoC接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。同軸電纜寬帶接入局端設(shè)備 （Coaxial Broadband Access Terminal，CBAT）為EoC的局端設(shè)備，同軸電纜寬帶接入終端設(shè)備（Coaxial Network Unit，CNU）為EoC的終端設(shè)備。

圖1 EoC接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

下行方向中，來自EPON網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過ONU送到CBAT，然后和有線電視信號(hào)混合在一起，經(jīng)過調(diào)制后送到HFC網(wǎng)絡(luò)，CNU把數(shù)據(jù)接收下來進(jìn)行解調(diào)，然后送給計(jì)算機(jī)和電視機(jī)。上行方向中，CNU把用戶端的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制上行送至HFC網(wǎng)絡(luò)，CBAT接收后進(jìn)行解調(diào)，通過ONU送至OLT。

3.2 物理層分析

無論是低頻EoC還是高頻EoC技術(shù)，單載波還是多載波，所采用的載波調(diào)制技術(shù)基本上是QPSK和16/32/64/256/1024QAM。在《面向下一代廣播電視網(wǎng)（NGB）電纜接入技術(shù)（EoC）需求白皮書》中對(duì)調(diào)制技術(shù)也提出了建議和要求。

一個(gè)指標(biāo)是頻帶資源利用率，要求大于80%，即在8 MHz帶寬時(shí)有效帶寬大于6.4 MHz，在16 MHz帶寬時(shí)有效帶寬大于12.8 MHz。

頻道資源利用率和升余弦滾降系數(shù)的關(guān)系為

式中：η為頻道資源利用率，α為升余弦滾降系數(shù)。如果要求η>80%，那么α<25%。

根據(jù)頻道資源利用率，還可根據(jù)下式得出其符號(hào)率的大小

式中：S為符號(hào)率，BW為頻道帶寬。如果在8 MHz帶寬的情況下，其頻帶利用率η>80%，那么符號(hào)率S>6.4 MS/s。

另一個(gè)指標(biāo)是頻帶利用率，建議在有效帶寬內(nèi)頻帶利用率大于7 bit·s-1·Hz-1，那么在8 MHz帶寬內(nèi)的物理層傳輸速率大于56 bit/s，16 MHz帶寬內(nèi)的物理層傳輸速率大于112 Mbit/s。

在頻帶資源利用率大于80%，頻帶利用率大于7 bit·s-1·Hz-1的情況下，其有效帶寬、符號(hào)率、升余弦滾降系數(shù)以及物理層傳輸速率如表1所示。

表1 EoC物理層參數(shù)

3.3 低頻EoC技術(shù)分析

目前低頻EoC技術(shù)主要包括HomePNA和HomePlug兩種技術(shù)，其工作頻段主要在30 MHz以下。但是30 MHz以下是噪聲較嚴(yán)重的區(qū)域，雖然兩種技術(shù)采用了正交頻分復(fù)用技術(shù)，在一定程度上抑制了噪聲，但是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸仍然會(huì)受到影響。

低頻段的噪聲主要由電纜分配系統(tǒng)的熱噪聲、光纖鏈路的噪聲和外部入侵噪聲組成。前者是系統(tǒng)內(nèi)部的主要噪聲，后者則為外部的噪聲。系統(tǒng)內(nèi)部的熱噪聲應(yīng)包括兩部分，即無源器件的噪聲和有源器件的噪聲。無源器件的噪聲主要是基礎(chǔ)熱噪聲，與器件的工作溫度和帶寬成正比，而與所傳輸?shù)男盘?hào)無關(guān)。有源器件內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲，不僅有基礎(chǔ)熱噪聲，還包括晶體管等所產(chǎn)生的散彈噪聲、分配噪聲及閃爍噪聲等。若在光節(jié)點(diǎn)后構(gòu)成無源的同軸電纜分配系統(tǒng)，則熱噪聲對(duì)信道的噪聲幾乎可以忽略。光纖鏈路的噪聲包括光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)中的激光器產(chǎn)生的噪聲及光纖中的光二次反射引起的干涉強(qiáng)度噪聲，其主要表征為量子噪聲。

從對(duì)電纜系統(tǒng)的入侵途徑分析，入侵噪聲大致可分為窄帶干擾和脈沖干擾兩類。窄帶干擾是在上行頻帶內(nèi)分配給各種無線電業(yè)務(wù)的頻率對(duì)上行信道所形成的干擾，其干擾強(qiáng)度一般在10～60 dBμV。脈沖干擾是指用戶端周圍的工業(yè)電器和家用電器所形成的寬帶干擾，其頻譜能量主要集中在 5～20 MHz，電平在 70～90 dBμV[5]。 由于低頻噪聲的影響，使得低頻EoC技術(shù)在傳輸內(nèi)容時(shí)會(huì)造成丟包率增加、時(shí)延或者抖動(dòng)增加。

目前各地的有線電視網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次不齊，在接入網(wǎng)中的線路長(zhǎng)度有一定的差異，從而造成鏈路的損耗也有一定的差異。對(duì)于線路質(zhì)量較好的網(wǎng)絡(luò)，鏈路損耗較低，局端設(shè)備不需要太高的發(fā)射電平，如果發(fā)射電平太高，則會(huì)受到干擾。如果局端設(shè)備電平降低，以適應(yīng)鏈路損耗低的用戶，則鏈路損耗高的用戶可能會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)掉線，甚至上不了網(wǎng)。并且隨著因特網(wǎng)接入、IPTV及高清電視的發(fā)展，視頻需求越來越大，對(duì)于帶寬的需求也逐漸增加。但是低頻EoC技術(shù)的帶寬是有限的，即使采用256QAM或者1024QAM，也較難完全滿足將來的帶寬需求，所以擴(kuò)展性能不好。

不過低頻EoC也有一些優(yōu)點(diǎn)，如由于頻率低，鏈路損耗小，理論上可以覆蓋較廣的距離。根據(jù)白皮書可知，EoC局端設(shè)備最大發(fā)射電平不超過120 dBμV，終端設(shè)備接收電平為40～100 dBμV[2]。 假設(shè)發(fā)射端電平為 110 dBμV，終端設(shè)備接收電平為50 dBμV，則鏈路衰減為60 dBμV。光節(jié)點(diǎn)之后的無源分配網(wǎng)絡(luò)主要是分支分配器和電纜的衰減，在低頻段分支分配器部分的衰減大概在30 dBμV，那么電纜的衰減在30 dBμV左右，如果使用75-7的電纜，按照100 m衰減3 dB計(jì)算，大概能夠傳輸1000 m左右，再加上噪聲的影響，也能夠傳輸600 m左右。

3.4 高頻EoC技術(shù)分析

目前高頻EoC技術(shù)包括MoCA技術(shù)、HiNOC技術(shù)和降頻WiFi技術(shù)，其工作頻段都集中在860 MHz以上。高頻EoC技術(shù)避免了低頻EoC的噪聲影響，但是由于有線電視系統(tǒng)的工作頻段位于5～860 MHz，如果超出860 MHz，同樣會(huì)存在其他的一些問題。

首先，無論是放大器，還是分支器分配器的工作性能會(huì)劣化。如果頻率達(dá)到1 GHz以上，其性能甚至無法保證。有關(guān)部門數(shù)據(jù)測(cè)試表明，不同廠家的分支分配器在1.2 GHz和1 GHz時(shí)相差約2 dB，1.5 GHz和1 GHz相比各個(gè)廠家差別較大，有的相差5 dB，有的甚至相差10 dB以上。

其次，高頻EoC技術(shù)在應(yīng)用到接入網(wǎng)中時(shí)，雖然沒有低頻EoC的噪聲影響，但是在高頻同樣有些頻段被占用，例如我國(guó)GSM制式手機(jī)占用的頻段為900 MHz，其上行頻段為 890～915 MHz，下行頻段為 935～960 MHz。由于高頻段電纜和分支分配器的屏蔽性能下降，并且高頻噪聲更容易滲透，再加上手機(jī)基站的發(fā)射功率如果很大，就會(huì)對(duì)接入網(wǎng)的電纜造成干擾。

高頻EoC由于頻率高，還會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍下降。由于電纜的衰減和頻率的平方根成正比，所以電纜在高頻段（860 MHz以上）的衰減是低頻（65 MHz以下）的4倍左右。按照鏈路衰減60 dBμV計(jì)算，電纜部分的衰減在30 dBμV左右，則采用75-7的電纜（100 m衰減14 dB），能夠傳輸200 m左右。

4 小結(jié)

分析了EoC接入技術(shù)，分別對(duì)低頻EoC和高頻EoC技術(shù)在有線電視接入網(wǎng)中可能會(huì)出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行了分析和總結(jié)，為各地網(wǎng)絡(luò)公司在使用EoC技術(shù)時(shí)提供了借鑒?，F(xiàn)階段的EoC技術(shù)還是一種比較經(jīng)濟(jì)、合適的接入手段，在NGB的建設(shè)過程中的會(huì)發(fā)揮重要的作用。

本文為中國(guó)傳媒大學(xué)“211”工程三期重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目階段成果。

[1]田明，許如鋼，顧士平，等.用自組織多頻EoC實(shí)現(xiàn)下一代廣電網(wǎng)絡(luò)[J].電視技術(shù)，2010，34（2）：106-108.

[2]國(guó)家廣播電影電視總局科技司.面向下一代廣播電視網(wǎng)（NGB）電纜接入技術(shù)（EoC）需求白皮書[EB/OL].[2010-02-01].http://wenku.baidu.com/view/23cccaf9aef8941ea76e05cf.html.

[3]羅會(huì)林，范黎明.EoC技術(shù)的現(xiàn)狀和展望[J].有線電視技術(shù)，2009（6）：54-56.

[4]高翔.EoC在廣電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用探討[J].廣播與電視技術(shù)，2009（10）：85-87.

[5]單智勇.雙向HFC網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)[J].廣播電視信息，2005（6）：70-72.