NGB主要接入技術方案分析

胡睿,彭濤,楊易

(中央電視臺新臺址建設工程辦公室)

1 引言

中國下一代廣播電視網(NGB:Next-Generation Broadcast)[1]從內容上來說,是發(fā)展高清晰度電視、數字音頻節(jié)目、高速數據接入和話音等三網融合業(yè)務,為科技、教育、文化、衛(wèi)生、商務等行業(yè)搭建綜合信息服務平臺。從網絡建設上來說,就是要以“3TNET”的核心技術為依托,建設 T比特的路由、T比特的交換和 T比特的傳輸的網絡結構,還具有可靠的服務保障和可管可控的網絡運行屬性。NGB的網絡包括三個大塊——骨干網、城域網和接入網。高數據率的傳輸帶寬和內容豐富的運營業(yè)務使得下一代廣播電視網(NGB)對接入技術的選擇提出了很高的要求,主要有以下幾點:

(1)高帶寬透明通道,與互聯(lián)網無縫對接;

(2)接入端更高帶寬,支持 IPTV、組播、視頻電話等業(yè)務;

(3)三網融合,節(jié)約資源,網絡結構簡潔、低成本覆蓋、能夠快速開展業(yè)務;

(4)技術成熟,能夠通過市場檢驗

NGB包括多種接入技術,各接入網根據各自的網絡現(xiàn)狀、網絡架構運用不同的技術。接入網直接面對用戶,因此接入網可以說是 NGB中最重要的技術部分。對于有線運營商來說,進行接入網技術選型時,能否滿足未來高帶寬的需求是必須考慮的一個重要因素。本文就目前主要的接入網技術“基于CMTS+CM的技術接入”以及“EPON+EoC的技術接入”做簡單的分析。

2 兩種接入技術分析

2.1 基于 CMTS+CM的接入技術

通過基于 DOCSIS接入標準的 Cable Modem接入方式開展寬帶接入業(yè)務,利用有線電視光纖同軸電纜網(HFC Hybrid Fiber-Coaxial)實現(xiàn)用戶寬帶數據接入的方法,是基于廣電技術體系發(fā)展起來的技術模式,在 HFC完成雙向改造的基礎上,就可以開展廣電的寬帶上網業(yè)務,是最直接的實現(xiàn)方式。該方案光纖傳輸部分利用空間分割上下行信號獨立傳輸,光節(jié)點后同軸電纜采用頻分制共纜傳輸,光纖同軸混合網(HFC)具有 5～750/860MHz的帶寬,利用頻分復用可以兼容模擬和數字業(yè)務(包括電視、電話和數據)。

Cable Modem系統(tǒng)包括前端設備 CMTS(Cable Modem Termination System)和用戶端設備 Cable Modem,設備之間通過雙向 HFC網絡連接,系統(tǒng)終端Cable Modem完成用戶端數據信號的上下行處理。其中 CMTS連接有線電視 HFC網絡和 IP數據網絡,使用 DOCSIS協(xié)議,配合 CPMS(Cable Provisioning Management System)終端管理服務器,通過終端 CM實現(xiàn) Internet網絡接入以及本地 IP數據業(yè)務接入的設備。CMTS數據系統(tǒng)是頭端的控制器,它是 CM的核心部分,CMTS用來控制和管理 CM,并進行上、下行數據之間的傳輸頻率轉換,HFC系統(tǒng)功能是否完善,完全取決于 CMTS的性能質量,它還能為以太網和 CATV網絡的連接,并進行數據頻率分配。

圖 1所示為 DOCSIS/HFC典型結構圖。

圖 1 DOCSIS/HFC典型結構圖

美國有線電視實驗室(Cable Labs)于 2006年 8月發(fā)布的 DOCSISV3.0(Data Over Cable Service Interface Specification)標準[2],是 Cable Modem接入技術的又一次重大變革,它在基于 DOCSIS V1.1/V2.0通信協(xié)議的擴展頻譜、加大流量及增強功能等方面卓有貢獻,使在 HFC網上運營三重業(yè)務變得游刃有余,具有成為 NGB的接入網的潛力。其主要特點例舉如下:

(1)擴展頻譜:將下行擴展為 108～1002MHz,上行擴展為 5～85MHz;

(2)加大流量:上 /下行均可采用 4個以上的信道綁定,若采用 4個 6MHz帶寬的信道綁定(我國信道帶寬可用為 8MHz),則下行速率(256QAM)可達160Mbps,上行速率(64QAM)可達 120Mbps;

(3)信道采用 QAM調制,A-TDMA和 S-CDMA解決上行通道噪聲和脈沖干擾

(4)增強功能:基于 IP分組的支持多業(yè)務,可支持 IPv4/v6地址的分別或同時預置,可使 CM透傳 IPv6到其后的 CPE,并提供 QoS支持;

(5)可支持組播(Multicast)功能,使專用源信號的 IP組播流傳到 CPE,并提供 QoS支持。

(6)支持更先進的安全策略 AES

由上述技術特點可知,DOCSISV3.0可根據不斷增長的業(yè)務市場需求,使 HFC網絡的下行帶寬持續(xù)擴容至 5Gbps,且增加帶寬的成本較低;其 CMTS既可支持大量用戶,滿足用戶的流量需求,還可對每個用戶終端靈活地預置 IP地址進行管理,并提供QoS保證,使網絡業(yè)務能安全可靠地運營。

DOCSIS下行數據信號采用了與數字電視信號一樣的包結構(MPEG)、調制方式及信道編碼,兩者可在同一 HFC網上混合下行,亦可將數字電視信號(或其它附加業(yè)務信號)接入專設的下行會聚子層同時下行(受 MAC協(xié)議控制)。這些特點使得 Cable Modem具有高帶寬透明通道,可以與互聯(lián)網實現(xiàn)無縫對接。

2.2 基于 EPON+EoC的接入技術

目前正在大力推行“光進銅退”,將 FTTH作為雙向化改造以及三網融合的最終奮斗目標,而解決最后 100米傳輸問題的 EoC技術,與 EPON技術結合在一起因其運行風險低,影響范圍小的特點,成為當下爭論的熱點。

EoC(Ethernet Over Coax)技術？通過同軸電纜鏈接數據光纖鏈路與接入終端負載的設備,采用RJ45以太接口,傳輸互聯(lián)網協(xié)議(TCP/IP)的作用都是相同的。是典型的“一點對多點”工作傳輸模式。它把 IP數據與有線電視信號有機的結合在一起,用同一根電纜接入送入用戶,既不影響有線電視信號的傳輸,又有雙向獨享的寬帶綜合業(yè)務接入,具有良好的適應性和靈活的組網接入方案,無需對原有有線電視網絡進行雙向施工改造,克服了有線電視網絡雙向網絡改造過程中入戶施工較難、全網覆蓋成本高以及改造工程周期長的諸多問題。

現(xiàn)有有線電視網絡是以光纖為干線的光纜 -同軸電纜混合網(HFC),有線電視網絡雙向化改造技術主要包括接入網光傳輸改造技術和用戶接入改造技術兩部分?；陔娎|接入技術(EoC)的有線電視寬帶接入網如圖 2所示[3]:

圖 2 有線電視寬帶接入網基本結構示意圖

EoC也是一個廣泛的概念,從其技術方法的不同可以歸納為兩大類:無源基帶傳輸和有源調制傳輸。EoC技術因其協(xié)議標準化程度強、接入帶寬高、網絡噪聲低、施工方便、環(huán)保節(jié)能、鏈路簡單、可靠性強等優(yōu)勢被列選為 NGB的主流技術之一。

EoC技術協(xié)議成熟,遵循 IEEE 802.3以太網協(xié)議,不需要進行協(xié)議轉換,原有以太網絡信號的幀格式和 MAC層都沒有改變,是一條全“透明”的 IP管道。EoC入戶接入速率可以保證每戶都是 10Mbps,克服了同時多用戶同時在線“搶”帶寬的問題,也去除了因用戶多而導致數據碰撞產生的開銷。而且由于數字電視節(jié)約了更多的頻帶資源,為頻譜資源的重新劃分提供了基礎,只要留給數據通道足夠的低頻頻譜,EoC就可以實現(xiàn) 100M入戶帶寬。EoC與EPON技術相結合,一根光纖三波長傳輸,一根同軸電纜提供數據業(yè)務與視音頻業(yè)務,這種技術方式不僅可以提供高帶寬的數據通道,還能提供豐富的視音頻節(jié)目,提供 VoD點播的通道,能夠充分利用有線電視的網絡資源,特別是這幾年進行了星型分布網絡改造的網絡,只需要簡單地更換分配器與用戶盒,就能夠以低成本實現(xiàn)網絡的雙向化,節(jié)省投資,避免了令人頭痛的噪聲匯聚問題。

3 接入技術應用評價

3.1 評價內容

(1)雙向以 IP傳輸協(xié)議

(2)下行廣播方式

(3)上行 TDMA

(4)MAC層IEEE802

(5)MAC控制訪問機制

(6)QOS

(7)動態(tài)帶寬分配

(8)加密

3.2 差異

(1)物理層編碼

(2)物理介質 電纜 VS光纖

(3)支持速率

(4)標準系列

(5)兼容性

3.3 CMTS+CM的優(yōu)點

(1)技術體系完善成熟、業(yè)務支持性好、兼容性好;

(2)充裕的下行帶寬和極低的帶寬成本;

(3)在現(xiàn)有有線電視網絡上進行改造,樹型結構的同軸電纜分配系統(tǒng),有利于用戶接入和工程施工;適合稀疏模式網絡覆蓋區(qū)域

(4)大面積覆蓋低開通率情況下成本較低,少量前期投入即可在全網進行業(yè)務受理

(5)下行傳輸帶寬資源豐富,滿足標清電視、高清電視點播需求,當雙向業(yè)務用戶增加時,其主要設備 CMTS可以像搭積木式的逐步投入,擴展性、兼容性良好;

(6)按頻譜分割方式構成非對稱的雙向傳輸系統(tǒng),不會影響其對網絡業(yè)務的適應性。就三重業(yè)務的傳輸容量而言,大容量的電視和數據業(yè)務都是非對稱的,下行容量大、上行容量小;只有話音(VoIP)業(yè)務是要求對稱傳輸的,但其傳輸容量甚小,也就在十幾 ～幾十 kbps量值,不會成為分配網的傳輸負擔。相比之下,若采用對稱結構的分配網來傳輸三重業(yè)務,則其傳輸業(yè)務的帶寬成本將會增加,為VoIP傳輸業(yè)務付出的代價太大;

(7)上/下行光路采用空間分割方式,有利于提高信號的傳輸質量、降低傳輸損耗,在光纜成本越趨下降的情況下,還有利于網絡資源的儲備和今后的擴容;這種方式尤其適用于大容量、小時延的實時電視廣播業(yè)務。

3.4 CMTS+CM的不足

(1)在 CMTS+CM系統(tǒng)中,上行噪聲匯聚的普遍存在降低了用戶通信質量,尤其是在視頻或 IP話音等實時業(yè)務情況下,噪聲干擾會引起數據傳輸時延和抖動,造成視頻圖像失真和語音不連續(xù)。同時工程維護需要的技術支持問題在短期內難以妥善解決。

(2)CMTS設備數據功能簡單,僅僅有簡單的MAC學習管理,橋接轉發(fā)能力,需要外接 IP路由設備完成業(yè)務平臺的搭建。

(3)反向消耗光纖資源、設備密集

(4)doscis3.0即使可以采用信道捆綁方式,帶寬也不過區(qū)區(qū) 100M左右,在滿足用戶越來越高的帶寬需求方面能力有限;

(5)采用 CMTS網絡改造需更換大量設備,工程量大,后續(xù)成本相對較高。

(6)產業(yè)化程度不高,可供選擇的設備及系統(tǒng)數量較少。

3.5 EPON+EoC的優(yōu)點

(1)目前在廣電網的雙向改造中,普遍采用的是 EPON+EoC技術,該技術發(fā)展相對成熟,設備成本低,EPON技術應用到有線電視行業(yè),解決了對雙向 HFC建設中遇到的上行技術問題和 CMTS+CM成本問題;

(2)點到多點的物理和邏輯拓撲結構符合有線電視星 -樹形接入網絡結構,組網靈活;

(3)EoC技術解決了 ONU支持的樓宇數據控制器與家用數據終端的連接問題,把 ONU輸出的以太網信號搬移到同軸電纜上,借助單向 HFC網絡的同軸電纜與電視信號一同傳送,剛好克服了這個困難;

(4)充分利用了 HFC下行寬帶優(yōu)勢,高速帶寬充分滿足接入網客戶的帶寬需求,可根據用戶業(yè)務需求靈活的動態(tài)分配帶寬;

(5)覆蓋成本、開通成本、運營成本、運維成本較低,克服了施工與技術困難。

(6)網絡可靠性高、便于平滑升級、商用化程度高、符合 FTTH發(fā)展趨勢

3.6 EPON+EoC的不足

(1)面臨 EoC局端設備的布局問題。一個 EoC局端只能布局在光節(jié)點或光節(jié)點以下的電纜線路上,相對于布局于前端或分前端的 CMTS來講,EoC的覆蓋能力明顯下降,有的地方可能會存在有 EoC局端的布局,近期內卻沒有或只有較少的業(yè)務用戶,造成 EoC局端的閑置;

(2)若采取將頻率放置在高端的 EoC方案,則會使局端與終端間的路由鏈損失較大,個別較遠端用戶開展業(yè)務時造成連接不穩(wěn)定。若增加中繼設備后,成本低的優(yōu)點也不具備了。

(3)制造商驅動,標準規(guī)范相對寬松,EOC技術選擇眾多,在國內尚無統(tǒng)一的行業(yè)標準,各個廠家分割而治,在 EPON+EoC發(fā)展后期會帶來系統(tǒng)不兼容而產生的各種矛盾。

4 小結

我國廣電同軸電纜 cable接入覆蓋達 1.5億用戶,打造下一代廣播電視網絡要充分利用現(xiàn)有有線電視網絡用戶覆蓋資源和同軸電纜寬頻率、高帶寬的特點,采用適當的寬帶接入技術,通過網絡寬帶化、雙向化改造,承載互動式多媒體業(yè)務。如何利用改造現(xiàn)有廣電網絡、充分依托同軸電纜入戶資源,以IP作為業(yè)務承載協(xié)議,滿足標準化和兼容性的要求,成為各種技術爭論的焦點。

在傳統(tǒng)意義上的 HFC雙向化改造,是為 CMTS+CM和互動式機頂盒提供傳輸通道,該項改造已經在部分地區(qū)逐步完成;而 Epon技術和產品的出現(xiàn)和成熟,及其低成本高帶寬等優(yōu)勢為 NGB接入技術提供了新的選擇,在現(xiàn)有 HFC網絡上疊加 EpoN技術,不需要對現(xiàn)有的 HFC網絡進行大幅度改造,設備成本較低,只需要在原來的光網絡上進行相應的配置,可以在相對較短的時間內完成網絡的升級改造。

下一代廣播電視網(NGB)的技術發(fā)展要走業(yè)務驅動型的發(fā)展思路,在選擇適合下一代廣播電視網(NGB)的接入方式時,應考慮促進技術收斂,同時以增強自主創(chuàng)新能力為出發(fā)點,培育能形成具有核心自主知識產權,并適應我國下一代廣播電視網(NGB)業(yè)務需求和技術發(fā)展的寬帶接入技術。在為 NGB選擇合適的接入網時要從業(yè)務的靈活性、用戶的成本以及網絡的生存周期等各方面綜合考慮,得到一個最優(yōu)解。第一,可持續(xù)性發(fā)展,設計一個將來能長期應用的網絡。選擇接入網技術不僅要考慮帶寬和業(yè)務的關系,同時還需要考慮系統(tǒng)的架構和網絡的架構。第二,按需打造接入網。最終的一百米究竟需要怎樣的接入網技術接入是根據用戶今后中長期的需求來制定。在 NGB的大背景下,接入網所能支持的業(yè)務不僅包括高清視頻、標清視頻、寬帶上網、VoD甚至 VoIP等語音服務,利用廣電的帶寬優(yōu)勢,給各種高數據率業(yè)務提供技術背景,最終在應用層面上實現(xiàn)三網融合,打造適合我國國情的、有線無線相結合的、全程全網的下一代廣播電視網絡。

[1] 盛志凡.中國下一代廣播電視網絡 NGB[J].廣播電視信息,2009.

[2] 段偉 .淺談 CableModem系統(tǒng)在有線電視網中的應用[J].有線電視技術,2009.

[3] 國家廣播電影電視總局科技司 .面向下一代廣播電視網(NGB)電纜接入技術(EoC)需求白皮書[Z].北京:2009.