RF PON：NGB網絡的首選接入技術

熊承國，尹冠民

（路通光電技術有限公司，江蘇 無錫 214072）

1 RF PON技術概述

在有線電視網絡的雙向改造中，無源光網絡（PON）技術得到了越來越廣泛的應用，許多HFC雙向網絡都采用了GEPON技術。除去GEPON技術之外，不同的PON技術也都各具特色，并在不同的應用領域各領風騷。射頻PON（RFPON）、光纖上的 RF 傳輸（RFoG）、混合光纖同軸 PON （HFC－PON）或者電纜PON（Cable PON－CPON）都是指在無源光網絡結構上傳輸傳統有線電視RF信號的一種無源光網絡形式。在正向，RF PON是一個典型的點對多點 （P2MP）系統；在回傳通道，RF PON把傳輸上行流或RF回傳信號并入一個獨立的回傳PON波長，從而提供對傳統的混合光纖同軸電纜網絡RF回傳信號的支持。

美國的SCTE接口實踐分委員會（Interface Practices Subcomittee，IPS）第 5工作組正在編制光纖上的RF（RFoG）規范（代號為IPS910），計劃將于近期發布正式的標準文本。由于該技術在對傳統HFC網絡進行升級改造中的特殊優勢，得到了廣大設備供應商、網絡運營商的高度關注。筆者將簡要介紹無錫路通光電技術有限公司（后簡稱“無錫路通”）提出的1種HFC網絡雙向改造中新的RF PON技術。

2 RF PON的基本工作原理[1]

RF PON（或稱RFoG）是一種光纖深入網絡結構，其典型網絡拓撲如圖1所示。在這種網絡拓撲中，HFC網絡的同軸部分被單纖（或雙纖）無源光網絡代替，下行和上行傳輸以不同的波長共享同一根光纖（或分別用2根光纖傳輸），典型的是下行采用1 550 nm傳輸廣播信號與交付業務下行信號，而上行采用1 590 nm傳輸交互業務回傳信號。這樣就允許在這種光纖結構上通過WDM的方式在同一個PON網絡上以1 490 nm傳輸EPON下行通訊信號，而以1 310 nm傳輸上行通訊信號，從而在同一個PON結構上同時傳輸傳統的有線電視廣播、交付業務信號和EPON系統的正反向通訊信號。圖1上部為典型的HFC網絡結構，下部為前端/分前端、光分配網絡以及取代放大器的RF PON微型光節點示意圖。

無錫路通根據中國HFC網絡雙向改造的實踐，將北美的RF PON技術用于FTTB或FTTC環境，提出了圖2所示的雙纖應用模式RF PON網絡結構。

圖1 傳統HFC網絡和RF PON網絡對比

圖2所示雙纖結構中下行以1 550 nm（或者1 310 nm）傳輸正向RF圖像 （模擬/數字）廣播信號、DOCSIS業務下行信號及話音業務下行信號。以光分路器代替原光節點，以微節點（內含突發式同步回傳發送機）代替放大器（以及原光節點），以PON網絡替代有源HFC傳輸網絡。

RF PON微節點內置突發式反向激光發送機與CM或者STB的回傳RF發射信號同步工作，時分復用。其定時與時隙安排由CMTS或者數字電視前端設備準確控制；回傳光波波長可按系統設計考慮分別選擇為1 310/1 550/1 590 nm或者1 610 nm。

前端多臺 （理論上可達32臺）RF PON節點共享1臺反向接收機，反向接收機解調出RF回傳信號后再分別送到不同的回傳業務前端設備的回傳RF輸入端口。

下行傳輸業務RF PON設備無需控制，經PON網絡進行廣播，與傳統HFC網絡在節點處從光變成RF電信號一樣，RF PON下行接收機置于野外、樓棟或者用戶家中，完成與傳統光節點內的光電變換相同的功能。RF PON下行接收機對于諸如 AM－VSB，QAM或QPSK之類的調制技術是完全透明的。

在回傳通道，RF PON回傳發送機工作在突發模式，使用RF PON完全像在HFC網絡中CMTS控制CM那樣，在任何給定時間都只允許一個CM發送信號。事實上，RF PON設備的激光發送機的發射時刻嚴格受用戶駐地設備控制，RF PON回傳發送機通過精確監測來自用戶駐地設備的RF發射信號的發送時刻，并立即打開反向通道激光器。當來自用戶駐地設備的RF信號完成發射時，激光器立即關斷。因為激光器與RF回傳信號嚴格同步，所以避免了2個激光器被同時打開而發生碰撞，即使回傳光合成器覆蓋多達32臺微節點，任何時刻也僅有1臺RF PON節點對應的那1條回傳光鏈路在工作。

廣播信號和交付信號既可如圖2所示空分復用（雙纖傳輸，回傳信號采用獨立光纖傳輸），也可以波分復用（通訊回傳信號采用1 310 nm或1 590 nm，共享下行光纖）。圖3給出了最簡單的RF PON單纖應用模式的網絡拓撲結構圖。

圖2 RF PON雙纖應用的工作機理示意圖

圖3 RF PON單纖應用的工作機理示意圖

在圖3中，前端/分前端在單根光纖上以1 550 nm波長傳送廣播信號及交付業務下行信號，而傳統的CM或STB的1 310 nm回傳光信號在微節點處以合波器合成后送入同一根光纖上傳回前端/分前端，在前端/分前端處用分波器提取出回傳光信號，再送入共享的回傳光接收機。

如果希望該網絡不僅僅只傳送傳統的雙向HFC應用業務，還希望在同一光纖結構上開展EPON應用，則可以利用如圖4所示的網絡結構實現更為靈活的應用。圖中示出了用戶駐地的A、B兩類用戶的不同情況，A類用戶僅要求傳統HFC業務，用戶駐地設備包括STB機頂盒（RF 圖像接收：廣播、VoD 等），DOCSIS業務終端 （CM：高速數據傳輸業務及VoIP）；所以在單根光纖上采用波分復用方式，以1 550 nm傳輸下行業務光信號，1 590 nm傳輸上行業務光信號。對于B類用戶，出現高速IP應用需求，故需要結構在EPON網絡之上；因而對B類用戶可將HFC網絡與EPON網絡進行波分復用，EPON業務下行以太通信信號以1 490 nm傳輸；回傳信號以1 310 nm波長傳輸；4個波長復用后以同一根光纖實現雙向傳輸，將PON結構同時應用于傳統的HFC網絡及EPON網絡。

圖4 RF PON典型的單纖應用模式

在這種網絡結構下，即使對同一個用戶，也可以使用RF PON技術與x－PON技術相結合，非常靈活地構建所需要的多種網絡拓撲，同時提供傳統HFC網絡所能提供的全部業務及x－PON所提供的多種高速通訊業務。

3 RF PON的噪聲特性研究

3.1 RF PON的噪聲特性

從基本工作機理上分析，有4個因素使RF PON系統的噪聲性能比傳統的HFC網絡更好。

首先是因為RF PON網絡結構中，回傳通道的上行突發模式限制了RF PON網絡中的異常侵入噪聲對載噪比性能的劣化。當用戶駐地設備激活時，在任何給定時間內都只有1個RF PON設備在發射，也就是說僅有該激活通道對應的終端在此時刻發生的侵入噪聲才有可能侵入系統的回傳通道，系統所覆蓋的其他終端即使在這一時刻出現侵入噪聲，但因為對應的激光發送機被關斷而不能侵入系統的回傳通道，所以RF PON網絡中回傳通道的侵入噪聲明顯低于傳統的HFC網絡。

RF PON網絡結構載噪比性能優異的第2個原因是RF PON網絡固有的低噪聲性能，圖5所示為典型的HFC網絡回傳通道與RF PON的回傳通道。從圖中可知，在傳統的HFC網絡結構中，回傳通道存在多個反向RF放大器的級聯，回傳信號以及噪聲通過放大、衰減、再放大，隨著放大器級數的增多，這些反向RF放大器的級聯使HFC網絡的載噪比逐級劣化。反之，RF PON光纖網絡僅僅只在RF PON節點和反向光接收機中才進行回傳RF信號的放大，其回傳通道RF載噪比（CNR）必然優于傳統HFC網絡的載噪比。

RF PON技術對噪聲還有另一種改善，就是以低噪聲光電路制成的回傳通道收發器專門針對RF PON網絡進行了優化，這些接收機的噪聲性能優于傳統的HFC網絡。

回傳通道噪聲特性有所改善的第4個因素是在RF PON網絡結構下，任何時刻都只有1個回傳發送機在發射回傳信號，所以，回傳激光器的RF激勵信號功率譜密度可以加大，從而使回傳鏈路的NPR進一步得到顯著改善。

圖5 HFC網絡和RF PON網絡中的回傳通道噪聲

3.2 RF PON的噪聲特性計算[2]

根據IEC 60728-13給出的光傳輸系統載噪比的計算公式，可以分別計算出RF PON系統的鏈路載噪比指標與回傳通道各種系統參數的關系，進一步深入研究RF PON系統的噪聲特性，從而尋找出制約回傳鏈路載噪比的主要因素。該公式為

式中：C/N為光傳輸系統載噪比；BN為噪聲帶寬；mk為第k個載波的光調制指數；R為光接收設備的光電變換效率（響應度）；Pr為接收機的接收光功率；RIN為接收機光輸入信號的相對強度噪聲；e為電子電荷， 值為 1.602×10－19C；Id0為光接收設備光探測器的暗電流；Ieq為光接收機的光探測器的等效輸入噪聲電流密度。

為計算RF PON系統的回傳光鏈路，假設RF PON系統的典型參數為：BN=3.2×106Hz；RF PON 系統中始終只有一個CM對應的反向發送機工作，故光調制指數mk典型值設為20%；R=0.84 A/W；Pr＝－20 dBm 即 10－5W；RIN＝135 dB/Hz；Id0＝1.3×10－9A；Ieq＝4×10－12A·Hz-1/2。

利用上述公式，在系統參數為典型假設值時，分別計算出 mk，Ieq，RIN和Pr之間的關系，并繪成了圖6所示的曲線。

分析圖6給出的RF PON系統回傳通道載噪比曲線，可以得出下述結論：

曲線①中，mk＝20%，Pr＝－20 dBm，BN＝3.2 MHz，Ieq＝4 pA·Hz-1/2，反向激光發送機的RIN 從－130 dB/Hz改善到－150 dB/Hz，反向光接收機的RF輸出信號載噪比僅提高了1.5 dB。在低光功率及超低光功率接收條件下，反向激光發送機的RIN優劣對反向光接收機輸出信號載噪比的影響不大。該特性就為突發式回傳激光器的選擇提供了較大的空間，有利于降低系統總體造價。

曲線②中，mk＝20%，RIN=135 dB/Hz，Pr＝－20 dBm，BN＝3.2 MHz，Ieq從 10 pA·Hz-1/2到4 pA·Hz-1/2變化時，接收機輸出RF信號的載噪比從36.2 dB增加到43.2 dB；在超低接收光功率條件下，降低接收機的等效輸入噪聲電流密度對于改善輸出RF信號的載噪比非常有效 （接收機的Ieq降低2.5倍，從10 pA降低到4 pA，接收機輸出RF信號載噪比改善達7 dB）。

圖6 RF PON系統回傳通道載噪比與系統參數的關系曲線

曲線③中，mk=20%，Ieq=4 pA，BN=3.2 MHz，RIN=-135 dB/Hz，Pr取值-6～-26 dBm變化時（接收光功率減小20 dB），反向光接收機的C/N范圍52.7～32.2 dBm。Pr從-6 dBm降低到-10 dBm時，C/N僅降低 0.5 dB；Pr從-10 dBm降低到-15 dBm時，C/N 降低 2.5 dB，Pr（單位 dBm）與 C/N（單位 dB）的關系約為 2:1；Pr從-15 dBm降低到-26 dBm時，C/N降低約18 dB，Pr（單位dBm）與 C/N（單位dB）的關系約為1∶1.5。在回傳發送功率為0 dBm時，16個RF PON節點合成回傳，回傳鏈路損耗約為-16 dB，此時回傳鏈路最大載噪比接近49 dB，所以將RF PON技術用于傳統HFC網絡的雙向改造將顯著改善回傳通道的噪聲特性。

曲線④中，Pr=-20 dBm，Ieq=4 pA，BN=3.2 MHz，RIN=-135 dB/Hz，當 mk變化范圍為5%～25%，反向光接收機的C/N從31.6 dB增加到45.6 dB。C/N的變化幅度為mk增加倍數對數值的20倍。加大光調制指數可以顯著改善鏈路載噪比指標。

曲線⑤中，回傳帶寬為 24 MHz（4×6 MHz捆綁），其他系統參數與曲線④相同，接收光功率變化對接收機RF輸出信號載噪比產生影響。計算結果也表明Pr=-16dBm時，回傳通道的C/N還大于40dB。這已是非常優異的鏈路性能，即使應用DOCSIS3.0標準也可以采用64QAM調制格式進行回傳信號頻道的捆綁傳輸。

3.3 RF PON網絡的噪聲特性實驗研究

為驗證RF PON網絡結構的回傳通道噪聲特性，在多個大中型有線電視網絡中，按圖7所示網絡拓撲結構進行了回傳鏈路的噪聲性能測試。

圖7中左邊為傳統HFC網絡回傳通道前端信號處理電路示意圖，4條回傳光鏈路分別用4臺反向光接收機接收之后先4分配、再進行4路合成送入CMTS回傳RF端口。在CMTS的RF回傳端口處用頻譜儀進行本底噪聲特性的驗證測試，測試結果見圖8。從本底噪聲的頻譜曲線可以斷定遠端4個光節點中都已經內置了20～65 MHz的帶通濾波器（或20 MHz高通濾波器），濾除了20 MHz以下的低端噪聲，所以低頻段（5～20 MHz）本底噪聲讀數約22 dBμV，而25 MHz以上頻段的本底噪聲約30 dBμV。

圖7 RF PON回傳光鏈路噪聲性能測試網絡拓撲

把這4個回傳光鏈路中遠端光節點內的普通回傳發送機組件更換成RF PON發送機組件之后，圖7右邊的前端信號處理電路是將這4路RF PON的回傳光纖用4分路器進行合成之后送入單臺RF PON回傳接收機，該接收機的RF輸出經4分配后，1路送入CMTS的原RF回傳端口，1路以頻譜儀測試CMTS回傳RF端口處的回傳鏈路本底噪聲頻譜，測試結果如圖9所示。

圖9為經過RF PON改造后同一網絡的本底噪聲頻譜。遠地光節點中的20～65 MHz帶通濾波器已去除。為更好地觀測回傳鏈路的本底噪聲電平，將頻譜儀參考電平設置從 100 dBμV降為90 dBμV，除此之外頻譜儀設置與圖8所用設置完全相同。圖9所示曲線表明，整個回傳頻段的本底噪聲都處于 15 dBμV的水平，比傳統網絡結構下的回傳噪聲約低 7～15 dB。

CMTS工具軟件監測到的CMTS上行端口RF回傳信號的信噪比改善隨網絡實際狀況呈現較大差異，但都有顯著改善，其改善量約為3～10 dB。

4 RF PON在HFC網絡改造中的優劣[3]

圖8 傳統光鏈路（4合1）的本底噪聲頻譜

圖9 同樣網絡結構之下的RF PON回傳鏈路的本底噪聲頻譜

從以上的分析可以看出RF PON網絡結構有著顯著的優勢，簡單歸納如下：

1）從本質上克服了傳統HFC網絡回傳通道的各種侵入噪聲干擾。因為RF PON應用模式在任意時刻都僅有一個CM所對應的突發式反向發送機在工作，其他反向激光發送機都關斷，故本底噪聲電平更低；又因為僅僅一個CM在發射，故工作反向發送機的光調制指數可以遠高于傳統連續發射的模擬激光發送機。因此，回傳光鏈路的NPR非常高。

2）將傳統HFC網絡的光纖向用戶端延伸，純介質的無源光纖結構對信號傳輸協議、信號調制格式完全透明，所以既能提供傳統HFC網絡上的全部RF信號的傳輸功能，又不需要為雙向改造重新構建一個獨立的PON網絡。今后用戶確實需要更高的傳輸速率再平滑升級到x-PON系統時，也只需要共享該PON網絡，在前端（或分前端）位置添加局端設備（如各種OLT），在用戶端添加用戶終端設備（如相應的ONU），真正實現傳輸網絡向FTTH的平滑升級。

3）擁有更寬的上行頻譜。因為RF PON對噪聲特性的改善和反向激光器光調制指數的增加，使得NPR明顯改善，有可能使整個5～65 MHz回傳帶寬都能夠用于數據傳輸。此外，RF PON系統還能夠更好地支持DOCSIS3.0的綁定，這就使網絡運營商能夠采用64QAM調制格式進行上行傳輸，從而顯著增加上行傳輸速率。

4）多個光節點對應一臺反向接收機，前端機房管理更為簡單，前端機房和反向接收機的建設費用都更低。

5）光纖用量顯著減小，不僅使光纖費用明顯減少，而且還大大降低了光纖敷設費用，這對難于重新架設光纜的地方（例如地埋管孔不足時），從根本上解決了系統升級無法克服的障礙。

6）RF PON支持其他技術：對多種射頻交付業務 （如 CM，STB，NMS等）都能提供透明的傳輸。RF PON網絡的優勢是其結構支持傳輸增值業務的各種技術，所以PON系統能夠覆蓋RF PON網絡，允許開展吉比特帶寬的高級商用業務，提供了豐富的以太傳輸能力。

7）維護量小，可靠性高。系統結構明顯簡化，維護方便、快捷，網絡可靠性極大提高。RF PON網絡在前端和用戶之間只有多功能光節點，沒有放大器之類的有源電子設備。RF PON網絡還有另一個優勢，那就是光纖比同軸電纜更為可靠，濕度、溫度、閃電、電化腐蝕以及在同軸及雙絞線網絡中隨時間而變化的其他條件都不需要考慮。

8）系統可以方便地平滑升級到FTTH（采用了PON網絡結構）。

9）能夠在單纖結構上集成RF與IP業務（如圖10所示）。

10）與傳統的雙向 HFC，EPON＋EoC模式相比，RF PON結構的接入網絡系統造價最低。隨著高性價比CMTS的推出，這種RF PON技術的發展前景十分美好。

當然，與任何接入網絡技術一樣，RF PON技術也存在局限性：1）SCTE所編制的RF PON技術規范還未發布；2）CMTS的價格居高不下，在一定程度上制約了該技術的成本優勢；3）采用波分復用技術進行系統擴容或升級時，復用器/解復用器價格偏高；4）波分復用單纖傳輸時，寬波長分路器的價格也高于傳統的單波長分路器的價格。

圖10 把EPON系統覆蓋到RF PON網絡上

5 RF PON技術在HFC網絡雙向改造中的應用注意事項

采用RF PON技術構建全業務傳輸網絡時必須注意：

1）回傳光鏈路的損耗差異、突發式反向激光發送機光調制指數的不同、反向激光器調制效率的差異（dP/di曲線的斜率不同）都會引起反向光接收機RF輸出電平的差異，從而導致不同交付業務用戶的RF回傳信號（如CM回傳信號、機頂盒回傳信號）電平的不同，引起回傳信號的載噪比不同，如果這種電平的不均勻度過大，就可能引起不同用戶回傳信號的比特誤碼率差異。系統設計時必須盡可能保證每個用戶的回傳光鏈路損耗盡可能相同。

2）回傳通道的設計與調試方法都必須相應改進，原則上應該盡可能加大反向激光器的光調制指數。

3）RF PON應用中，反向光接收機的RF增益必須完全滿足回傳光鏈路損耗的要求，一般情況下其RF增益都會高于傳統HFC雙向網絡應用中的反向接收機；其次，因這種應用中接收光功率可能非常低（例如可能低達－20 dBm以下），所以反向光接收機必須滿足低噪聲要求。

4）因為突發工作模式的限制，RFPON反向接收機不能設計光AGC功能。

[1]路通光電技術有限公司.RFoG雙向網絡解決方案 [EB/OL].[2009-11-11].http://www.lootom.com/ProductShow.asp?ID=102.

[2]IEC 60728－13，廣播信號的光傳輸系統[S].2010.

[3]Motorola.利用RFoG解決方案開展基于光纖的DOCSIS和 GPON業務[EB/OL].[2009-11-11].http://www.motorolahnmclub.com.cn/GPON/downloads/Leveraging-RFoG-to-Deliver-DOCSIS-and-GPON-Servicesover-Fiber.pdf.