三網融合下的有線電視網絡改造技術

金立標，張乃謙

中國傳媒大學 信息工程學院，北京 100024

0 引言

隨著通信技術和廣播電視技術的迅速發展，在三網融合的大背景下，有線電視網絡正在向下一代廣播電視網過渡。2009年7月31日，科技部、廣電總局、上海市共同進行了中國下一代廣播電視網啟動儀式，標志著我國下一代廣播電視網的建設進入實質性推進階段。2010年1月13日，國務院常務會議決定加快推進電信網、廣播電視網和互聯網的三網融合，提出推進三網融合的階段性目標，把2010年至2012年作為廣電和電信業務雙向進入的探索期，2013年至2015年作為三網融合的全面推廣期。2010年6月6日，三網融合試點建議方案第6稿在國家三網融合協調小組會議上最終通過，并于6月30日公布了第一批試點城市及地區：北京、上海、大連、青島、廈門、深圳、哈爾濱、南京、武漢、杭州、綿陽和長株潭地區。截至2011年2月，12個試點城市的IPTV集成播控平臺基本完成，并審核批準了594家國內互聯網視聽節目服務機構。

2011年3月14日，我國的“十二五”規劃綱要提出，統籌布局新一代移動通信網、下一代互聯網、數字廣播電視網、衛星通信等設施建設，形成超高速、大容量、高智能國家干線傳輸網絡。引導建設寬帶無線城市，推進城市光纖入戶，加快農村地區寬帶網絡建設，全面提高寬帶普及率和接入帶寬，并以廣電和電信業務雙向進入為重點，建立健全法律法規和標準，實現電信網、廣電網、互聯網三網融合，促進網絡互聯互通和業務融合。

在三網融合的背景下，如何確定并選擇合適的網絡接入傳輸技術，成為電信網絡和廣播電視網絡目前面臨的一個重要問題。電信網絡的傳統接入技術為ADSL，由于受到帶寬的限制，基本上確定了光纖入戶的大原則，無論是基于EPON還是GPON，都能夠提供足夠的帶寬，滿足日益增長的業務需求。

有線電視網絡技術發展到現在，在經歷了傳統的模擬廣播電視、數字廣播電視之后，現在又面臨雙向化的技術選擇。從最初的基于DOCSIS的CMTS/Cable Moden接入，到現在的EoC技術，以及和EPON結合后發展出的EPON+EoC技術，唯獨沒有提出光纖入戶的接入目標。

因此，本文將在業務需求和接入帶寬目標的基礎上，對有線電視網絡所面臨的DOCSIS3.0，EoC和EPON這3種主要技術進行分析和比較。

1 業務帶寬測算

1.1 接入目標

下一代廣播電視網（NGB）制定的10年規劃發展目標，提出保證每戶接入帶寬超過60 Mbit/s，在2015年用戶平均帶寬達到100 Mbit/s以上。

2010年11月30日，上海市三網融合工作協調小組提出城鎮地區家庭寬帶接入能力100 Mbit/s。2010年12月16日，武漢廣電和武漢電信的三網融合合資公司計劃2012年光纖到戶80%，入戶能力100 Mbit/s以上。

2011年2月16日，中國電信正式在全國啟動“寬帶中國，光網城市”工程。按照工程目標，南方城市將全面實現光纖化，核心城區全部實現光纖接入，最高接入帶寬達到100 Mbit/s，城市家庭接入帶寬普遍達到20 Mbit/s以上。

2011年3月17日，工信部、國家發展改革委、科技部、財政部、國土資源部、住房和城鄉建設部、國家稅務總局聯合印發了《關于推進光纖寬帶網絡建設的意見》。提出電信企業以光纖盡量靠近用戶為原則，加快光纖寬帶接入網絡部署。計劃到2011年，光纖寬帶端口超過8 000萬，城市用戶接入能力平均達到8 Mbit/s以上，農村用戶接入能力平均達到2 Mbit/s以上，商業樓宇用戶基本實現100 Mbit/s以上的接入能力。

2011年5月8日，武漢移動和武漢廣電已經率先實現業務上的三網融合，推出首個三網融合套餐，涵蓋寬帶、互動高清、語音通話等多項業務。

1.2 帶寬測算

從目前的網絡業務發展趨勢分析，視頻點播、高速上網、視頻通信、網絡游戲等是未來業務發展中很有潛力的幾種業務，其中視頻業務對帶寬的需求量是最大的。為了便于測算，僅對應用廣泛、帶寬需求量大的業務進行帶寬測算。

據預測，未來基于IPTV的視頻點播業務需求帶寬將達到20 Mbit/s以上，高速上網業務的帶寬需求達到10 Mbit/s以上。IPTV目前采用H.264標準的編碼方式，一套標清的視頻帶寬需求在3 Mbit/s左右，高清的視頻帶寬需求在8 Mbit/s左右[1]。隨著用戶家庭數字終端的增加和普及，IPTV的帶寬需求還將進一步增加。

視頻通信的帶寬需求一般在500 kbit/s左右，隨著對高清視頻通信的需求，未來其帶寬需求會增加到2 Mbit/s左右。網絡游戲目前對帶寬的需求不是很大，一般在30 kbit/s左右，如果是交互式的網絡游戲，帶寬需求會增加到300 kbit/s左右。

在傳統的網絡帶寬測算中，主要是數據業務，一般考慮其并發率約為15%。今后，網頁上的視頻業務越來越多，在帶寬測算時應該考慮提高其并發率，逐步提高到30%左右。對于視頻點播業務，由于其持續期長，一般可按30%的并發進行計算，隨著用戶數量的增加和內容業務的增加，并發率可逐步提高到50%。

無論是NGB還是電信網絡，都提出未來平均接入帶寬達到100 Mbit/s以上。按照NGB的保證接入帶寬60 Mbit/s計算，如果其中有40 Mbit/s分配給視頻點播業務，20 Mbit/s給高速上網業務，則用戶的平均接入帶寬為40 Mbit/s×0.3+20 Mbit/s ×0.15=15 Mbit/s。

因此在文章后面所涉及到的計算中，每戶平均接入帶寬都以15 Mbit/s進行計算。

2 現有接入技術分析

2.1 基于DOCSIS3.0的接入技術

2.1.1 DOCSIS3.0簡介

CMTS/Cable Modem接入技術在經歷了DOCSIS V1.0/V1.1/V2.0之后，又進入到DOCSIS V3.0時代。DOCSIS 3.0由美國有線電視實驗室（Cable Labs）于2006年8月發布，2007年7月29日由國際電聯（ITU）發布，作為ITU-T Rec.J.222標準，即《交互式有線電視業務的第三代傳輸系統——IP Cable Modem》。

DOCSIS 3.0相對于第一代和第二代標準，進行了一些技術改進。在傳統的第一代和第二代標準中，經常會探討回傳噪聲的問題，那是因為在低頻段確實存由電纜分配系統的熱噪聲、光纖鏈路噪聲和外部入侵噪聲，尤其是在30 MHz以下。DOCSIS3.0對頻譜進行了擴展，將上行頻率擴展到了85 MHz，下行頻率擴展到了1 002 MHz，這樣無論是上行頻段的噪聲和容量，或者下行頻段的信道容量都有了一定程度的提高[2]。

DOCSIS3.0第2項改進就是信道綁定技術，以滿足日益增長的業務需求。該技術要求無論是下行還是上行，都至少能夠綁定4個信道。采用64QAM調制方式，在8 MHz的帶寬下其有效信道容量為38 Mbit/s，假若綁定8個信道，其下行帶寬可達304 Mbit/s，這在一定程度上提高了高帶寬的業務需求。此外，DOCSIS 3.0還支持IPv6以及組播技術。

2.1.2 接入方案

目前的DOCSIS3.0廠家產品已經很成熟，大部分產品的信道綁定都做到了8個。現在1個DOCSIS3.0的板卡都可以包含多個下行信道，例如摩托羅拉BSR 64000的1個TX32下行卡可以支持32路下行，Arris的C4C的1個下行業務模塊16DCAM可以支持16路下行信道。假如一個DOCSIS3.0的CMTS板卡有16個下行信道，每8個信道做一個綁定（如圖1所示），那么該板卡可以通過兩個光節點經過分配網到達用戶端。

圖1 DOCSIS3.0系統示意圖

采用64QAM調制方式，則8信道綁定在一起的信道容量為304 Mbit/s。若僅考慮高速上網的數據業務，給每個用戶的平均帶寬為4 Mbit/s，則該板卡可以帶2×（304 Mbit·s-1）/（4 Mbit·s-1）=152戶。若考慮NGB的接入保證帶寬，包含高清和標清的視頻點播業務，給每個用戶的平均帶寬為15 Mbit/s，則該板卡可以帶2×（304 Mbit·s-1）/（15 Mbit·s-1）=40戶。

2.2 基于EoC的接入技術

2.2.1 EoC技術分析

電纜接入技術（EoC）是下一代廣播電視網的關鍵技術之一，利用各種數字調制技術在同軸電纜上承載以太網業務和各種綜合業務，實現下一代廣播電視網的寬帶接入。

EoC技術分為無源EoC和有源EoC兩大類型，無源EoC是基帶傳輸，將基帶數據信號直接混入有線電視系統，不需要進行調制。有源EoC是調制傳輸，采取各種數字調制技術把數據信號混入到有線電視系統中去。有源EoC技術又分成兩大類，即低頻EoC和高頻EoC。低頻EoC的技術標準包括家庭電話線網絡聯盟（HomePNA）和家庭電力線聯盟（HomePlug）。高頻EoC技術標準包括同軸電纜多媒體聯盟（MoCA）、高性能同軸網絡（HiNOC）和降頻WiFi技術等[3]。

EoC各種標準的物理帶寬和符號率均不一樣，因此它們的信道容量也各不相同。根據有關測試數據，MoCA現有設備的吞吐量典型值在100 Mbit/s左右，MoCA2.0的吞吐量會有一定程度的提高。降頻WiFi的吞吐量典型值在70 Mbit/s左右，現在有的廠家可能做到了100 Mbit/s以上。Homeplug AV的吞吐量典型值在100 Mbit/s左右。所以普遍存在的問題是頻譜利用率不高，一般都在50%左右，并且有的系統帶外抑制性能較差，有可能對有線電視信號造成一定的影響。最關鍵的問題在于標準不統一，從而造成各地選用的技術標準不一樣，對網絡整合也帶來一定的困難。

2.2.2 接入方案

有線電視網絡如果充分利用現有的電纜，可以采用EoC方式進行接入，并且和EPON結合在一起，即采用EPON+EoC實現光纖到樓（FTTB）。數據業務從光局端設備（OLT）經過光分配網（ODN）到達光網絡單元（ONU），ONU利用EoC的局端設備對數據進行調制，然后經電纜網絡送至用戶端的EoC終端，即如圖2所示。

圖2 EPON+EoC接入示意圖

EPON的1個PON口帶寬為1.25 Gbit/s，其最高有效帶寬為1 250 Mbit/s×98%×80%=980 Mbit/s。假設EoC局端設備的吞吐量在100 Mbit/s，此時系統所帶用戶數量由ONU帶寬決定。

若采用典型1∶32光分，則每個ONU獲得平均帶寬為30.625 Mbit/s。每戶平均接入帶寬為15 Mbit/s，則每個EoC局端可帶（30.625 Mbit·s-1）/（15 Mbit·s-1）=2戶，那么EPON的1個PON口可帶32×2=64戶。該方案中，需要32臺ONU，32臺EoC局端。

若采用1∶16光分，則每個ONU獲得平均帶寬為61.25 Mbit/s。每戶平均接入帶寬為15 Mbit/s，此時每個EoC局端可帶61.25 Mbit/s/15=4戶，此時EPON的1個PON口可帶64戶，同1∶32光分的時候相同。但是，只需要16臺ONU和16臺EoC局端。因此，考慮到設備數量和成本，在EPON+EoC方案中，一般選用1∶16光分。

考慮另外一種情況，ONU獲得的平均帶寬超出了EoC局端設備的吞吐量，例如采用1∶8光分的情況，此時每個ONU獲得的平均帶寬為122.5 Mbit/s，那么系統所帶用戶數量就由EoC的帶寬決定了。按照EoC局端設備的吞吐量為100 Mbit/s計算，每戶平均接入帶寬仍然為15 Mbit/s，則每個EoC局端設備所帶用戶數量約為6戶。EPON的1個PON口所帶用戶數量為8×6=48戶。

如果ONU獲得的平均帶寬超過了EoC局端設備吞吐量的2倍，例如在1∶4光分的情況下，每個ONU的平均帶寬為245 Mbit/s，為了不造成帶寬的浪費，可以采用每個ONU帶多個EoC局端設備，或者在EoC設備中采用信道綁定技術。

2.3 基于PON的光纖入戶

2.3.1 EPON技術分析

基于PON的網絡技術標準主要有EPON和GPON兩種，其中EPON線路速率上下行均為1.25 Gbit/s。GPON的線路速率為上下行不對稱的，下行最高可達 2.5 Gbit/s，上行最高為 1.25 Gbit/s。在有線電視網絡中和EoC結合主要是采用EPON技術，因此主要介紹EPON網絡技術。

IEEE 802 LAN/MAN標準委員會在2001年7月正式成立了IEEE 802.3ah EFM工作組，IEEE 802.3ah標準于2004年6月正式頒布。標準定義了兩種EPON的光接口：1000Base-PX10-U/D和1000Base-PX20-U/D，分別工作于10 km和20 km范圍。標準同時定義了多點控制協議（MPCP），使EPON具備下行廣播發送，上行TDMA的工作機制。

EPON是采用波分復用技術，下行采用1 490 nm的波長，上行采用1 310 nm的波長。如果存在有線電視信號，則采用1 550 nm的波長。在下行方向，OLT發出的是以太網幀經過編碼的連續比特流，速率為1.25 Gbit/s，經光分路器到達各分支光纖上，信號光功率/幅度由于分路而變小。ONU接收到OLT發給所有ONU的比特流，解碼后根據以太網幀前導碼中的邏輯鏈路標識取出本ONU的以太網幀，送上層進一步處理。上行方向OLT授權各ONU的發送時刻和發送時間的長短，在OLT制定的發送時間里，ONU發送符合光千兆以太網物理層要求的速率為1.25 Gbit/s的比特流。

2.3.2 接入方案

對于光纖入戶應用，在按EPON系統支持的最大光分路數組網時，EPON系統內的用戶分配帶寬應該可以滿足到近、中期的業務需求，并且規劃帶寬應考慮一定的冗余，合理規劃系統帶的用戶數。

EPON系統的典型光分為1∶32，系統結構如圖3所示。經過32光分，每個ONU獲得的平均帶寬為30.625 Mbit/s，完全能夠滿足用戶接入帶寬60 Mbit/s的需求。即使按照用戶接入帶寬100 Mbit/s的標準，完全為IPTV視頻點播，考慮30%的并發，也能夠滿足用戶的帶寬需求。

圖3 EPON光纖入戶接入示意圖

在采用光纖入戶的方案設計時，除了進行帶寬測算之外，還要進行EPON系統的傳輸距離測算或者光功率測算。

EPON系統提供了兩種光接口，1000BASE-PX10和1000BASE-PX20，分別提供10 km和20 km的光接入。EPON系統的最大通道插入損耗參考值[4]見表1。

表1 EPON系統的最大通道插入損耗

EPON系統的鏈路損耗主要由光分路器的插損、活動接頭的損耗、熔接點的損耗、光纖的損耗等等組成，其中光分路器的插損占很大一部分。每個活動接頭的損耗一般按照0.5 dB來計算，所以在設計EPON系統的光鏈路時，應盡可能減少活動接頭的損耗。

2.4 接入技術比較

在前面提到的3種接入方案中，基于PON的光纖入戶方案無疑在帶寬需求和業務發展方面有很大的優勢。

從施工的角度，CMTS/Cable Modem和EoC方案相對來說比較容易，對現有的電纜鏈路可以充分利用，又不用對現有網絡做很大的改動，所以這兩種技術方案在施工層面上是有優勢的。對于光纖入戶，由于全程光纖接入，原有的電纜接入部分可能會造成浪費。并且光纖入戶需要重新進行分配網的光纖布線，尤其是用戶家中原有的電纜要改成皮纜，在施工上造成一定的難度。

為了不造成電纜的浪費，可以考慮EPON系統采用單纖兩波，廣播電視業務還是通過原有的電纜網絡接入，EPON系統只提供數據業務和視頻點播業務。這樣做的另外一個原因是單纖三波中的隔離度問題，由于有線電視信號的光功率偏高，而數據業務的光功率偏低，所以需要合波器有很高的隔離度。

下面對3種接入方案的造價做一個測算，并且僅考慮主要設備的價格，不包括施工和線路上的費用。比較前提是提供相同的接入帶寬60 Mbit/s，考慮并發率的情況下用戶平均接入帶寬為15 Mbit/s，以10 000用戶為例。由于市場上設備的價格多種多樣，因此在下面的價格測算中對設備的單價取平均值。

對于基于DOCSIS3.0的CMTS/Cable Modem技術，考慮1個含16路下行信道的板卡，采用8個信道綁定，由前面的結論可知每個板卡可帶40戶。對于1萬戶需要250個板卡，僅考慮數據業務設備，不考慮鏈路中使用的光節點和放大器等設備，其價格見表2。

表2 CMTS/Cable Modem價格測算（1萬戶）

對于基于EPON+EoC技術，考慮采用1∶16光分，每個EoC局端設備吞吐量為100 Mbit/s，由前面的結論可知，每個PON口可帶64戶，則總計需要156個PON口，即156×16=2 496個ONU和EoC局端設備，總價格在886.48萬元，平均每戶886.48元，見表3。

表3 EPON+EoC價格測算（1萬戶）

對于光線入戶的方式，由于平均接入帶寬為15 Mbit/s，可考慮采用1∶64光分來實現，所以需要10 000/64=156個PON口，1萬臺ONU，其總價格在787.2萬元，平均每戶787.2元，見表4。

表4 EPON光纖入戶價格測算（1萬戶）

由上面的價格比較可知，基于DOCSIS3.0的成本是最高的，其次是EPON+EoC，而光纖入戶反而是價格最低的。

當然，如果不提供這么高的帶寬，基于DOCSIS3.0的造價比較低。因為如果降低用戶所需的帶寬，那么一個板卡所帶的用戶數量會增加，CMTS的板卡數量同時減少，因而價格下降。對于EPON來說，無論帶寬下降多少，它的光分最高為1∶64，所以其價格不變。經過測算，如果提供的帶寬下降到4 Mbit/s，并發帶寬為0.3 Mbit/s時，DOCSIS3.0的方案價格和EPON光纖入戶的總造價相當。也就是說，隨著帶寬的增加，CMTS/Cable Modem技術的成本越來越高，而EPON的優勢也就越大。

3 結論

通過本文分析可知，在過去低速率帶寬的情況下，CMTS/Cable Modem和EoC技術還是一種比較經濟、合適的接入手段。但是在三網融合的背景下，在高速率帶寬的情況下，光纖入戶已經成為趨勢，也將成為廣電和電信在業務競爭上所必須采取的業務承載方式。

[1]王慶，胡衛，程博雅，等.光纖接入網規劃設計手冊[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2]Data over cable service interface specifications DOCSIS 3.0-physical layer specification[EB/OL].[2011-03-04].http：//www.cablelabs.com/specifications/CM-SP-PHYv 3.0-I08-090121.pdf.

[3]金立標，張乃謙，李鑒增.面向NGB的EoC接入網技術分析[J].電視技術，2010，34（6）：57-59.

[4]YD/T 1636—2007，光纖到戶（FTTH）總體結構和總體要求[S].2007.