沈 鑫,鄧志杰,方中奇
(江蘇省廣播電視信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司 蘇州分公司,江蘇 蘇州 215006)
責(zé)任編輯:許 盈
雙向HFC網(wǎng)絡(luò)一直是有線電視運(yùn)營商解決電視網(wǎng)絡(luò)雙向化的主要技術(shù)手段。但由于HFC網(wǎng)絡(luò)對于電纜線路和電纜接頭等施工工藝要求較高,且在網(wǎng)絡(luò)實(shí)際維護(hù)過程中,習(xí)慣于維護(hù)廣播方式傳輸?shù)挠芯€電視網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員,還較難適應(yīng)維護(hù)以匯聚方式傳輸?shù)腍FC反向鏈路,這些都造成了雙向HFC網(wǎng)絡(luò)在中國推廣較為緩慢。
同時(shí),隨著三網(wǎng)融合政策的確定,采用FTTB甚至FTTH的方式提高入戶帶寬已經(jīng)成為各大通信運(yùn)營商的一種戰(zhàn)略決策。作為急于進(jìn)入寬帶通信領(lǐng)域的有線電視運(yùn)營商來說,也不得不考慮如何將光纖不斷地向用戶端延伸,以應(yīng)對未來的通信市場競爭。
在現(xiàn)階段有線電視運(yùn)營商開展光纖推進(jìn)不外乎采用劃小光站片區(qū)或者EPON+EoC等方式。劃小光站片區(qū)是一種在技術(shù)上相當(dāng)成熟的方案,但對于光纖資源和機(jī)房資源提出了較高的要求;EPON+EoC是近階段比較熱門的方案,但由于EoC種類繁多,且出現(xiàn)時(shí)間較短,在國內(nèi)市場上還沒有大規(guī)模利用EoC技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶通信運(yùn)營較為成功的范例。而RFoG是一種在原有HFC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上,不需要有線電視運(yùn)營商改變業(yè)務(wù)運(yùn)營模式,實(shí)現(xiàn)FTTH網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新的網(wǎng)絡(luò)改造技術(shù)方案[1-2]。
圖1是一種利用RFoG技術(shù)實(shí)現(xiàn)FTTH的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖,這也是RFoG在北美主要的使用模式。從圖中1可以看出,RFoG網(wǎng)絡(luò)下行傳輸使用1550光發(fā)和EDFA,反向由于接收光功率較低,使用了低噪聲光電路制成的回傳光接收機(jī),野外部分借用PON的無源光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),利用單纖波分復(fù)用的方式實(shí)現(xiàn)上下行信號(hào)傳輸。
RFoG網(wǎng)絡(luò)一般可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)光口覆蓋32個(gè)用戶,但若每個(gè)反向光發(fā)都連續(xù)發(fā)送光信號(hào)的話,則在分前端反向光接收機(jī)會(huì)收到多達(dá)32個(gè)光信號(hào)的疊加,其產(chǎn)生的疊加干擾將影響信號(hào)的傳輸。因此RFoG網(wǎng)絡(luò)光節(jié)點(diǎn)中的反向光發(fā)使用突發(fā)式激光發(fā)送機(jī),即只在有RF回傳信號(hào)注入時(shí),激光發(fā)送機(jī)才發(fā)出光信號(hào),否則不發(fā)出光信號(hào)。
1.2.1 突發(fā)式回傳激光發(fā)送機(jī)
圖2是突發(fā)式回傳光發(fā)送機(jī)的框架圖。從圖中可知,在沒有RF回傳信號(hào)的情況下,激光器偏置電流關(guān)閉,激光器不發(fā)出光;當(dāng)有RF回傳信號(hào)送入時(shí),信號(hào)一方面送入信號(hào)檢測模塊進(jìn)行信號(hào)功率檢測和識(shí)別,另一方面對信號(hào)進(jìn)行一定的延時(shí)處理。若檢測發(fā)現(xiàn)是達(dá)到一定功率的RF信號(hào),則向偏置電流模塊發(fā)出打開偏置電流的觸發(fā)電平指令,激光器發(fā)出光信號(hào),而通過一定延遲的RF回傳信號(hào)也送入了激光器隨光信號(hào)同步輸出。
由于在DOCSIS標(biāo)準(zhǔn)中CMTS和CM之間上行鏈路可以采用TDMA方式,即任一瞬間只有一個(gè)CM向CMTS發(fā)送上行信號(hào),因此突發(fā)式回傳光發(fā)送技術(shù)適合采用TD?MA方式的CM系統(tǒng)使用[3-5]。
在這個(gè)信號(hào)處理過程中,有2個(gè)關(guān)鍵參數(shù):
1)延遲時(shí)間的控制。延遲電路的延遲時(shí)間必須與RF信號(hào)檢測和激光器打開光信號(hào)時(shí)間基本同步,否則會(huì)影響上行鏈路的延時(shí)指標(biāo),嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)信號(hào)丟失的現(xiàn)象。
2)RF回傳信號(hào)檢測門限功率的設(shè)置。RF信號(hào)檢測門限功率不宜過低,否則可能導(dǎo)致滿足功率要求的噪聲打開激光器;而過高的門限檢測功率要求光節(jié)點(diǎn)后的電纜網(wǎng)絡(luò)反向鏈路衰減差值要小。所以RF回傳信號(hào)檢測門限功率的設(shè)置必須依據(jù)各運(yùn)營商反向鏈路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際網(wǎng)絡(luò)狀況確定。
1.2.2 低光功率回傳接收機(jī)
由于RFoG網(wǎng)絡(luò)使用路數(shù)較多的光分路器,因此回傳光接收機(jī)和光節(jié)點(diǎn)之間的光衰減值較傳統(tǒng)的HFC網(wǎng)絡(luò)要大很多。
若按分前端覆蓋范圍5 km計(jì)算,使用1∶32光分路器的光鏈路衰減值在20 dB左右,而傳統(tǒng)的回傳光接收機(jī)接收光功率在-8~-10 dBmW,不能滿足要求。低光功率接收機(jī)采用了低噪聲光電路設(shè)計(jì),并針對RFoG網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化處理,其光信號(hào)接收范圍降低到-13~-27 dBmW,能夠滿足RFoG網(wǎng)絡(luò)信號(hào)要求。
但由于使用了光突發(fā)技術(shù),因此在傳統(tǒng)HFC網(wǎng)絡(luò)反向鏈路中使用比較普遍的光AGC功能在RFoG反向鏈路中無法實(shí)現(xiàn)。
RFoG技術(shù)優(yōu)點(diǎn):1)在不改變有線電視運(yùn)營商現(xiàn)有業(yè)務(wù)運(yùn)營模式的前提下實(shí)現(xiàn)了光纖到戶(FTTH)的目標(biāo)。2)使用波分復(fù)用的方式傳輸,節(jié)省了分前端接入光纖資源。3)野外部分借用了PON的無源光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),簡化了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù),提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性,并且能夠與各種PON網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行疊加運(yùn)營。4)使用反向光突發(fā)技術(shù),可以減少用戶噪聲匯聚,提高了反向鏈路的傳輸質(zhì)量。
RFOG技術(shù)缺點(diǎn):1)由于每個(gè)光口只覆蓋32戶,同時(shí)必須使用1550光發(fā)射模塊和EDFA,因此在相同覆蓋用戶情況下,RFoG增加了分前端設(shè)備數(shù)量和投入成本。2)反向光鏈路沒有光AGC功能。3)傳統(tǒng)HFC網(wǎng)絡(luò)中使用的1310光發(fā)射機(jī)和回傳接收機(jī)在RFoG網(wǎng)絡(luò)中無法繼續(xù)使用,此部分投資無法得到保護(hù)。4)RFoG是一種光纖到戶的技術(shù),但在現(xiàn)階段光纖到戶的業(yè)務(wù)模式還不成熟情況下,仍然需要一種光纖逐步推進(jìn)的實(shí)施方案。
在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)雙向化改造過程中,可以利用RFoG技術(shù)的光無源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)光纖的逐步推進(jìn)??梢岳梅聪蚬馔话l(fā)技術(shù)來減少反向鏈路噪聲匯聚。同時(shí)也需要利用傳統(tǒng)HFC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來彌補(bǔ)RFoG技術(shù)由于覆蓋用戶較少造成的投入成本較大的問題。
圖3所示是在分析和融合了RFoG關(guān)鍵技術(shù)以后形成的一種反向光突發(fā)式雙向HFC網(wǎng)絡(luò)改造方案。
從圖3中可以看出,分前端到野外雙向光機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)仍然沿用了傳統(tǒng)的HFC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這樣設(shè)計(jì)不但可以保護(hù)原1310系統(tǒng)設(shè)備投資和分前端機(jī)房網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),而且可以繼續(xù)使用反向光AGC功能來保證野外光機(jī)到回傳光接收機(jī)之間的長距離光纖鏈路指標(biāo)。
野外雙向光機(jī)以下的小區(qū)光電分配網(wǎng)則使用了上下行分開設(shè)計(jì)的理念。其中下行信號(hào)完全使用單向廣播式傳輸網(wǎng)絡(luò),放大器可以使用單向放大器,傳輸電纜和分支分配器在保證單向廣播信號(hào)傳輸質(zhì)量的前提下可以不進(jìn)行更換。在上行方面,將反向光突發(fā)式光機(jī)放置于單元或樓邊,在野外光機(jī)處使用1∶16光分路器進(jìn)行光路混合,并使用低光功率接收機(jī)將回傳光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),系統(tǒng)可支持4個(gè)低光功率接收機(jī)的輸出電信號(hào)混合,混合后的電信號(hào)送入野外雙向光機(jī)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送至分前端。在樓或單元處放置的反向光突發(fā)式光機(jī)帶有下行RF信號(hào)混合模塊,下行信號(hào)通過光機(jī)內(nèi)的高低通濾波器混合送入電纜無源分配網(wǎng)絡(luò)。也可以利用下行電纜對所有反向突發(fā)式光機(jī)進(jìn)行60 V集中供電,以解決改造時(shí)的供電處理問題。
圖3中的電纜無源分配網(wǎng)部分沿用了傳統(tǒng)雙向HFC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),其中的分支分配器、電纜和電纜接頭都需要按照雙向信號(hào)的傳輸要求進(jìn)行改造。由于只涉及無源電纜網(wǎng)部分,改造難度有很大的降低。
反向光突發(fā)式雙向HFC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):1)分前端至野外雙向光機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)沿用了傳統(tǒng)的HFC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),保護(hù)了運(yùn)營商原有設(shè)備投資,網(wǎng)絡(luò)有較好的延續(xù)性。2)在小區(qū)光電分配網(wǎng)絡(luò)中,上下行信號(hào)傳輸完全分開,且下行采用傳統(tǒng)的單向廣播式網(wǎng)絡(luò),這是所有基層維護(hù)人員都非常熟悉的一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),便于維護(hù)人員迅速開展維護(hù)工作。3)在小區(qū)光電分配網(wǎng)絡(luò)中,上行信號(hào)采用光纖傳輸技術(shù),由于光纖鏈路的穩(wěn)定性和抗干擾能力優(yōu)于電纜網(wǎng)絡(luò),所以反向鏈路使用光纖可以大大減少上行鏈路的維護(hù)量。同時(shí)反向光突發(fā)式光發(fā)的使用可以最大程度地減少上行噪聲的匯聚。4)采用兩級(jí)光電轉(zhuǎn)換的架構(gòu),覆蓋用戶數(shù)較RFoG網(wǎng)絡(luò)可以有極大的增加,以光纖到單元,每單元12戶為例,反向光突發(fā)式雙向HFC網(wǎng)絡(luò)最多可以覆蓋768戶,同時(shí)反向噪聲匯聚量并沒有增加。
反向光突發(fā)式雙向HFC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的缺點(diǎn)就是在反向鏈路上增加了一級(jí)光電轉(zhuǎn)換,因此在傳輸指標(biāo)上需要進(jìn)行重新測算。
圖4是反向光突發(fā)式雙向HFC網(wǎng)絡(luò)反向鏈路測試模型,其中A點(diǎn)是回傳接收模塊的測試口,標(biāo)準(zhǔn)是單通道80 dBμV;B點(diǎn)是傳統(tǒng)HFC網(wǎng)絡(luò)反向光鏈路,光AGC范圍為0~-8 dBmW;C點(diǎn)是低光功率接收機(jī)向野外光機(jī)注入反向電信號(hào),標(biāo)準(zhǔn)是每通道80 dBμV;E點(diǎn)是低光功率接收機(jī)接收光信號(hào),在測試模型中為-15 dBmW左右;F點(diǎn)是反向突發(fā)式光發(fā)的輸出光信號(hào),經(jīng)測試為1.5 dBmW;G點(diǎn)為反向突發(fā)式光機(jī)的注入信號(hào),標(biāo)準(zhǔn)是反向總功率80 dBμV,同時(shí)G點(diǎn)也是反向噪聲的注入點(diǎn);H點(diǎn)為用戶端注入信號(hào),按單通道100 dBμV測算;G到H之間的反向鏈路衰減根據(jù)覆蓋用戶數(shù)的不同而變化。
首先根據(jù)系統(tǒng)要求測算G點(diǎn)的反向信號(hào)單通道注入電平,然后根據(jù)此注入電平的要求分析系統(tǒng)的CNR指標(biāo),同時(shí)在G點(diǎn)侵入噪聲變化的情況下,分析系統(tǒng)在各種覆蓋用戶數(shù)時(shí)的反向噪聲承載力。
圖5是一種正向電信號(hào)輸入,反向光突發(fā)式信號(hào)輸出的光機(jī)設(shè)備框圖。其中在反向ATT插0 dB情況下,G點(diǎn)的電平比I點(diǎn)低10 dB。
按照《HFC網(wǎng)絡(luò)上行傳輸物理通道技術(shù)規(guī)范》(GY/T 180—2001)要求,在5~65 MHz的范圍內(nèi)共劃分為19個(gè)通道,每通道3.2 MHz頻寬。但在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中由于低端的噪聲較高,使用價(jià)值不大,且對于突發(fā)式光機(jī)來說,過高的噪聲容易誤打開激光器,所以在上述光機(jī)中將25 MHz以下的信號(hào)用濾波器進(jìn)行了濾除,實(shí)際可用帶寬只有25~65 MHz,共12個(gè)通道。
按照IEC 60728-13的3.1.6光調(diào)制指數(shù)定義
式中:M為總光調(diào)制度;mk為每個(gè)載波的光調(diào)制度;k為通道數(shù)。
按M=30%進(jìn)行測算,得出以下單通道調(diào)制度表(見表1)。
表1 反向鏈路單通道調(diào)制度表
在考慮規(guī)劃通道數(shù)時(shí),仍然需要考慮光鏈路差異對反向電平信號(hào)的影響。使用的PLC光分路器均勻性在1~2 dB左右,如果要實(shí)現(xiàn)反向光機(jī)免調(diào)試安裝,就需要在光調(diào)制度上為這種差異預(yù)留指標(biāo)空間。
原國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃19個(gè)通道時(shí)的單通道調(diào)制度為6.8%,將6.8%作為反向注入電平光調(diào)制度的下限。而RF激勵(lì)功率的變化對光調(diào)制度的影響可以用以下式子計(jì)算
式中:M原為電平變化前的調(diào)制度;M新為電平變化后的調(diào)制度;x為RF激勵(lì)功率變化值,單位dB。
測算各種通道數(shù)量下允許電平變化幅度,統(tǒng)計(jì)值如表2所示。
表2 光調(diào)制6.8%情況下單通道電平允許變化幅度
由于光功率與RF電平功率之間有1∶2的對應(yīng)關(guān)系,所以選擇電平變化幅度在3~4 dB的規(guī)劃通道可以應(yīng)對PLC光分路器的輸出口差異問題。為便于計(jì)算,選擇10通道模式,即G點(diǎn)單通道注入電平為70 dBμV。當(dāng)然,各運(yùn)營商可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)規(guī)范確定上行通道規(guī)劃數(shù),但建議不要少于4通道。
3.3.1 理論測算
在不考慮侵入噪聲的前提下,圖5所示的反向鏈路載噪比指標(biāo)由2部分組成:A點(diǎn)到C點(diǎn)的CNR1、C點(diǎn)到G點(diǎn)CNR2,整體系統(tǒng)的載噪比為
其中,CNR1和CNR2的計(jì)算可以使用IEC 60728-13給出的光強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)的載噪比計(jì)算式得到
式中:BN為噪聲帶寬,回傳通道取3.2×106Hz;mk為第k個(gè)載波的光調(diào)制度;R為光接收設(shè)備的光電變換效率,取0.84 A/h;Pr為接收機(jī)的接收光功率,單位W;RIN為光輸入信號(hào)的相對強(qiáng)度噪聲,取-135 dB/Hz;e為電子電荷1.602×10-19C;Id0為接收設(shè)備光探測器的暗電流,取1.3×10-9A;Ieq為接收機(jī)前置放大器的等效輸入噪聲電流密度,取4×10-12(A·h-1/2);
針對圖4的測試模型,主要分析接收光功率變化對系統(tǒng)載噪比的影響。為了模擬CM運(yùn)行環(huán)境,假設(shè)當(dāng)E點(diǎn)的光功率降低時(shí),H點(diǎn)的電平升高,但最多升高10 dB,否則會(huì)引起反向光發(fā)的非線性失真。
從圖6可以看出,由于受到光AGC的影響,B點(diǎn)的接收光功率在AGC范圍內(nèi)對系統(tǒng)載噪比影響不大。而由于受到H點(diǎn)的電平升高的影響,E點(diǎn)的光功率下降引起光調(diào)制度的上升,在光功率-20 dBmW以上時(shí),系統(tǒng)載噪比有所改良,但低于-20 dBmW以后由于H點(diǎn)電平不再升高,光調(diào)制度趨于穩(wěn)定,系統(tǒng)載噪比隨光功率降低急劇下降。需要指出的是-20 dBmW以上系統(tǒng)載噪比改良是犧牲可用通道數(shù)的結(jié)果。
3.3.2 試驗(yàn)網(wǎng)測試結(jié)果
筆者模擬了CM運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的信號(hào),在接收光功率-15.4 dBmW時(shí),H點(diǎn)的發(fā)射功率為100 dBμV。當(dāng)接收光功率降低至-22.4 dBmW時(shí),H點(diǎn)的發(fā)射功率為114 dBuV。測得結(jié)果如圖7所示。
從圖7可以看出,當(dāng)光功率降低5 dB時(shí),系統(tǒng)載噪比保持穩(wěn)定。但光功率降低超過5 dB時(shí),系統(tǒng)載噪比開始降低。整體系統(tǒng)能夠保證CNR≥25 dB的要求。
3.4.1 理論測算
按照圖4的測試模型,分析在H點(diǎn)覆蓋不同用戶數(shù)量情況下,G點(diǎn)能夠承載多大的噪聲,以便保證上行鏈路達(dá)到CNR≥25 dB的要求。
測算時(shí)仍然需要使用式(3),但此時(shí)CNR1表示光系統(tǒng)載噪比,CNR2表示G點(diǎn)到H點(diǎn)之間的電纜分配網(wǎng)絡(luò)CNR。
在H點(diǎn)覆蓋用戶數(shù)方面,分別測算了6戶、12戶、24戶、36戶和72戶,鏈路衰減值分別為10 dB,14 dB,18 dB,21 dB,22 dB和26 dB。
通過計(jì)算,得到以下2點(diǎn)結(jié)果:
1)由于覆蓋用戶數(shù)量的減少,使得系統(tǒng)對噪聲的承載力大幅提升,表3是測算的結(jié)果。
表3 系統(tǒng)CNR≥25 dB時(shí)G點(diǎn)最高侵入噪聲功率
經(jīng)實(shí)際測試,在G點(diǎn)25 MHz以上頻譜中噪聲功率很少超過50 dBμV。
2)在系統(tǒng)CNR≥25 dB的要求下,光系統(tǒng)載噪比對于整體系統(tǒng)載噪比的影響較小。在覆蓋72戶的測算模型中,對于光系統(tǒng)載噪比分別為41 dB和37 dB兩種情況,G點(diǎn)噪聲功率減低到39 dBμV時(shí),光系統(tǒng)載噪比對整體系統(tǒng)載噪比的影響才超過1 dB。
3.4.2 試驗(yàn)網(wǎng)測試結(jié)果
進(jìn)行了覆蓋12戶和覆蓋72戶試驗(yàn)網(wǎng)測試,測試結(jié)果如圖8所示。
經(jīng)過測試和計(jì)算,圖4所示的測試模型對噪聲有較好的承載力。
RFoG技術(shù)的最大優(yōu)勢是其在不需要改變原有業(yè)務(wù)運(yùn)營模式的前提下,實(shí)現(xiàn)了光纖推進(jìn)和反向鏈路優(yōu)化。但對于中國的有線電視運(yùn)營商來說,由于RFoG技術(shù)并不會(huì)帶來比HFC網(wǎng)絡(luò)更寬的入戶帶寬,所以完全利用RFoG技術(shù)實(shí)施FTTH網(wǎng)絡(luò)并不一定適用,然而這并不排斥利用RFoG技術(shù)中的一些關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化現(xiàn)有的HFC網(wǎng)絡(luò),在實(shí)現(xiàn)光纖逐步推進(jìn)的同時(shí),減少對反向鏈路的維護(hù),實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有雙向HFC網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)提升,增強(qiáng)在寬帶接入領(lǐng)域的競爭力。
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