一種點對點百兆入戶的同軸接入技術

張 斌，秦幸堅，陸曉蘇，杜延霞，王春華

（1.上海大學 特種光纖與光接入網實驗室，上海 200000；2.蘇州云普通訊技術有限公司，上海 200000）

一種點對點百兆入戶的同軸接入技術

張 斌1，秦幸堅2，陸曉蘇2，杜延霞1，王春華1

（1.上海大學 特種光纖與光接入網實驗室，上海 200000；2.蘇州云普通訊技術有限公司，上海 200000）

結合基帶EoC的星形交換網絡拓撲和有源EoC的高頻譜利用率的優點，提出并實現了一種基于EoC（Ethernet over Coax）技術的獨享百兆入戶的寬帶同軸接入技術P2P-ECAN（Point-to-Point Ethernet Coax Access Network）。全面闡述了該ECAN技術的系統結構、關鍵技術，并對網絡性能進行了測試，測試結果表明該技術具有低成本、帶寬寬、時延小的優點，完全滿足廣電下一代接入網的傳輸要求。

EoC；ECAN；時延小；吞吐量；點對點

隨著國家“三網融合”[1]和廣電網絡雙向化改造的不斷推進，高速上網、高清廣播電視、IPTV、VoIP、VoD等多種業務成了接入網的主要業務,在有線電視網絡正向下一代廣播電視網絡（Next Generation Broadcasting Network，NGB）演進的過程中，EoC技術成為眾多有線電視網運營商的主要選擇。

EoC技術主要分為非調制EoC與調制EoC兩類。非調制EoC[2]是無源系統，設備簡單，維護方便，可以提供10 Mbit/s的獨享帶寬。10 Mbit/s帶寬雖然能實現一般網絡的接入需求，但對于NGB業務，如超高清視頻、3D等業務，10 Mbit/s的接入速率顯然不能滿足要求。調制EoC技術主要采用各種調制技術實現傳輸頻譜的高效利用率，從而提高接入速率。調制EoC技術種類眾多，主要有HomePlug AV[3]、MoCA[4]、WiFi over Coax[5]等技術。在家庭電力線網絡聯盟HomePlugAV[3]系統中，MAC層采用CSMA/CA或TDMA方式，物理層采用正交頻分復用（OFDM）調制方式，通過7.5～30 MHz的頻段傳輸以太數據信號。在同軸電纜多媒體聯盟MoCA[4]系統中，MAC層采用TDMA方式，物理層采用自適應星座圖多載波調制ACMT方式，該方式隸屬OFDM調制，并采用Entropic技術的C-Link作為MoCA1.0規范的依據。在降頻WiFi[5]系統中，MAC層使用CSMA/CA協議，物理層使用OFDM調制方式，通過降頻將2.4 GHz下變頻至1 GHz左右，耦合到同軸電纜中傳輸。調制EoC技術雖然都能提供100 Mbit/s雙向帶寬，但由于帶寬共享的網絡拓撲結構，在高峰時段的用戶帶寬會非常不理想。

本文結合基帶EoC的星形交換網絡拓撲和有源EoC[6]調制技術的高頻譜利用率的優點，提出并實現了一種基于EoC（Ethernet over Coxa）技術的獨享百兆入戶的帶寬同軸接入技術P2P-ECAN（Point-Point Ethernet Coax Access Network），實現了同軸用戶獨享百兆接入的目標。P2P-ECAN技術工作于5～65 MHz低頻段，MAC層結合交換技術與IEEE802.3ah協議，實現下行交換、上行時分復用的技術方案，物理層采用單載波殘留邊帶調制n-VSB（Vestigial Sideband）。以下就ECAN技術的獨享百兆入戶點對點同軸接入方案的系統結構、性能測試及其優于現有技術的特點進行詳細的介紹和討論。

1 系統結構

1.1 P2P-ECAN網絡拓撲

系統方案的典型應用拓撲如圖1所示。P2P-ECAN一般與EPON網絡聯合應用，P2P-ECAN系統由局端設備（Multi-Dwelling Unit，MDU）和終端用戶設備（Coax Network Unit，CNU）構成，網絡拓撲為星型結構，即局端設備MDU與各終端CNU可實現點對點連接。

圖1 P2P-ECAN網絡拓撲

圖1中，下行數字業務首先由EPON網絡的線路終端設備（Optical Line Terminal，OLT）經無源光網絡（Passive Opti?cal Network，PON）傳送到光網絡終端設備（Optical Network Unit，ONU）。ONU與MDU通過GE（GigabitEthernet）口相連，MDU將以太數據調制到同軸線，以太幀格式全程遵循IEEE802.3ah協議。MDU將高頻段的廣播電視信號和調制后的以太數據信號通過雙工濾波器混合后送入同軸線路中傳輸。其中，MDU通過以太數據幀中的邏輯鏈路標識LLID（Logic Link Identification）綁定用戶終端的MAC地址和MDU的各端口MAC地址，從而實現在MAC層的數據轉發。MDU使用n-VSB殘留邊帶調制技術，調制后的數據業務信號占用低頻頻段為5～65 MHz，廣播電視業務信號占用65～870 MHz頻段；混合后的信號通過同軸網傳輸到用戶端，由CNU接收，分離出的廣播電視信號送至用戶電視機，分離出的數據信號由CNU解調并輸出至用戶數據終端設備。

1.2 MDU的子層結構

如圖2所示，局端MDU主要包括交換芯片與FPGA實現的MAC層、物理層芯片以及雙工濾波器。輸出端口數可根據用戶環境調整。

MDU中的數據流程下行方向：以太網數據由GE口進入交換芯片，在交換芯片中完成數據的轉發分配，轉發分配后的數據分別通過MII（Media Indepedent Interface）接口送入由FPGA實現的MAC層模塊中。

圖2 MDU子層結構框圖

FPGA設計實現的MAC層功能是：上下行帶寬分配、IEEE802.3ah協議幀的轉換封裝、用戶注冊以及數據的排隊轉發等。物理層芯片中采用4-VSB調制方式，將接收數據調制到5～65 MHz的頻帶上，進而通過雙工濾波器完成有線電視信號和數據信號的合成，然后通過同軸F接口輸出至用戶終端。

上行方向：從CNU發出的用戶信號，經由雙工濾波器，進入物理層芯片模塊，解調出數據信號，再送入FPGA模塊，對接收到的用戶數據提取出本地的MPCP（Multi-Point Control Protocol）控制信息和OAM（Operation Administration and Main?tenance）管理信息，還原出IEEE802.3以太數據，送入交換芯片，在交換芯片中完成數據的轉發，并通過GE口將信號發出。

1.3 MDU的MAC層及FPGA設計架構

P2P-ECAN技術采用TDD時分雙工模式，協議時域上由DBA（Dynamic Bandwidth Allocation）周期構成，如圖3所示。DBA周期由下行時段TDS和上行時段TUS兩部分構成。上下行分配比可以根據業務需求進行更改。一般而言，DBA周期越大，控制開銷所占比例越少，帶寬利用率隨之提高，但是數據時延相應增加。DBA周期越小越有利于降低數據延遲，但帶寬利用率會有所下降。下行數據由綁定的LLID地址直接存儲轉發，上行則采用TDMA協議。

圖3 MDU DBA周期

由于上行采用TDMA接入方式，局端MDU與用戶終端設備CNU需要保持同步，才能保證信息的正確傳輸。P2P-ECAN以MDU時鐘作為參考時鐘，CNU依據MDU時鐘，通過RTT（Round-Trip Timing）技術調整自己的時鐘，實現網絡同步。

FPGA實現的MAC層功能如圖4所示。

圖4 FPGA架構框圖

該架構主要由下行接收模塊DN_RX、隊列 模 塊 PKT_LEN_FIFO、調 度 模 塊DN_TX_ARB、下行發送模塊DN_TX、計時模塊TIM_CTRL、監測模塊RGS_CTRL、多點控制協議報文生成模塊MPCP、上行接收模塊UP_RX、上行發送模塊UP_TX和寄存器REG_CONFIG組成。上下行工作及注冊流程如下：

1）下行數據流

DN_RX首先從Switch TX接口接收數據包，然后解析該數據包。對于FE OAM報文，提取相關信息，然后生成寄存器讀/寫命令到REG_CONFIG寄存器；對于數據報文，則發送到FIFO隊列，一方面獲取數據報文的長度，另一方面將數據報文進行緩存，由調度模塊DN_TX_ARB判斷此時間段是否適合發送該數據報文，如果符合，則直接下發，反之則選通MAC MII接口的TX_CLK產生背壓，停止發送，等待該報文的發送時間。其中，DN_TX_ARB是用于下行分組調度的核心模塊，首先負責同軸信道傳輸的半雙工控制，調整上下行時隙分配。其次，產生數據包的注冊過程和用戶帶寬分配。多點控制協議報文生成模塊MPCP由TIM_CTRL計數模塊提供計時信息，如開始時間等，生成MPCP報文。TIM_CTRL模塊為DN_TX_ARB模塊提供定時控制信號，根據用戶的配置參數，如周期長度和TDS/TUS，產生下行開始、下行結束、上行開始、上行結束等標志，也產生系統時間戳來保持系統的同步。數據包最終由發送模塊DN_TX發送到PHY MII接口。

2）上行數據流

上行接收模塊UP_RX接收來自PHY層的數據包，首先從數據流中過濾出MPCP管理信息，得到用于寄存器狀態的必要信息，同時提取時間戳信息用于環路時延RTT計算，最后將還原的以太數據包直接經發送模塊UP_TX送至Switch RX接口。

3）注冊流程

因為只有一個終端設備CNU接入，對于每一個周期，DN_TX_ARB都會為該CNU終端生成一個發現窗口和注冊表，CNU則產生REGISTER_REQ/REGISTER_ACK，如果局端MDU收到REGISTER_ACK，則注冊完成。RGS_CTRL模塊會繼續監測每個周期報告中的數據包，如果報告丟失了一定的數據包，則終端CNU必須重新開始注冊。

1.4 MDU的物理層

同軸局端MDU物理層模塊分為上行、下行兩部分，如圖5所示。

圖5 MDU物理層結構框圖

在下行鏈路中，待發送數據模塊EOC_MII_TX接收來自FPGA的以太數據流，前向糾錯編碼模塊FEC_ENCODER接收數據后，將其封裝為物理層數據幀格式，經過擾碼、里德-所羅門RS（188，204）前向糾錯編碼后，由調制模塊MOD實現信道調制，之后采用8 bit數模轉換模塊DAC（采樣率為250 MHz），將數字信號轉換為適合同軸電纜傳輸的模擬信號。然后模擬信號經過低通濾波器LPF_TX濾除工作頻帶以外的噪聲，再由功率放大器PA進行信號放大，使輸出信號電平工作于-11 dBm，3 dBm或4.5 dBm這3個發送功率點之一，以適應不同應用環境下的75 Ω同軸電纜傳輸。

數據上行鏈路中，從75 Ω同軸電纜上傳的功率范圍為-63～-3 dBm的寬頻帶信號首先經由低噪聲放大器模塊LNA接收，LNA可提供0 dB和20 dB兩種增益。與下行發送信號相似，通過低通濾波器LPF_RX濾除帶外噪聲干擾后，信號經過可變增益放大器模塊VGA，其放大增益為0～40 dB，以1 dB增益步進增加。放大后信號經模數轉換，峰峰值可達500 mV，將模擬信號轉換為8 bit一組的數字信號，數字信號進一步通過自動增益控制AGC、時間恢復環TRX、均衡器EQU等模塊，實現信道解調。前向糾錯解碼器FEC_DECOD?ER進行RS（188，204）的解碼并對數據進行去擾，最后由接收數據模塊EOC_MII_RX通過數據線RX_D[3:0]送至MAC層。

2 P2P-ECAN系統性能測試

測試系統的框圖架構如圖6所示。其中，由Smart?bits600B產生的以太數據送入MDU，經同軸網絡下發至終端CNU，CNU接收的數據則返送回至Smartbits600B。測試中，使用可調衰減器可對系統的傳輸鏈路衰減進行動態調整。

圖6 P2P-ECAN測試系統圖

測試中使用的局端MDU有7路速率性能相同的輸出端口。測試中輸出端口為任選，鏈路衰減為20 dB。設置調制方式為4-VSB，DBA周期為1 ms，上下行時段比例為1∶1。測試中設置對應包長分別為64 byte，128 byte，256 byte，512 byte，1 024 byte，1 280 byte和1 518 byte，測試得到的系統上下行吞吐量如圖7所示。由測試結果可知：系統帶寬不受包長影響，上下行總吞吐量保持在100 Mbit/s左右。家庭用戶達到百兆接入帶寬，可充分滿足超高清視頻、虛擬現實、智能家居等超寬帶業務的帶寬需求。

圖7 上下行吞吐量測試數據

圖8、圖9分別給出了在測試包長為64 byte，128 byte，256 byte，512 byte，1 024 byte，1 280 byte，1 518 byte的情況下，系統的下行和上行的最大時延、最小時延和平均時延的測試結果。由測試結果可以看出：系統的傳輸時延與包長成正比，且上下行的最大時延都在2 ms以下。如今VoIP電話、視頻電話和視頻會議等語音業務都是一種面向連接的實時業務，對帶寬有一定的要求，同時對時延要求更為嚴格，不影響VoIP電話、視頻電話和視頻會議等業務的最大時延為20 ms。網絡游戲業務也是一種實時的面向連接的業務，不僅要求足夠的帶寬，同時也要求足夠小的時延，讓普通游戲玩家接收的最大時延為20 ms。互動的SDTV和HDTV電視點播同樣是有限電視網絡的一項基本業務，同樣也對時延具有嚴格的要求，要求最大時延為30 ms。由上可見，此系統最大時延2 ms大大滿足了各項業務需求，具有良好的網絡性能。

圖8 下行時延測試數據

圖9 上行時延測試數據

3 小結

為滿足國家廣電總局的NGB帶寬網絡傳輸要求以及針對目前EoC技術的不足，本文提出并實現了一種P2P-ECAN技術方案。P2P-ECAN利用系統局端MDU的數據交換和n-VSB調制的高效頻譜利用率，可保證每個接入用戶都可以實現100 Mbit/s的帶寬接入速率，實現百兆同軸入戶帶寬。

P2P-ECAN具有傳輸時延小，最大上下行時延分別小于2 ms和1 ms，提高了系統性能，完全可以滿足國家廣電總局提出的NGB業務的帶寬需求。P2P-ECAN可充分利用現有的同軸網絡資源，實現帶寬接入，無需額外布線，節約了資源。P2P-ECAN還具有良好的技術兼容性，可無縫銜接基帶EoC和目前的ECAN技術。

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張 斌（1989—），碩士生，主研接入網及通信協議；

秦幸堅（1981—），工程師，主研嵌入式軟件開發與網管架構；

陸曉蘇（1981—），工程師，主研通信協議及硬件開發；

杜延霞（1991—），女，碩士生，主研接入網及通信協議；

王春華（1963—），女，教授，主研光纖通信、光通信及光網絡。

責任編輯：許 盈

Point-to-Point 100 Mbit/s Access Technology over Cable Network

ZHANG Bin1,QIN Xingjian2,LU Xiaosu2,DU Yanxia1,WANG Chunhua1
（1.Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks,Shanghai University,Shanghai 200000，China；2.Suzhou WINPAL Communication Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200000，China）

A novel EoC（Ethernet over Coax）technology P2P-ECAN（Point-to-Point Ethernet Coax Access Network）is proposed and implemented.Combing the star topology of passive EoC and the high spectrum utility of active EoC, P2P-ECAN can achieve over 100 Mbit/s broadband access for each subscriber.The detailed analysis of the structure of the system,key technologies are presented.Moreover,the system performance is tested.The experimental results prove that the technology features with low coast,broad bandwidth,low latency,and fully meet the requirement of access network over cable TV.

EoC;ECAN;low latency;throughput;P2P

TN949.6

B

10.16280/j.videoe.2015.04.012

2014-07-06

【本文獻信息】張斌，秦幸堅，陸曉蘇，等.一種點對點百兆入戶的同軸接入技術[J].電視技術，2015，39（4）.