EPON+BIOC技术在有线电视双向网改造中的应用.docx
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EPON+BIOC技术在有线电视双向网改造中的应用
有线电视网络双向改造的研究
第一章概述
1.1 课题研究背景
1.2 xx市有线电视HFC网络现状
1.3 光纤网络的发展状况
1.4 以太无源光网络(EPON)
1.5 有线电视双向网络各种接入方式的比较
第二章EPON技术的原理
2.1.EPON技术的发展
2.2 EPON技术的原理
2.2.1 EPON的结构
2.2.2 EPON的工作过程
2.2.3 EPON物理层的实现
2.2.4 EPON在数据路层的实现
2.3 EPON的关键技术
2.3.1 EPON物理层的关键技术
2.3.2 EPON数据链路层关键技术
第三章 BIOC技术的原理
3.1 EOC技术简介
3.2 BIOC技术概述
3.3 BIOC技术原理
3.4 BIOC产品介绍
3.5 BIOC主要产品性能参数
3.6 BIOC典型应用案例
3.7BIOC接入技术的优势
3.7.1 CMTS+CM方案
3.7.2 EPON+LAN方案
3.7.3 EPON+BIOC方案
第四章 EPON+BIOC技术的实际应用
4.1 应用背景
4.2xx有线电视网络双向改造方案
4.2.1方案原则
4.2.2组网方案
4.3和平改造工程概况
4.4工程设计方案
4.4.1带宽设计
4.4.2用户电平设计
4.4.3光功率设计
4.4.4工程设计图
4.4.5系统供电
4.4.6工程设备配置
4.4.7设备的安装与调试
4.5工程施工规范
4.5.1局端设备介绍
4.5.2局端设备安装步骤
4.5.3中继设备介绍
4.5.4BIOC中继设备安装步骤
4.5.5BIOC中继设备(R+D)安装步骤
4.5.6R2001设备安装步骤
4.6信号指标的测试
4.6.1光功率的测试
4.6.2电视信号的测试
4.6.3数据信号的测试
4.6.4系统时延的测试
4.6.5系统丢包率的测试
4.6.6系统稳定性的测试
第五章结论
第一章 概述
1.1课题研究背景
我国有线电视经过了20多年的发展,全国有线电视网络线路总长度现在超过了300万公里,光纤干线达到26万公里,光纤同轴电缆混合网HFC网(光纤同轴电缆混合网)正在成为网络建设的主流。
有线广播电视网络成为国家重要的信息基础设施。
典型的HFC网从总前端到电缆分配网的光节点,采用的是两级或三级光链路,物理上为环形、星型或星树型结构,由光节点到用户采用同轴电缆传输,托朴结构一般为树型或星型,HFC被公认为是综合业务宽带网络的最理想的物理介质。
HFC网拥有5MHz―1000MHz的频宽,随着数字压缩技术和高效数字调制技术的成熟,用QAM64方式调制,每一个模拟电视频道的8MHz带宽都能够以38Mbps的速率传输数据信息,也就是说,每一根同轴电缆的传输速率都能达到4Gbps,是任何一个接入网络都无法相比的。
也就是说,有线电视网络只要拿出20个模拟频道资源,就可以满足500个用户同时点播的需求了,这对于拥有上百个模拟频道资源的系统来说是非常容易实现的。
但是目前的有线电视HFC网络仍然是单向网络,无法满足人们日益增长的精神文化和娱乐生活的需要,广大有线电视用户迫切需要视频点播、互动娱乐、信息服务、数据服务等新形式的双向业务,另一方面随着IPTV业务、卫星直播电视业务的风起云涌,给有线电视行业带来了前所未有的压力和挑战。
因此必须将单向有线电视网络改造为双向传输网络,使有线电视网能够提供语音、视频、数据等业务,以实现真正的“三网融合”,才能够使有线电视行业在激烈的市场竞争中求得发展。
国家也对有线广播电视双向网络改造十分重视,提供了必要的政策支持。
在中共中央制定的“十一五”规划的建议中明确指出:
“加强宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等信息基础设施建设,推进“三网融合”,健全信息安全保障体系“。
数字电视是能够承载保含数字电视在内的多种业务的双向有线电视网络,是下一代有线电视网。
国务院办公厅在《关于鼓励数字电视产业发展的若干政策》(国办发〔2008〕1)文件中强调“广播电视数字化是国民经济和社会信息化的重要组成部分”,“以有线电视数字化为切入点,加快推广和普及数线电视广播,加强宽带通信网、数线电视网和下一代互联网等信息基础设施建设,推进”三网融合”,“鼓励广播电视机构利用国家通用通信网和广播电视网等信息网络提供数字电视服务和增值电信业务”。
随着光缆网络建设成本的降低,在HFC网络建设中被大量使用,光纤网络越来越接近用户,光纤到小区、光纤到楼成为现实。
“光进铜退”成为有线电视网络宽带化、双向化的发展趋势。
需求一种适合有线电视双向网改造的技术方案,利用好有线电视网络丰富的光纤资源和同轴电视的带宽优势,推动有线电视网双线化改造开展多功能业务正是本课题研究的目的。
1.2xx有线电视HFC网络现状
2002年xx广电网络公司对城区、开发区的有线电视网络进行了系统改造,光缆已经通达到各个小区。
截止到2007年底,xx分公司拥有总前端机房1个,分前端机房19个,已建光节点361个,拥有地埋管道150多公里,光缆主支干线约580公里,平均每个光节点覆盖300-400户,每个光节点有4芯通到分前端机房,光纤资源丰富;光节点以下电缆分配网络全部采用树枝型的拓朴结构,2008年开始我市在有线电视网络建设中城区全部采用FTTB方式进行建设。
网络共覆盖城区及开发区有线电视用户15万多,其中有线数字电视用户约12万户。
但目前仍然是单向的HFC网,不能够满足开展交互式数字电视业务和双向多功能业务的需要。
为了提高网络的传输能力、增强服务功能、满足客户需求,因此将单向的HFC网改造为双向网络势在必行。
1.3光纤网络的发展状况
宽带业务的发展对接入网提出了新的要求,如更高带宽及强大的带宽管理能力,对接入、内容、质量及安全等方面的控制能力等都提出了新的要求。
为了应对上述提到的问题,各电信运营商不约而同地提出了“光进铜退”的接入网发展策略,将投资重心转向光接入网,严格控制铜缆投资和使用,分阶段有步骤地实现接入网光纤化,不断缩短铜缆长度,最终实现光纤到家庭(FTTH)。
FTTx是对各种形态的宽带光接入网的统称。
在宽带光接入网中,光纤可以是惟一的传输媒质或者主干传输媒质。
根据光纤所到达的物理位置不同,FTTx存在多种应用类型,具体分类如下:
(1)光纤到交接箱(FTTCab:
FiberToTheCabinet)。
其特征是:
以光纤替换传统的馈线电缆,光网络单元(ONU)部署在交接箱处,ONU下采用其他介质接入到用户,例如采用现有的金属线或者无线,每个ONU支持的用户数为数百户到1000户左右。
(2)光纤到楼宇/分线盒(FTTB/C:
FiberToTheBuildin/Curb)。
其特征是:
以光纤替换用户引入点之前的铜线电缆,ONU部署在传统的分线盒处,ONU下采用其他介质接入用户,如现有的金属线或无线,每个ONU支持的用户数为10~100户左右。
(3)光纤到公司/办公室(FTTO:
FiberToTheOffice)。
其特征是:
仅利用光纤传输媒质连接通信局端和公司或办公室用户,引入光纤由单个公司或办公室用户独享,ONU/光网络终端(ONT)之后的设备或网络由用户管理。
(4)FTTH。
其特征是:
仅利用光纤传输媒质连接通信局端和家庭住宅,引入光纤由单个家庭住宅独享。
光纤接入技术可分内两大类:
有源光网络(AON,ActiveOpticalNetwork)和无源光网络(PON,PassiveOpticalNetwork)。
有源光网络具备传输距离长、需供电、需维护等特点,有源光网络一般是基于点到点的网络拓扑结构,如HFC光网、LAN光网等部分,有源光网络主要应用于干线传输网络和城域网。
无源光网络(PON),是指在局端设备和终端设备之间是光分配网络(ODN),没有任何有源电子设备。
1983年美国贝尔实验室首先发明了PON技术;无源光网络(PON技术)是发展FTTx的主要实现技术,它是一种点对多点的光纤传输和接入技术,下行采用广播方式、上行采用时分多址方式,可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓朴结构,在光分支点不需要节点设备,只需要安装一个简单的光分路器即可,因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、设备安全性高、建网速度快、综合建网成本低等优点。
随着光接入成本的不断下降、铜缆价格的不断攀升、运营商网络向以宽带为特征的下一代网络的转型,以及更多高带宽业务的出现,“光进铜退”已经称为一种发展趋势,FTTH或FTTB已经成为所有主流运营商建网的选择。
为此广电总局在《有线电视网双向化改造指导意见》中特别提出““光进铜退”是有线电视网络宽带化、双向化的发展趋势,有线电视网络双向化改造应将光纤进一步向用户端推进,实现高可靠、高带宽、高承载力、可管理、可运营的目标。
各地有线电视网络双向化建设应因地制宜的扩大光纤传输覆盖范围,基本实现光纤到楼,逐步向光纤到户发展”。
1.4以太无源光网(EPON)介绍
根据无源光网传输技术方式,无源光网络可分为基于ATM方式的APON、基于IP方式的EPON。
APON是上世纪90年代中期被ITU和全业务接入网论坛(FSAN)标准化的PON技术,FSAN在2001年底有将APON更名为BPON,APON的最高速率为622Mbps,在数据链路层采用ATM各式的封装和传输技术,它还具有综合业务接入、QoS服务质量保证等独有的特点。
但是由于APON设备能够提供的带宽能力有限、技术复杂、价格昂贵、承载IP业务效率低等缺点,未能在市场上取得成功。
2003年3月~2004年6月,ITU-T在APON的基础上先后颁布了G.984系列GPON(GbitPON)标准。
GPON是为支持全业务的部署(语音、数据和视频)而设计。
GPON的可提供下行2.488Gb/s,上行1.244Gb/s的速率,当目前还处在实验阶段未大规模商业应用,而且设备价格十分昂贵。
宽带业务的IP化是大势所趋,因此为了更好的适应IP业务,第一英里以太网联盟(EFMA)在2001年初提出了在数据链路层用以太网取代ATM的EPON技术,IEEE802.3工作组对其进行了标准化,EPON可以支持1.25Gbps对成速率,随着技术的进一步发胀,速率可达到10Gbps,有专家称10Gbps的EPON设备在2009年将出现商用产品。
由于EPON将以太网技术与PON技术完美结合,因此成为非常适合IP业务的宽带光纤接入技术。
包括中国电信、中国网通在内的各大电信运营商从2007年开始都采用EPON方式大规模建设宽带光纤接入网络,对于Gbps速率的EPON系统也常称为GEPON,100M的EPON与1Gbps的EPON系统在工作原理和技术上是一致的,只是传输速率有所差异,因此在后面的文档中提到的EPON,无特别说明均指千兆位的GEPON。
EPON是在PON的基础上,用以太网(Ethernet)协议取代ATM作为数据链路层协议,将以太网技术与PON技术结合,构成了一个可以提供宽带、低成本和多业务能力的新一代光接入网技术。
EPON采用点到多点结构、无源光纤传输方式,上、下行速率目前可达到1.25Gbps,因此也称GEPON(G=Gigabit吉比特)。
其标准制定的一条基本原则是尽量在802.3体系结构内进行标准化工作,扩充标准以太网的MAC协议。
目前,IEEE已经建立8023av工作组来制定10GEPON标准。
EPON利用光纤和光无源器件进行物理层传输、通过以太网协议提供多种业务的宽带接入技术。
这项技术充分结合了无源光网络技术和以太网技术的优势,为在局端中心机房(CO)和终端客户现场之间配置宽带接入光纤线路提供了一种低成本的方法。
无源光网络技术具备点到多点的拓扑结构、无源器件、后期维护成本低等特点。
EPON可承载的业务包括高清/标清数字电视业务、广播、IPTV、VOD、VOIP、高速数据等多种业务应用。
EPON技术减少了局端与用户端之间的光有源设备,网络拓扑结构简单,相对有源系统成本和运维管理开销方面,费用均相对较低;带宽资源丰富、配置灵活,可以满足用户多种宽带业务的需要;建设投资低、易于扩容升级、业务扩展灵活。
因此EPON技术成为实现FTTB或FTTH的首选技术。
该技术在日本、韩国得到的大规模的应用,在国内各大电信运营商和各广电网络公司也开使大量使用EPON方式进行宽带光网络建设或网络双向化改造。
1.5有线电视双向网络各种接入方式的比较
随着技术的发展有线广播电视网络的双向技术理论有了很大发展,光纤同轴混合网(HFC)双向宽带理论日趋成熟,HFC回传技术开始在有线电视网络中得到应用。
目前双向改造的技术有很多种方案,各有千秋。
主要有以下机种:
1)CMTS+CM接入方式
CMTS是线缆调制解调器头端系统的英文缩写,CM是用户接收终端电缆调制解调器的缩写。
CMTS宽带接入是基于双向HFC接入网络,以频分复用技术为基础,在下行数据信号和CATV的下行信号采用频分(FDM)方式共纤传输,上下行数据信号采用空分(SDM)方式共缆不同纤传输,在电缆部分,上下行信号按FDM方式同缆传输。
系统主要包括前端设备CMTS(CableModemTerminationSystem)和用户端设备CM(CableModem),设备之间通过双向HFC网络连接。
CMTS系统的分为上行通道和下行通道两部分,下行通道的频率范围为86~857MHz,上行通道的频率范围为5~65MHz。
系统采用速率非对称方式,在下行同道每个通道的带宽为8MHz,采用64QAM或256QAM调制方式,对应的数据传输速率为38Mbps或51Mbps。
上行通道采用QPSK或16QAM调制方式,传输速率为5.1251Mbps。
上、下行带宽均为用户共享。
该方式方式的特点是:
⑴、可实现大规模双向覆盖,特别是新建成的小区干线和用户分支线网络不需大的改造,投资费用低,建设周期短。
⑵、技术较成熟,目前应用规模较大。
⑶、安装调试维护烦琐,需要专用电缆接头,因使用网络上行方向使用低端频带传输信号,存在汇聚噪声问题,后期维护量巨大。
⑷、网络改造成本较大,需要更换主干电缆,使用双向传输设备。
⑸、可承载业务有限,大带宽业务无法满足;虽然CMTS系统有了DOCSIS3.0版下行单宽可到1Gbps,但是目前在国内还未正式商业应用,而且价格十分昂贵。
2)FTTB+LAN或EPON+LAN方式
FTTB+LAN即光纤到楼五类线入户的方式进行网络建设早期的FTTB+LAN方案光传输链路采用光纤收发器的方式。
目前随着EPON(无源以太网)技术和产品的成熟,EPON+LAN方式成FTTB+LAN的主要方式。
该方式的主要特点是:
1、产品成熟、价格低,可承载多种业务;
2、前期投资较大;
3、五类线入户需要重新布线,施工量和施工难度大;
4、LAN设备大多数是有源设备,可靠性较低。
3)EPON+无源EOC方式
EOC(EthernetOverCable)是基于有线电视同轴电缆网使用以太网协议的接入技术。
在用户楼道附近,采用特定的介质转换技术(主要包括阻抗变换、平衡/不平衡变换等),将符合802.3系列标准的数据信号通过同轴电缆传输,接入用户家中。
EOC传输技术基本原理是:
利用有线电视信号在111~860MHz频率传输,基带数据信号在0-20MHz频率传输的特性,可以使两者在一根同轴电缆中传输而互不影响。
把电视信号与数据信号通过合路器,利用有线电视网络送至用户。
在用户端,通过分离器将电视信号与数据信号分离开来,接入相应的终端设备。
本方式在光缆干线采用EPON方式传输数据信号,在用户接入网采用同轴电缆入户,可有效利用原入户的同轴电缆。
该方式的主要特点是:
1、用户端不需要有源设备,用户端投资较小,入户不需要重新铺设同轴电缆;
2、该方式不适合树枝型的有线电视拓朴结构,只适合集中分配的方式;
3、由于数据信号在基带传输,容易受到外来干扰。
4)EPON+有源EOC方式
有源EOC技术泛指是将以太网络信号通过射频调制,转换成射频信号后与有线电视信号相混合,实现两者的共缆传输,解决“最后100米”入户问题。
属于该技术方式的主要有HomePNAoverCoax、HomePlugoverCoax、WiFioverCoax、MoCA。
基于WiFi技术的BIOC(易线宽)产品就是有源EOC技术的典型代表。
该方式在光纤传输部分使用EPON方式实现光纤到楼,在用户接入网部分使用BIOC局端、中继设备,在用户终端使用终端调制解调设备,利用原同轴电缆网络入户。
该方式的主要特点是:
1、适用于目前树枝型的有线电视网络,不需要重新布设缆线,可以最大限度的利用HFC网络资源,施工进度快;
2、数据信号运行在高频,避免了日常杂波干扰;
3、设备提供双向对称的传输方式,局端每路输出口可提供100Mbps的带宽;
4、设备可通过同轴电缆集中供电,提高了系统的可靠性;
5、前期改造投资稍大。
总之有线电视双向改造技术方式有多种,各有千秋,但总的原则是要充分利用入户的同轴电缆资源,采用适合当地的宽带双向接入技术,使有线电视网络具备承载模拟和标准清晰度数字电视节目、高清晰度电视、广播、视频点播、宽带数据接入、语音服务等多种业务的能力。
因此通过对上述方式的比较分析,结合xx有线电视网络的实际情况,我们认为EPON+BIOC方式比较适合xx有线电视网络双向化改造。
第二章EPON技术的原理
2.1 EPON技术的发展
在2000年11月,来自80多家公司的200多名专家组成了一个IEEE的研究组,开始研究以太网在用户接入网中应用的问题,后来在2001年9月,这个研究组正式成为IEEE的第一英里以太网(EFM)工作组(TaskForce)。
在802.3协议框架内,制定EPON标准是这个工作组最重要的任务之一。
在制定EPON标准的过程中,EFM工作组又划分为PMD,P2MP和OAM三个小组分别研究EPON的物理层(特别是光接口)规范,点对多点的控制协议和OAM。
PMD小组的研究成果是定义了两种EPON的光接口:
1000BASE-PX10-U/D和1000BASE-PX20-U/D,分别指工作在10km范围和20km范围的EPON光接口;P2MP小组的研究成果是定义了MPCP(多点控制协议),使EPON系统具备了下行广播发送,上行TDMA(时分多址接入)的工作机制;OAM小组的工作成果是定义了可选的OAM层功能,力图在EPON系统中提供一种运营、管理、维护的机制,使其具有符合接入网的特性。
目前EPON可支持1.25Gbps的速率,预计2009年将会有10Gbps的产品出现。
随着FTTH网络的建设,EPON技术已在国内外的电信、有线电视网络中得到了成功的应用。
2.2.EPON技术的原理
2.2.1EPON系统结构
EPON技术采用点到多点(P2MP)的的单纤双向光接入网络技术,典型的拓朴结构为树型。
EPON系统的典型结构示意图如图1,
图1
从图中可以看出典型的EPON系统由中心局的光线路局端(OLT)、包含无源光器件的光分配网(ODN)、用户端的光网络单元/光网络终端(ONU/ONT)、网元管理系统(EMS),其中ONT直接位于用户端,而ONU与用户之间还有其它网络,如以太网等。
EPON系统使用单芯光纤,在一根芯上传送上下两波长(上行方向波长:
1310nm,下行方向波长:
1490nm,另外还可以在这个芯上叠加1550nm的波长,来传送广播电视信号)。
在组成结构中OLT由媒质访问控制(MAC)逻辑模块、光收发(RX/TX)模块和波分复用(WDM)模块组成。
它既是一个交换机或路由器,又是一个多业务提供平台,它是提供面向无源光纤网络的光纤接口(PON接口)。
相应的ONU也由与OLT相对应的模块组成。
根据以太网向城域网和广域网发展的趋势,在OLT上将提供多个1Gbps和10Gbps的以太接口,可以支持波分复用(WDM)传输。
OLT还可以支持与ATM、SONET等的连接,还可支持TDM语音业务。
OLT除了提供网络集中和接入的功能外,还可针对用户对QoS(服务质量)的不同要求进行动态带宽分配,可实现网络安全和管理配置。
ODN(OpticalDistributionNetwork):
位于OLT和ONU之间的由POS(无源光分路器)和光纤组成的无源光分配网,其主要功能是完成光功率的分配,按IEEE802.3-2005的要求分光比例最低能达到1:
16或1:
32,依据光纤的实际敷设距离分光比例也可以达到1:
64或1:
128。
ODN通常呈星-树型结构,也可以用环型结构。
EMS(ElementManagementSystem网元管理系统):
EMS是对EPON接入网设备进行统一管理的后台网管系统。
EPON在下行方向采用802.3帧广播技术,上行方向采用时分复技术。
由于上行方向上在给定时刻只允许一个用户传输数据,为了避免不同用户的冲突,采用了多点控制协议(Multi-pointcontrolprotocol,MPCP)来解决冲突问题。
通过多点控制协议(MPCP),实现多个用户共享光网络单元(ONU),多个光网络单元(ONU)共享光线路终端(OLT),实现光接入网。
EPON系统其传输方案一般可采用单纤波分复用技术或分纤传输等技术,大多数EPON系统采用波分复用传输技术。
EPON系统可以利用不同波长在一根光纤中同时传输TDM、IP数据和视频广播信号。
双向数据通信采用下行1490nm、上行1310nm,并可通过叠加第三个波长(通常为1550nm)实现射频电视广播,其中TDM和IP数据采用IEEE802.3以太帧的格式进行封装。
2.2.2 EPON的工作过程
EPON是以太网与PON技术相结合的产物,在物理层使用PON技术,在数据链路层使用以太网协议。
数据在EPON系统中传输时如图2所示,
图2
在下行方向由OLT发送给各个ONU的以太数据包形成连续的数据流,数据流经过光分路器后以广播的方式分配给各个ONU。
每个ONU根据指定的逻辑标识接收有用信号,丢弃无用信号。
然后数据流由ONU的MAC模块根据用户的MAC地址挑选出一个以太包提交给用户。
在下行方向,原来的IEEE802.3协议不作任何修改就可以应用。
在上行方向EPON采用时分多址(TDMA)方式,如图3所示,
图3
按照多点控制协议(MPCP),OLT安排各个ONU在不同的时隙中轮流发送数据帧,数据帧由一个或几个以太包组成。
在这样的时隙安排下,各个用户上行发送的以太包将不会发生碰撞。
EPON区别于传统以太网的就在于OLT控制的ONU的主/从工作模式和上行以太包的成帧格式。
为了完成各个ONU的定时校正,每个ONU在加入EPON系统时,都要有与OLT一起进行测距的过程,这一点与CableModem的工作方式较为相似。
根据控制协议的规定,由ONU请求发送,由OLT做出允许,按排ONU的发送时刻和发送时间段,实现动态带宽分配。
2.2.3EPON物理层的实现
对于以太网技术而言,PON是一个新的媒质。
802.3工作组定义了新的物理层。
而对以太网数据链路层以及数据链路层以上则做了最小的改动以支持新的应用和媒质。
EPON和以太网的OSI参考模型的比较如图4所示。
图4
从图中可以看出,EPON对应的是OSI模型中的数据链路层和物理层两部分。
其中EPON物理层的基本功能是将数据编成合适的线路码,完成数据的前向纠错,将数据通过数据的电光、光电转换实现数据的收发。
EPON物理层由以下几个子层构成:
物理编码子层(PCS)
前向纠错子层(FEC)
物理媒质介入子层(PMA)
物理媒质相关子层(PMD)
和以太网的物
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