面向多場景應用的新型光纖同軸混合接入技術

趙輝 劉躍 張誠

摘要：同軸電纜網絡是中國信息基礎設施的重要組成部分，具備傳輸容量大、入戶率高、室

內接口廣泛等優勢。基于高性能同軸電纜網絡（HINOC）的光纖同軸混合接入技術可以充

分發揮同軸電纜優勢，提供高速、可靠、可管理運維的入戶管道，并可以在室內進行滲透組

建家庭互聯網絡，支撐多種場景的業務部署和應用。

關鍵詞：無源光網絡;HINOC;服務質量;信道均衡;網絡管理

Abstract： Due to the advantages of large channel capacity and high household penetration rate， coaxial cable network is one of the important components of Chinas information infrastructure. The hybrid fiber coaxial access technology based on High Performance Network Over Coax （HINOC） can fully utilize the advantages of coaxial cable， and change it to a high-speed， reliable and manageable communication pipeline. This technology can be used to establish an excellent performance access network or home Internet， which supports multi-application scenarios.

Key words： passive optical network; HINOC; quality of service （QoS）; channel equalization; network management

當前中國新一代信息技術支撐的數字經濟進入快速發展階段，信息基礎設施建設成為拉動經濟增長的新支點。伴隨著“寬帶中國”“超高清視頻產業發展行動計劃”等系列國家戰略的實施落地，加快打造室內高速通信通道和網絡成為信息領域發展關鍵。室內高速通信通道和網絡不僅是新業態、新技術的重要組成部分，更是搶占新興產業發展制高點、推動傳統產業升級賦能的重要引擎。

有效、優質的入戶管道是運營商提供寬帶網絡服務的“生命線”。中國骨干網已基本實現“全光化”，而用戶側最后一段信息點連接呈現“因地制宜”式發展。從目前市場情況來看，實現有線寬帶接入的介質包括雙絞線、電力線、光纖和同軸電纜。從覆蓋規模上來看，光纖、同軸是目前市場主流的2種接入介質，單從介質本身而言，兩者并無本質優劣差異。由于用戶環境的復雜性，尤其在一些老舊小區內，目前相當一部分光纖入戶只到樓頭，光纖入戶較為困難;同軸電纜擁有千億存量資源，幾乎實現了100%入戶，同時還滲透到室內各個主要的活動場所。

作為泛在的信息接入口，同軸電纜業務承載能力強，容易部署升級，符合“一線多能”的要求;然而由于同軸傳輸技術的限制，同軸電纜并沒得到充分利用，未發揮其全部價值。本文中，我們將對光纖同軸混合接入技術的發展現狀進行分析，提出了基于高性能同軸電纜網絡（HINOC）的新型光纖同軸混合接入技術。該技術可用于構建寬帶接入或智慧家庭互聯網絡，支撐多種場景的業務部署和應用。

1 光纖同軸混合接入技術

同軸電纜是一種泛在的入戶介質。除了用于有線電視信號的單向廣播傳輸之外，中國多數同軸電纜網絡已完成雙向化改造，可用于光纖同軸混合接入，承載雙向互聯網協議地址（IP）業務。

1.1 傳統的光纖同軸混合接入

技術

目前，中國普遍使用的光纖同軸混合接入技術可以分為2類：一類是基于混合光纖同軸電纜（HFC）網絡的有線電纜數據服務接口規范（DOCSIS）技術，一類是無源光網絡（PON）+同軸電纜網以太網傳輸（EoC）的兩級組網技術，具體如圖1所示。

DOCSIS技術在美國有線運營商網絡中得到了廣泛部署。DOCSIS網絡的局端設備電纜調制解調器終端系統（CMTS）和終端設備電纜調制解調器（CM）通過HFC網絡相連。其中，光纖分配網絡與同軸分配網絡之間需要負責光電信號轉化的光節點設備，每個光節點下的同軸網絡中可以支持一級或多級有源放大器。采用HFC的網絡拓撲結構，可以增強單個CMTS設備的地理覆蓋能力和終端數目支持能力，但這種光纖同軸一體式的網絡結構容易導致局端設備昂貴、上行帶寬不足、上行噪聲匯聚等問題。

PON+EoC技術在中國多數省市得到廣泛部署。光纖和同軸2種不同介質的分配網絡可獨立選擇不同的網絡傳輸技術：光纖分配網絡可選用以太網無源光網絡（EPON）、吉比特無源光網絡（GPON）、10 Gbit/s以太網無源光網絡（10 G EPON）、10 Gbit/s無源光網絡（XG-PON）等PON網絡技術，光網絡終端（ONU）光節點更靠近用戶側，通常位于樓頭或者樓道，即光纖到樓（FTTB）;同軸分配網絡可選用家庭插座電力線聯盟電力線通信技術（Homeplug AV）、同軸電纜多媒體聯盟通信技術（MoCA）等多種EoC網絡技術，起到最后100 m的入戶功能，且分配網絡中通常不含有源放大器，信道質量更佳。采用光纖同軸級聯的接入方式，具有組網靈活性強和建設成本低的優勢。然而，目前EoC技術繁雜，且存在服務質量（QoS）保證能力差、網絡總體帶寬不足以及網絡管理不完備的缺點。

1.2 基于HINOC的新型光纖同軸混合接入技術

如圖2所示，當前同軸傳輸技術可以分為DOCSIS、傳統EoC以及HINOC 3類技術。

DOCSIS從百兆的1.0技術版本已經逐漸發展到萬兆的3.1技術版本，DOCSIS 3.0的簡化版本C-DOCSIS可用于PON+EoC的網絡結構，但仍然具備上文所述問題：傳統EoC技術種類繁雜，均源自于歐美地區的家庭互聯技術，多數技術的傳輸帶寬在數百兆比特每秒，且寬帶業務的QoS保證能力欠缺。

HINOC是針對中國有線同軸網絡特性研發的唯一具有完備自主知識產權的新型同軸寬帶通信解決方案，HINOC 2.0技術傳輸速率可達1 Gbit/s，支持信道綁定，具備靈活的管理和控制機制，性能指標遠超同類同軸通信技術。目前，中國已有3家芯片廠商、10余家設備商、10余家省網運營商開展了HINOC小規模試點應用。本文中，我們提出的基于HINOC的新型光纖同軸混合接入結構如圖3所示：光纖分配網絡采10 G無源光網絡技術，同軸分配網采用千兆HINOC技術。基于HINOC大帶寬、低時延以及豐富的管理控制接口，可實現最后100 m的寬帶入戶。

2 HINOC技術特點

HINOC 2.0技術在2016年形成中國廣播電視行業標準GY/T297-2016，并被國際電信聯盟電信標準分局（ITU-T）發布為J.196標準族，其主要技術指標如表1[1]所示。

HINOC技術可為業務傳輸提供全方位QoS保證，并針對網絡管理擁有完備解決方案，相較于之前的寬帶接入傳輸技術，其技術創新性主要體現在如下3個方面：

（1）吉比特寬帶傳輸。吉比特寬帶的傳輸可以選擇同軸電纜信噪比較高的高頻段，通過介質接入控制（MAC）層和物理層的高效通信機制設計，在128 MHz單信道內最高可提供1.14 Gbit/s的傳輸速率，頻譜效率達到8.87 bit/（s·Hz）。通過信道綁定的方式，局端可以實現更高速率的傳輸。

（2）毫秒級超低延遲。毫秒級超低延遲可以針對用戶需求，優化接入控制，通過獨有的調度機制實現了2.5 ms以內的平均延遲和1 ms以內的平均抖動，以滿足未來4 K超高清視頻/虛擬現實/增強現實等新型業務對于時延的嚴格要求。

（3）電信級運維管控。電信級運維管控支持豐富的管理控制指令，可對任意特征的數據流進行精細控制;可根據用戶實時的帶寬需求實現動態分配，并對網絡的實時環境進行監測控制，實現智能告警、故障溯源、網絡優化等。

2.1 物理層技術特點

根據同軸信道的特點，HINOC物理層設計采用了正交頻分復用（OFDM）與自適應調制編碼技術，并配合分布式的信道均衡技術，以最低的資源代價，有效克服單頻干擾、沖擊噪聲、多徑效應等信道噪聲，實現穩定和高效的物理層傳輸，從而達到頻譜效率和系統穩定性的最優。

2.1.1 OFDM與自適應調制編碼技術

因為OFDM的技術優勢以及硬件計算資源的發展，OFDM調制技術近年被廣泛應用于最新的通信系統之中，其技術優勢體現在如下的幾個方面[2]：

（1）作為多載波調制技術，OFDM中各個子載波之間相互正交，所以允許子載波頻譜重疊，相對于傳統的多載波技術頻譜效率大大提高。

（2）OFDM信號的調制和解調可以通過快速傅里葉反變換和快速傅里葉變換來實現，實現起來簡單。

（3）引入循環前綴，將OFDM信號解調時候的線性卷積變成圓周卷積，根據傅里葉變換的性質，信道的多徑效應的影響只需要簡單的一階均衡即可去掉，在對抗信道的多徑方面有先天的優勢，同時在進行頻域信道均衡方面也非常方便。

（4）OFDM技術中數據信息都是通過子載波進行承載，所以可以方便地與其他接入方式相結合，構成OFDMA系統，使多個用戶同時使用一個OFDM符號中的不同子載波組進行數據傳輸，使用方式靈活。

HINOC采用的OFDM技術除了以上提到的技術優勢之外，還可將OFDM技術和自適應調制編碼技術相結合，最大程度地發揮OFDM技術的性能優勢。對于模擬帶寬較大的通信系統中，往往存在頻率選擇性衰落或者窄帶干擾，導致不同頻點的信道信噪比不同。對于OFDM系統，每個子載波所在的子信道的帶寬往往小于信道的相干帶寬，在子信道內部可以認為通道響應和噪聲水平不變，所以各個子信道可以根據其信噪比情況自適應地選擇調制格式，同時也可以根據整體噪聲水平自適應選擇整個系統的糾錯編碼格式，以達到系統的最大傳輸性能。HINOC技術綜合系統性能和資源，采用將子載波進行分組然后進行自適應調制的方式，同時采用不同糾錯能力的2種碼長的BCH信道糾錯編碼，根據信道狀況進行選擇使用，以達到最佳的系統性能和資源的平衡。

2.1.2 分布式信道均衡技術

HINOC的幀類型主要分為探測幀和數據幀，如圖4所示。其中，探測幀周期性發送，由固定的同步頭及2個OFDM符號組成，用于維持系統的收發同步和信令交互。探測幀采用四相相對相移鍵控（DQPSK）調制格式，既便于數據的可靠解調，又便于進行盲信道估計，提取出每個子載波的信道的幅度和相位信息，用于信道均衡。

針對同軸信道隨時間緩變的特征以及用戶長期在線的特點，HINOC設計了分布式信道均衡機制[3]。在HINOC系統中，該機制采用多個探測幀進行分布式聯合信道估計，對于每個探測幀估計出的頻域幅度和相位信息，進行加權平均，以此提高信道均衡的精度，同時也降低了用于信道估計的數據幀中導頻的開銷。在進行數據幀解調時，信道均衡的幅度信息則直接采用加權平均的幅度，但因OFDM符號采樣點起始偏差以及載波頻率起始偏差，相位信息需要使用數據幀中少量的導頻進行偏差糾正。在分布式信道均衡技術的支撐下，HINOC技術達到系統解調性能以及協議效率的同時優化。

2.2 MAC層技術特點

HINOC提供精細的QoS保證機制，可通過數據包的任意特征，如MAC地址、虛擬局域網（VLAN）ID、服務類別（COS）、差分服務代碼點（DSCP）、IP地址、IP上層協議類型、傳輸控制協議（TCP）/用戶數據報協議（UDP）端口號等，進行不同的可定制的QoS保證。QoS保證的技術原理如圖5所示，包括：流識別、流量控制、優先級設定、重標記以及隊列調度等。

HINOC實現了基于服務等級協議（SLA）的動態帶寬分配（DBA）功能。基于業務優先級、用戶配置的SLA模板以及終端上報的實時帶寬需求等多種維度的信息，HINOC局端可對系統的帶寬資源進行統一調度。DBA功能以單個OFDM符號時長（17 [μ]s）為基本時隙，在2.5 ms的調度周期內采用高效的時分多址（TDMA）/OFDMA多址接入方式對數據包進行調度，保證毫秒級的超低延遲與毫秒級的微小抖動。DBA最小分配顆粒度為256 kbit/s，跟蹤精度在5%以內，跟蹤速度大約為10 ms。

此外，HINOC支持組播功能，包括IPv4 Internet 組管理協議（IGMP） Snooping以及IPv6 組播偵聽發現協議（MLD）Snooping功能。組播業務可以在HINOC網絡內以組播方式優先轉發。

2.3 網絡管理

HINOC網絡管理實現對HINOC網絡、設備或功能單元的在線監測控制與管理，完成對網絡及設備的配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等網絡管理功能。位于遠端的網絡管理系統采用簡單網絡管理協議（SNMP）管理HINOC網絡及設備，HINOC局端設備（HB）內置SNMP代理，將SNMP的管理消息轉化為HINOC運維/管理/維護（OAM）消息，實現對網絡以及終端設備（HM）的管理。

HINOC網絡管理規范制定了豐富的OAM管理接口，主要包括：網絡信息采集，如同軸電纜信道的幅頻/相頻/信噪比信息、網絡與用戶的實時流量狀態、丟包統計、緩存與隊列狀態等信息;射頻參數配置接口，如工作頻點、發射功率、信道綁定模式等;QoS配置接口，如流分類配置、DBA配置、VLAN配置、組播配置;針對各種事件的主動上報消息，如設備重啟事件、上下線事件、環路事件等其他異常事件。

3 HINOC技術演進

隨著帶寬需求的增長，光纖同軸混合接入技術也需要持續升級，以適應更低的系統成本、更大的模擬帶寬、更高的頻譜效率。目前，HINOC產業鏈多家單位正在對HINOC 3.0版本進行聯合研究與設計。該版本以不低于10 Gbit/s的傳輸速率和不大于1 ms的平均傳輸延時為目標，支持不小于1 GHz的模擬帶寬，并采用全頻帶采樣技術和全雙工通信技術等通信領域的前沿技術。

3.1 全頻帶采樣技術

在傳統的模擬解調器結構中，單個系統不能實現不同路信號的有效掃描。如果需要對多路信號進行接收，則需要多套獨立的模擬射頻調制解調器以及模數/數模轉換器，還有相應的配套電路，比如模擬濾波器、電源等。這樣一來，整個系統的尺寸、功耗和成本都將大大增加，同時性能也很難滿足需求。

全頻帶采樣將整個有效帶寬內的信號完整采樣轉變為數字信號，通過高速度和高精度的轉換，可以將系統中的模擬解調器全部替換[4]。由于整個有效頻帶內的信息都進行了有效的采樣，則可以通過復雜的數字信號處理技術，如數字變頻、濾波、采樣率變化，將不同頻段的信息進行提取和后續數字信號解調，具有很大的靈活性，便于未來的頻段規劃和實際系統部署。

3.2 全雙工通信技術

傳統的通信系統，通常采用時分雙工或者頻分雙工的方式進行通信，而全雙工則是指一個通信設備同時、同頻進行信號的發送和接收，理想情況下系統的頻譜效率將會翻倍。全雙工中主要面臨的問題是信號的自干擾[5]，即由于信道衰減，發送信號功率在設備端往往遠遠大于接收信號功率，而收發隔離器或者環路器無法進行收發的理想隔離。這導致設備自身的發送信號對接收信號造成很大的干擾，接收信噪比較低，甚至無法進行正確地接收。對于同軸系統來說，自干擾消除主要在信號的模擬傳播域和數字域進行，通過增加模擬域收發信號的隔離以及在數字域采用自干擾消除算法，降低自干擾的影響，從而提高接收端信噪比和總體的頻譜效率。

4 典型應用場景

HINOC技術以IP協議棧為業務體制收斂點，在用戶側建立起靈活開放的業務環境，實現“網絡與網絡、網絡與業務”雙解耦，提供高速可靠的寬帶接入能力，將在4 K/8 K超高清視頻傳輸、第5代移動通信（5G）技術室內滲透和深度覆蓋、智慧家庭網絡等領域得到廣泛應用，如圖6所示。

4.1 4 K/8 K超高清視頻傳輸

目前，國家正在大力推進4 K/8 K超高清視頻業務的開通，各電視臺也在積極部署4 K業務。預計到2020年，4 K超高清視頻用戶數達1億;到2022年，8 K前端核心設備也將形成產業化能力，在文教娛樂、安防監測控制、醫療健康等領域實現超高清視頻的規模化應用[6]。

4 K/8 K超高清視頻這一高帶寬業務的發展使得傳統的廣播電視技術和無線WiFi都捉襟見肘，整個信息網絡需要實現IP化、寬帶化，并提供廣播級服務質量保證。同軸接口作為離電視機等用戶終端最近的接口，具有先天的傳輸優勢;而基于HINOC的光纖同軸混合接入技術可同時發揮光纖和同軸接口的泛在優勢，為超高清視頻業務提供完美的解決方案。

4.2 5G室內滲透與深度覆蓋

5G技術是針對未來爆炸性增長的移動數據流量、海量設備連接、各類新業務和應用場景等需求提出的新一代移動通信技術，其力主創建“萬物互聯”的新世界。在5G時代，超過80%的流量將來自室內用戶需求，室內移動網絡的部署和覆蓋能力將成為運營商在5G時代的核心競爭力之一。

5G工作頻段較高，室外宏基站覆蓋能力有限，而5G重要的應用場景增強移動寬帶（eMBB）需要對熱點的區域保證較高的傳輸容量（0.1～1 Gbit/s），這對于網絡覆蓋和承載網絡能力提出了很高的要求[7]。在這一背景下，實現室內多點覆蓋和超密集組網成為5G網絡的重要組網方式，具有獨立的射頻和基帶功能的小基站在未來5G室內網絡建設將成為重要的設備形態。小基站的建設需要在室內建立多個向上連接核心網的信息入口，重新部署光纖或者6類網線雖在技術上可行，但對于密集住宅樓宇室內施工難度和成本較高。同軸電纜網絡由于其潛在帶寬大，接入節點海量，可以作為5G室內滲透和深度覆蓋的重要入戶信息通道。目前成熟的HINOC 2.0接入技術可支持單通道1 Gbit/s雙向通信，平均延遲小于2.5 ms，完全可以支撐室內小基站向上的控制和業務傳輸通道。演進版本HINOC 3.0技術則將支持10 Gbit/s傳輸帶寬、小于1 ms的平均延遲，也將更好地支撐5G的室內滲透和深度覆蓋。實現同軸電纜的5G/超5G（B5G）室內滲透解決方案的產業化，有利于未來5G網絡的商用化應用和推廣。

4.3 智慧家庭

隨著物聯網、智慧家居、智能安防、超高清視頻分發等多樣化業務的逐步普及，在家庭內部建立一個高速可靠的信息通信網絡，實現室內多個接入節點和外部入口之間的高速互聯互通日趨重要。雖然無線Wi-Fi接入是用戶最后一段的首選，但是由于其開放的通信環境，相互干擾日趨嚴重，且其競爭共享的信道分配機制無法保證超高清視頻分發、安防監測控制、物聯網控制等高等級業務傳輸，所以必須有可靠的室內有線網絡作為家庭網絡的基礎支撐。其他傳輸介質由于其低頻受干擾強、無法實現通信帶寬的持續升級等問題，無法作為未來家庭網絡的承載主體。而同軸電纜由于其已泛在部署、安裝方便、帶寬升級潛力大、支持總線型組網部署等優勢將成為未來智慧家庭網絡中連接各個房間的通信媒質首選。HINOC技術作為當前綜合成本最低，商用最成熟的同軸接入技術，將在智慧家庭網絡組建中發揮關鍵性作用。

5 結束語

基于HINOC的新型光纖同軸混合接入技術可以充分發揮同軸電纜網絡“信道容量大、入戶率高、室內接口廣泛”的優勢。在光纖分配網段，采用10 G無源光網絡技術，未來可向25 G、40 G、100 G逐步升級。而在同軸入戶網絡，選擇無論從傳輸性能、QoS保證、技術演進能力還是部署成本、網絡管理運維能力等方面都表現俱佳的HINOC同軸寬帶通信技術，未來可進一步提升HINOC網絡容量到10 Gbit/s。此外，基于HINOC技術，還可以利用同軸電纜構建室內高速互聯網絡，開展4 K/8 K超高清視頻傳輸、5G滲透和深度覆蓋、智能家庭網絡等多種場景的新業務部署和應用。