有線電視接入網EPON+HiNOC技術探析

萬 倩，歐陽峰，李 博，崔競飛

（國家廣電總局廣播科學研究院；國家廣播電視網工程技術研究中心，北京 100053）

當前，廣播電視網、電信網與互聯網正朝著“三網融合”的下一代廣播電視網NGB快速演進，三網融合下更加多元化的雙向數據業務需求促使廣電有線電視接入網需要通過建立回傳通道進行雙向化改造[1]。

目前有線電視接入網雙向改造技術主要有CMTS+CM，EPON+LAN和EPON+EoC[1]。CMTS+CM由于噪聲匯聚效應，對同軸電纜及接頭質量要求較高，由于CMTS的帶寬限制，可承載業務也有限。在光進銅退的大趨勢下，PON技術由于無源、電磁干擾小、運維方便、高帶寬、業務透明等特點在各級網絡中得到廣泛應用，其中EPON協議簡單，對光收發模塊技術指標要求低，系統成本較低，另外，它繼承了以太網的可擴展性強、對IP數據業務適配效率高等優點，目前EPON技術和產品均已走向成熟，進入規模應用階段。EPON+LAN是在光纖到樓的情況下采用五類線入戶，雖然網絡接入帶寬高、技術成熟、價格低，但重新入戶施工難度較大，同時對于視頻業務的QoS保障能力有限。EoC技術是在同軸電纜上傳輸以太網數據信號的技術，物理傳輸介質是同軸電纜，數據傳輸可以使用基帶傳輸技術，也可以使用調制傳輸技術。EPON+EoC是在光纖逐步向樓頭推進的趨勢下采用有線電視樓內分配網中的同軸電纜作為入戶接入手段，自然貼合了有線電視網現有結構，僅通過添加相關調制解調器等終端設備，無須重新布線，高效率低投入，易于為用戶接受。

1 EPON+HiNOC接入網

HiNOC技術是由廣電總局廣播科學研究院于2005年起聯合北京大學、西安電子科技大學等多家研究機構聯合提出的一種自主創新的高性能同軸電纜雙向接入EoC技術，實現了基于同軸電纜的860 MHz以上頻帶的高速數據傳輸，工作頻帶滿足現有及未來有線電視網絡頻率規劃要求，技術上采用16 MHz的單信道頻帶（8 MHz可擴展），符合我國廣播電視頻帶規劃的要求，支持單信道業務速率40 Mbit/s以上[2]。

EPON+HiNOC接入網結構如圖1所示，EPON網絡和HiNOC網絡分別采用中心結點全局控制的樹型拓撲結構和星型拓撲結構，下行方向是點對多點網絡，采用TDM廣播數據包，上行方向是多點對一點網絡，有著全雙工點到點的連接性，為了避免數據沖突且實現信道共享采用的是TDMA。

圖1 EPON+HiNOC接入網結構示意圖

EPON+HiNOC接入網試驗系統將選取下一代網絡與業務國家試驗床的部分區域開展規模試驗，開展以互動多媒體業務為主、順應市場發展需求的業務試驗，為面向產業化的HiNOC終端設備應用打下基礎。

試驗系統依托上海的試驗網，分前端機房內放置EP?ON網絡的匯聚設備OLT，OLT上行與總前端機房的大規模匯聚路由器ACR相連，下行將IP數據信號傳送到小區內的各個光節點ONU，再經過HiNOC網絡的局端（HB）將ONU中的IP數據信號調制成射頻信號，同時，CATV節目信號與其混合后通過原有的同軸電纜傳送到用戶家中的終端（HM），經過HM解調后，傳送給TV和PC等終端設備。

從目前實驗室的原型系統測試情況來看，系統從頻率規劃、通信體制、傳輸效率、管理控制到業務服務能力都滿足《面向下一代廣播電視網（NGB）電纜接入技術（EoC）需求白皮書》中所規定的相關要求[3]。

2 EPON和HiNOC協議探析

EPON信道特性穩定，光纖受外界干擾小，采用基帶信號傳輸，能在長距離、高速率的傳輸中保持低誤碼率，各ONU距OLT光纖路徑的不同決定了需要通過測距進行線路延時補償。HiNOC由于采用了860 MHz以上同軸電纜帶外信道，存在多徑效應、差異性大和噪聲小的特點，多徑效應決定了系統采用OFDM，差異性大且時變緩慢決定了各子載波可自適應調制，噪聲小決定了信道條件好的子載波頻率可采用高階調制。由此可見，同軸電纜物理信道相比光信道復雜，EPON和HiNOC MAC層的運行機制也不同。

本文重點對EPON和HiNOC技術體系協議結構以及MAC層運行機制進行分析研究。

2.1 EPON

2.1.1 協議結構

IEEE第一英里以太網EFM研究組于2004年4月發布了EPON標準IEEE 802.3ah，其協議參考模型如圖2所示[4]。

圖2 EPON協議參考模型

EPON協議體系結構主要是在IEEE 802.3協議體系機構的MAC控制子層加上MPCP(Multi Point Control Pro?toeol，多點控制協議)，在RS子層上加上仿真子層P2PE（Point to Point Emulation，點對點仿真），考慮Ethernet應用到公網以及運營商對網絡的運行、維護和管理需求而增加了OAM子層，針對EPON，PMD層也有所改變。

2.1.2 MPCP控制幀類型

IEEE 802.3ah中規定了MAC控制子層中的MPCP協議來實現OLT和ONU之間數據的有效傳輸。MPCP協議中控制幀類型如表1所示。

表1 MPCP協議控制幀類型

EPON MAC控制幀結構如圖3所示。

EPON的幀結構格式與IEEE的Ethernet數據幀格式兼容，并在Ethernet幀中加入時間戳、LLID等信息。LLID是EPON系統分配給通過P2PE點對點仿真子層建立起來的邏輯鏈接的一種數字標識，LLID只用于辨別鏈路，并不能代替VLAN，當幀到達端口后，就會去掉該幀的LLID，并進入MAC層。

圖3 EPON MAC控制幀結構

2.1.3 MPCP運行機制

MPCP運行機制具體包括自動發現和帶寬分配兩部分內容。

1）自動發現

OLT為了發現新激活的ONU，MPCP需要周期發起發現過程。自動發現的交互流程如圖4所示[4]。

圖4 自動發現交互流程

由圖4可見，OLT廣播GATE幀進行發現授權；未注冊的ONU收到后隨機延遲一段時間，再發送REGIS?TER_REG幀進行注冊請求；OLT收到后便為其分配LLID，再發送REGISTER幀給新發現的ONU進行注冊，然后向新ONU發送GATE幀進行普通授權；新ONU收到后回送REGISTER_ACK幀進行注冊確認，OLT收到后便完成了整個注冊過程。在此過程中，OLT可以要求ONU重新執行發現進程并重新注冊。同樣，ONU也可以通知OLT請求注銷，然后通過發現進程進行重新注冊。

在發現窗口期間EPON的上行通道中不能傳輸正常的業務，在發現時隙內未初始化的ONU通過隨機時延避免發送的REGISTER_REQ消息沖突，發現窗口至少與發現時隙同樣大小，考慮到EPON的最大距離為20 km，發現窗口≥發現時隙+200 μs。

2）帶寬分配

注冊以后為了維持OLT和ONU之間的通信，MPCP要給每個ONU提供周期性的授權。帶寬分配機制依賴于授權消息GATE幀和請求消息REPORT幀。GATE消息用于OLT給ONU分配時隙，REPORT消息用于ONU向OLT獲取時隙或者請求時隙。DBA（Dynamic Bandwidth Allocation，動態帶寬分配）的實現流程如圖5所示[4]。

圖5 DBA實現流程

OLT收到承載ONU帶寬請求信息的REPORT幀后根據一定的DBA算法給各ONU發送GATE幀實現動態帶寬分配。

由于各ONU距OLT光纖路徑的不同和各ONU元器件的不一致性造成OLT與各ONU間的環路時延不同，而且由于環境溫度的變化和器件老化等原因，環路延時也會發生不斷的變化，因此需要通過測距對時延差異進行補償，EPON通過GATE/REPORT機制完成測距，即測量ONU的物理距離，通過把所有ONU都調整到與OLT相同的邏輯距離處再進行時分復用來避免沖突，確保不同ONU所發出的信號能夠在OLT處準確地按時隙復用在一起。

2.2 HiNOC

2.2.1 協議結構

HiNOC協議棧如圖6所示[5]。

圖6 HiNOC協議棧

HiNOC MAC層包括CPS（Common Part Sublayer，公共部分子層）和CS（Convergence Sublayer，匯聚子層），CS子層主要實現與高層的適配，通過HIMAC幀承載以太網MAC幀，CPS主要實現接入控制和帶寬分配。

2.2.2 幀類型

這里主要分析MAC層幀類型和物理層幀類型。1）MAC層幀類型

HiNOC MAC層分為控制幀、數據幀和信令幀。

（1）控制幀

控制幀用于實現信道預約和信道分配功能，包括MAP幀和預約幀，功能詳見表2。

表2 HIMAC控制幀

（2）數據幀

數據幀用于承載上層以太網業務，數據幀的幀結構與控制幀相同。

（3）信令幀

信令幀用于結點接納、結點退出和鏈路維護中信令的交互，分為下行信令幀（功能詳見表3）和上行信令幀（功能詳見表4）。

表3 下行信令幀

表4 上行信令幀

2）物理層幀類型

HiNOC物理層共分為4類幀：下行數據幀（Dd幀）、上行數據幀（Du幀）、下行探測幀（Pd幀）以及上行探測幀（Pu幀）。

（1）控制幀和數據幀的封裝方式

控制幀和數據幀利用PHY層的Dd/Du幀承載，封裝在Dd/Du幀的472 bit或432 bit的整數倍負載段中，若負載段長度不超過472 bit或432 bit的整數倍，則填充，封裝方式如圖7所示。

根據不同信道條件，Dd/Du幀的負載段會選擇進行BCH前向糾錯編碼或者不進行前向糾錯編碼，各子載波根據其所在頻點的信道狀況，對數據自適應地采用QPSK～1024QAM映射方式中的一種，負載段最多包含256個OFDM符號。

（2）信令幀的封裝方式

信令幀利用PHY層的Pd/Pu幀承載，封裝在Pd/Pu幀的720 bit信令數據中。若信令幀長度不超過720 bit，則填充至720 bit，封裝方式如圖8所示。

圖8 信令幀的封裝方式

信令幀不進行前向糾錯信道編碼，擾碼完成后直接進行抗干擾能力強的DQPSK映射，再調制到兩個OFDM符號的有效子載波上。

2.2.3 MAC運行機制

MAC運行機制包括結點接納和帶寬分配兩個主要步驟。

1）結點接納

結點接納過程是指一個新的HM設備上電（或初始化）后，加入到現有HiNOC網絡的過程，接納過程如下：

（1）進行網絡搜索，HB利用Pd發送空幀，新的HM進行下行信道訓練。

（2）交互接納請求和接納響應幀。

（3）進行接納確認。

（4）交互下行信道訓練報告，主要完成下行信道報告幀的交互。

（5）進行上行信道訓練。

（6）交互上行信道訓練報告，主要完成上行信道報告幀的交互。

（7）發布新的廣播信道參數。

（8）穩態，新結點完成接納，開始收、發MAC層數據。

2）帶寬分配

信道訪問控制與帶寬分配機制如下：

（1）各個HM必須先接納到HiNOC網絡后，才能訪問信道。

（2）HM被接納到網絡后，其對信道的訪問完全在HB的集中控制下進行。

（3）HB將信道劃分為在時間軸上連續且互不重疊的時間段，每個時間段稱為一個MAP（Media Access Plan，媒質接入規劃）周期。在每個MAP周期中HB通過發送一種特定的MAP幀向各結點發布下一MAP周期的起止時刻以及該周期內的信道分配策略。

（4）各HM通過預約/許可機制實現信道訪問。在每個MAP周期內，HB為HM分配預約幀發送時隙，HM利用各自的預約時隙向HB預約信道。HB收到預約幀后，通過MAP幀發布信道分配方案，HM根據MAP幀判斷是否獲得了接入許可，并按照MAP分配的時隙收發相應信息。下行數據不需要預約信道，由HB直接在MAP幀中規定發送時隙，各HM通過接收MAP幀知道何時接收下行數據幀。MAP周期與Pd幀、Pu幀的關系如圖9所示。

HiNOC網絡以Pd幀的起始時刻作為網絡統一的時間基準，每個MAP周期起止時刻均是相對于所屬Pd周期中Pd幀起始時刻的偏移時間，在Pd幀中指出了其后第一個MAP幀的起止位置，MAP周期不能跨越Pd和Pu幀。

圖9 MAP周期與Pd/Pu幀的關系

3 小結

由于EPON和HiNOC的物理信道特性不同，MAC層運行實現機制各異。在帶寬分配策略方面，為了避免沖突，EPON上行信道接入采用非沖突的集中式，定義了與具體DBA算法無關的支撐機制MPCP，通過MAC控制幀實現EPON中各種帶寬分配方案，同時實現網絡啟動和測距等功能；而HiNOC則定義了預約/許可機制實現靈活的帶寬分配策略，其中MAC層的控制幀和數據幀利用PHY層的Dd/Du幀承載，MAC層的信令幀利用PHY層的Pd/Pu幀承載，不同類型的PHY幀采用不同的組幀方式，提高信道利用率的同時可更好地實施QoS管理。

在三網融合的大背景下，面向FTTB的應用場景下廣電運營商采用EPON和HiNOC技術有助于綜合利用網絡資源，快速完成NGB接入層的建設，減少重復建設，節約建設和運維成本。本文基于EPON+HiNOC雙向改造方案，對EPON和HiNOC的網絡拓撲、協議結構以及MAC層運行機制進行了比對分析，為有線電視接入網雙向改造方案的選擇提供技術參考。

[1]國家廣播電影電視總局科技司.有線電視網雙向化改造指導意見[EB/OL].[2011-12-01].http://wenku.baidu.com/view/4fe87c5577232f60ddcca183.html.

[2]歐陽峰，崔競飛.HiNOC技術概述和進展[J].電視技術，2011，35（12）：11-13.

[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[EB/OL].[2012-02-01].http://wenku.baidu.com/view/23cccaf9aef8941ea76e05cf.html.

[4]陳雪，孫曙和，劉東，等.基于以太網的無源光網絡[M].北京:北京郵電大學出版社，2007.

[5]張冰.流媒體業務的寬帶接入與擁塞控制技術研究[D].西安:西安電子科技大學，2008.