工程硕士论文:EPON 技术及其在广电双向改造中的应用分析

文章来源:毕业论文通 分类:工程硕士论文 发布时间:2020-07-20 10:04:40
毕业论文通第2020-07-20期,本期论文编辑为大家分享一篇工程硕士论文《工程硕士论文:EPON 技术及其在广电双向改造中的应用分析》,供广大毕业生在写工程硕士文章时进行参考。

EPON 技术及其在广电双向改造中的应用分析

 

 要:面对网络融合与业务融合的发展趋势,广电正在将传统的HFC单向网络进行双向化改造,以提供双向交互式的业务。在改造方案的选取中,基于EPON的方案获得了很大的关注。本文首先介绍了EPON的标准与工作原理,然后根据广电网络双向数字改造的需求,给出了EPON技术在双向数字改造中的应用方案,最后通过对CMTS+ Cable Modem方案和EPON方案在成本、带宽、支持业务、成熟度等各方面进行分析比较,论证了 EPON技术是广电网络双向改造、在HFC上实现三网融合的最佳应用方案的结论。

关键词:EPON;双向改造;HFC

1. 引言

十一规划明确提出了“加强宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等信息基础设施建设,推进三网融合”。“ 三网融合”是指电信网、计算机网、广播电视网在技术上趋向一致,在网络层上互联互通,在业务层上互相渗透和交叉,这也是网络发展的必然趋势。

面对三网融合的大趋势,传统电信运营商正在逐步从单纯的网络运营向综合信息服务提供商转型,尤其是IPTV 业务的推出,表明电信运营商开始进入广电的传统业务领域。 对于广电运营商来说,面对电信运营商的步步紧逼,要想在激烈的竞争中处于不败之地,必须尽快地通过自身网络的双向改造提供更多的业务,如视频点播、各种数据增值业务、宽带接入等。网络的改造,即在原来HFC 网络单向下行广播通道的基础上增加上行(回传)通道。

目前广电HFC 网络双向化改造有两种主流方案:基于EPON 的双向化改造方案与基CMTS+ Cable Modem 的改造方案。

EPON 技术是以太网技术与无源光网络技术的优化组合,EPON 网络兼有以太网灵活、高效的特点以及无源光网络简单、易维护的优势。此外,EPON 点到多点的拓扑结构相比于传统的点到点的结构,能够节省大量的光纤以及光收发设备的投资;点到多点的结构也很

适合开展广播业务及组播业务,对于视频点播、广播等业务有先天的支持。

本文后面的部分将主要介绍EPON 技术及其在双向化改造中的应用方案,并通过与CMTS+ Cable Modem 改造方案的详细对比,得出基于EPON 的改造方案是广电双向化改造

的最佳应用方案。

2. EPON 技术介绍

2.1 EPON 的标准化

IEEE802.3ah EFM 工作组于2004 年正式颁布了IEEE802.3ah 标准,新规范了“点到多点最长20km 光纤上传送1000Mbit/s 以太网”标准,即EPON 标准。

IEEE 802.3ah中定义了EPON的物理层、 MPCP(多点控制协议)、 OAM(运行管理维护)等相关内容,IEEE 制定EPON 标准的基本原则是尽量在IEEE 802.3体系结构内进行

EPON的标准化工作,最小程度地扩充标准以太网的MAC协议,这也最大程度地继承了以太网经过长期、大规模实践检验积累下来的宝贵技术经验

2.2 EPON 的网络结构

EPON 采用点到多点的星型物理拓扑,网络由置于局端的光线路终端(OLT)、置于用户端的光网络单元(ONU)及1: N 的无源光分路器(POS)组成。NN<=32)个ONU 共享一个OLT 和最长20km 的光纤干线,并利用波分复用器工作于单纤双向传输方式,EPON的网络结构如图1 所示(以N=3 为例,下同)。从这些特点来看,PON HFC 网络具有很多相似之处。

EPON 网络结构图

2.3 EPON 工作原理

EPON 系统中传输的是IEEE 802.3 以太网帧,上下行采用对称速率,都是1.25 Gb/s。上下行通过波分复用方式在单纤上传输,下行波长为1490nm,上行波长为1310nmEPON 系统的上下行传输是全双工工作的。

2.3.1 下行传输机制

EPON 下行采用时分复用(TDM)方式,OLT 发出的以太网帧广播到各个ONU。各个ONU收到广播帧后,根据帧前导码中LLID(逻辑连接标识)信息,取出本ONU 的以太网帧送上层进一步处理,属于其他ONU 的帧则直接丢弃。

这一点和HFC 网络的下行完全一样,是“一发多收”。

下行的原理图如图2 所示。

上行下行传输原理

2.3.2 上行传输机制

3 显示了EPON 上行传输原理。

上行方向上,EPON 没有采用传统以太网的CSMA/CD 机制,而采用时分多址接入(TDMA)的方式,光分配网主干光纤的带宽由各个ONU 分时共享,各ONU 的发送信息的起始时间以及时隙长短由OLT 统一安排。

ONU OLT 请求发送时隙,OLT 根据ONU 请求和目前网络的资源状况确定是否非配时隙以及分配多长的时隙。OLT 自动测试计算出各ONU 信号到达OLT 的时间,作出时隙安排后,向ONU 发出时隙分配帧;ONU 根据时隙分配帧,在分配到的时隙内发出自己的上行信号。

3. EPON 技术在HFC 网络双向改造中的应用

3.1 广电现有网络

目前广电网络绝大部分是单向的HFC 网,只有下行通道,网络主要由前端、分前端、光节点以及同轴接入部分组成,参见图4 未叠加EPON 的结构。

城域核心采用光纤环网,有机房资源;城域汇聚部分采用光纤无源分配网络;光节点覆

盖到小区,光节点下面通过同轴电缆连接到用户,每个光节点大约覆盖200-500 用户。

3.2 双向改造的需求分析

广电网络双向改造的需求在广电总局发布的《有线电视网双向化改造指导意见》中有明确的说明:低成本地改造广电单向网络,为交互式电视提供数据回传通道;建立广电特色的IP 宽带网,为用户提供互联网接入服务;IP 宽带网符合主流IP 技术发展趋势,能保证至少5 年内用户对带宽的需求,并留有便利的升级扩容方式,便于今后开展各种宽带增值业务;充分利用广电现有线缆和机房资源,减小投资成本;新建的IP 宽带网便于管理维护,并具有业务扩展特性。

3.3 EPON 在双向改造中应用方案

由于EPON 网络的物理拓扑与现有HFC 网络几乎没有差异,都是点到多点的传输方式,相互叠加非常容易。在目前HFC 网络的基础上,只要将OLT 放置在分前端,将ONU 放置在原来的光节点处,如图4 所示,即可完成HFC EPON 的叠加,实现网络的双向化。

EPON 叠加HFC

如果想让光信号进一步靠近用户,为向FTTH 平滑过渡做铺垫,还可以在原来光节点处增设无源设备,并引出多根光纤到楼或到单元,使ONU 直接到楼道。如果原来光缆有富余光纤,可以无需重新铺设光纤,直接利用富余光纤来构建双向通道。

EPON 采用波分复用(WDM)技术叠加在HFC 网络上,从而实现双向传输。

对于新建的小区,如果HFC 网络尚未覆盖,可以直接利用EPON 通过TriplePlay 来进行电视、宽带业务的综合接入,一步到位地解决网络的双向化问题,如图5所示。

 EPON 单纤三波实现TriplePlay

TriplePlay 采用波分复用(WDM)方式,用1550nm 波长下行传送广播电视信号,选用1310nm/1490nm 双波长传送EPON IP 数据。

3.4 EPON 方案的最后100m 接入技术

根据最后100m 接入技术的不同,即选用LAN 还是EOCEthernet Over Coax)技术, 基于EPON 的改造方案可分为EPON+LAN  EPON+EOC

1EPON+LAN 方案:即在最后100m 采用LAN 技术,以五类双绞线入户。网络结构如图6 所示。

EPON+LAN 改造方案

该方案优点明显:带宽大、成本低、运营商不承担用户终端的投入,网络未来升级改造方便。但是缺点是对于已经布线的小区需要重新铺设五类线,对用户影响较大,需要得到用户的足够支持才能施工,要求人员素质也要高,对于新建小区则比较适合。

目前杭州大量的采用这种技术。但是这种方式对很多其他不太发达的城市有一些问题,不是所有的城市都有条件能够提供EPON + LAN 到户的。

2EPON + EOC 方案:即在最后100 m 采用EOC 技术为用户提供接入,网络结构如图7 所示,MAS EWT 分别代表有源和无源EOC 设备。

EPON+EOC 改造方案

EOC 是一种在同轴电缆中传输以太网信号的技术。EOC 把有线电视下行广播信号和IP数据双向通过频分复用,用一根电缆送入用户,同时提供电视和宽带接入业务。EOC 技术分为无源和有源的两种:无源EOC 技术是指无需调制直接在Cable 上传输以太网基带信号;有源EOC 技术把基带信号须经过调制到射频后在Cable 上传输。

EOC 的优点非常明显,可以充分利用现有网络上的同轴电缆,不需重新布线,入户施工难度非常小。但同轴以太网技术需要滤波设备分离电视信号和数据信号,成本比较高。

4. CMTS + CM 改造方案介绍

HFC 网络的另一种改造方案是:CMTS + CM。该方案是在广电的前端或分前端放置CMTS(电缆调制解调器头端系统),在用户侧放置CM(电缆调制解调器),可以向用户提供宽带接入等双向业务。

CMTS 在与CM 的双向通信中居于主导地位,负责对CM 设备进行认证、带宽分配和管理, EuroDOCSIS 标准定义了两者通信上下行的技术规范,如表1 所示。

DOCSIS 上下行特性

该方案的实现,要对原有HFC 网络进行大规模的双向改造,建立由用户端直至前端的上行传输通道,如图8 所示。改造的任务包括电放大器的双向改造、增加上行光发射机、上行光纤、上行光放大器以及上行光接收机。可见,改造的工作量和成本都非常大。

CMTS+CM 改造方案

这种技术主要是适合大面积的覆盖,在低开通的阶段成本是比较低的,能够充分利用现有Cable 资源。但是有两个明显的缺陷:一是回传噪声会在局端积累,形成漏斗效应,导致系统通信性能恶化;二是带宽非常有限,而且多用户共享带宽,可开通用户比较少,不符合国内用户密集的特点。除此之外,该技术需要建立在对现有网络进行大规模双向改造的基础之上,并且可承载业务有限,高带宽业务无法满足,无法提供全业务承载,后续系统扩容成本巨大。

因此该方案虽然在国外(北美地区)获得普遍应用,但由于不符合国内用户比较密集的实际情况,在国内并未获得大规模的应用。

5. 两种方案的综合比较

前面分别论述了基于EPON 的改造方案与CMTS+CM 改造方案,下面从带宽容量、改造成本、维护升级难度、支持业务、成熟度等方面对两种方案进行综合分析比较。

5.1 带宽容量比较


EPON 与CMTS + CM 带宽容量比较

2 EPON 方案与CMTS+CM 方案在带宽容量上进行了比较,带宽用实际可用带宽来计算,可见EPON 下行带宽是CMTS + CM 25 倍,EPON 上行带宽是CMTS + CM 100 倍。EPON 方案在带宽上的优势是非常明显的,这为多媒体交互等新业务提供了强有力的带宽保障。

同时CMTS + CM 下行要占用广播信道的一个频道的带宽,可能会发生信号的互相干扰问题。

5.2改造成本

EPON 与CMTS + CM 的改造成本比较

3 EPON 方案与CMTS+CM 方案在改造成本上行了比较(设备成本取典型值来进行计算),可见,EPON+LAN 方案的设备投资只有CMTS+CM 方案的20%,其他EPON 方案的成本较CMTS+CM 方案也有比较明显的优势,因为CMTS+CM 方案中其他投资部分的成本会很大。

5.3 维护升级难度

CMTS + CM 方案由于系统中均为有源设备,所以维护复杂,要考虑上行频点、上行噪声汇聚等问题;EPON 方案系统中有较少有源设备或没有有源设备,维护比较简单,无上行噪声问题,而且IEEE802.3ah 中规定了EPON OAM 机制,能够迅速的报告和定位通信链路上的故障。

CMTS + CM 方案升级困难,如果要升级到DOCSIS3.0 标准,需要更换全部的CM CMTS,升级代价非常大;EPON 方案可以做到平滑升级,通过减小分路比可以很方便的增加各个光节点的带宽,而且追加的投资也很有限,最大限度的保证了已有投资。

5.4 提供的业务

CMTS + CM 方案可以为为用户提供网页浏览、文件下载、节目点播等数据业务,但是对于高带宽的业务,如可视电话、视频会议等,CMTS+ CM 方案的共享40M 带宽机制在多用户同时使用时就远远无法满足要求了。所以CMTS+ CM 方案只能提供有限的、低带宽的双向数据业务,而EPON 方案凭借其高带宽可以向广电运营商提供包括语音、数据、互动视频、企业级专线在内的全业务的运营能力。

5.5 成熟度

从成熟度来说,基于EPON 方案在国内还处于起步价段,而CMTS+CM 技术在北美已有比较广泛的应用,积累了一些运行维护经验,因此基于CMTS+CM 方案的成熟度要比基于EPON 方案要高一些。但是由于EPON 中传输的是以太网帧,而以太网经过了长期、大规模的实践检验,成了事实上局域网的标准,所以完全有理由相信EPON 技术会飞速的发

展。

6. 结论

通过前面的论述以及分析比较可以看出,在双向改造方案的选取中,EPON 方案相比CMTS+ CM 方案具有非常明显的带宽、成本、维护简单、平滑升级的优势,更加符合广电双向改造低成本、高带宽、可升级、保护现有投资的需求。同时EPON 核心芯片已经批量生产,技术已经成熟,不同厂家EPON 的互通测试进展顺利,因此可以得到如下结论:EPON 技术是广电数字双向改造、在HFC 网络上实现三网融合的最佳方案。

 

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