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发表于 2004-12-15 11:22:00
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罗任翔 刘伟平 陈舜儿 黄红斌 郑力明
1引言
随着信息技术的发展，人们对于语音、数据、视频点播等业务接入的要求越来越高，为用户提供更宽、更快和交互式业务的传输通道是网络运营商努力的方向。
传统的有线电视网络是专为高效地向家庭传送广播电视业务而开发的，要实现诸如视频点播、语音、图像、数据、多媒体等交互式业务的传输，就要对现有的有线电视光纤/同轴电缆混合网进行双向化改造。目前,HFC双向改造有多种技术，主要的方法是采用双向HFC+Cable Modem的方式，也就是把原有CATV系统中的低端频率用作回传,实现非对称传输，这种传统HFC网双向化方式存在用户可用的带宽有限和HFC回传信道有“漏斗效应”等缺点。
以太无源光网络(EPON，Ethernet Passive Optical Network)作为多业务宽带接入方式具有优异的特性，基于EPON的有线电视全业务接入系统是可以实现传输包括模拟电视信号在内的全业务接入网(FSAN)，该系统对有线电视网络进行双向化业务改造有重要参考价值，本文分析了该系统的结构、工作方式及特点，最后讨论了实现该系统的关键技术。
2基于以太无源光网络的有线电视全业务接入系统
2.1系统构成
基于EPON的有线电视全业务接入系统是以EPON技术为核心的全业务系统，该系统主要由光线路终端(OLT, Optical Line Terminal)、无源分光器(POS, Passive Optical Splitter)、光网络单元(ONU，Optical Network Unit)、CATV电视信号发送系统和网络管理系统组成。
中心局(CO, Center Office)提供系统和服务提供商的核心数据、电视和电话网络之间的接口。OLT向上提供到TDM/PSTN、IP网、电视网络及其他网络的接口,支撑IP、ATM、FR甚至传统的TDM话音业务、视频点播和T1/E1业务，向下提供连接波分复用器(WDM, Wavelength Division Multiplexer)的接口，OLT除了具有网络集中和接入的功能外,还支撑带宽分配、QoS/SLA、OAM、网络安全等功能。电视信号经过CATV前端及光发射机调制送到波分复用器与OLT送来的光信号合波在1根光纤上传输。ONU接收从WDM来的光信号,向下提供各种应用接口(如10/100 Mbit/s以太网接口、电话接口和有线电视视频接口),以支撑数据、话音和视频等业务,同时它还负责将上行数据传送到OLT。另外,ONU还提供以太网第二层和第三层的交换功能,实现内部的路由选择。POS是一个简单的无源设备,用于连接OLT和多个ONU,并进行光功率分配,它不需要电源,可以置于全天候的环境中，一般一个分光器的分线率为8、16或32,并可以多级连接。网络管理系统负责管理系统的各种不同元素，使整个网络具有良好的操作、管理、维护和指配(OAM& ，Operation Administration Maintenance and Provisioning)功能。
2.2系统工作原理系统采用单纤3个波长来传输全业务，EPON中OLT两个上下行波长用于传送数据、语音和IP交换的数字视频（IP-SDV），第3个波长用于下行CATV射频的传输，采用这种设计，PON可以覆盖20 km以内16个以上的光节点。
系统中EPON采用λ1,λ2两波长在同一光纤网络中双向传输数据、图像乃至声音，HFC选用λ3波长传送电视信号，通过波分复用的方式与EPON的OLT合成于1根光纤。经过分路，光纤传输送到ONU前的WDM，还原成λ3信号给CATV光接收机，其他信号在ONU根据EPON协议来完成宽带数据和声音的传输，最后实现宽带用户的全业务接入，也就是说电视信号的传送通过HFC广播来实现，而IP、话音、视频点播等双向业务通过EPON来进行。
在EPON中，数据采用IEEE 802.3以太网协议封装，传送的是可变长度的数据帧，最长是1 518字节，最短是64字节，这很适合直接传送IP业务信息。
在EPON的下行方向，多种业务信号通过骨干网传输到中心局，然后被OLT经无源分光器分配到ONU单元，经过ONU的光/电转换及相应处理后，每个ONU根据每个数据包的地址信息，接收属于自己的数据包，为用户服务，采用的是广播方式。
在上行方向，采用时分复用（TDMA）技术，系统在进行测距和时延补偿后，OLT根据一定的原则将不同的时隙分配给各个ONU，每个ONU的上行信号再进入光分配器的共用光纤，正好占据分配给它的一个指定时隙，以避免不同ONU上传的数据发生相互碰撞干扰。
基于EPON的有线电视全业务接入系统的特点和优势主要有以下几点：
(1)系统能提供高带宽。EPON向用户提供的带宽是目前PON系统中最高的，在本地的IP中下行速率已达到1 Gbps，最多达64个ONU上行速率可超过800 Mbps。
(2)协议转换成本低。EPON采用以太网的传输格式同时也是用户局域网/驻地网的主流技术，二者具有天然的融合性，消除了复杂的传输协议转换带来的成本因素。
(3)系统成本低，周期短。由于采用的是PON结构,相对于非PON系统而言,节省了大量的光纤、有源光器件的投入及运营成本，同时HFC网络采用星型结构，此结构与EPON十分相似，因此，在现有的HFC网络中采用EPON，不需对现行HFC进行双向化改造，只需在原来的光纤网络上做简单的配置，可在较短时间内完成网络的叠加，实现宽带用户的接入，使得企业能较快实现盈利。
(4)安全性高。EPON下行均为吉位速率，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽，上行利用时分复用共享带宽,支撑VLAN、VPN、IPSec和通道技术等,提供安全的网络接入。
(5)更好的QoS。系统没有双向HFC+Cable Modem的回传噪声缺陷，另外EPON具有同时传输TDM、IP数据和视频广播的能力，其中TDM和IP数据采用IEEE802.3以太网的格式进行传输，辅以电信级的网管系统，足以保证传输质量，因而使得有线电视企业可以通过开发宽范围的灵活的服务产品来增加收入，增强企业竞争力。
4实现系统的关键技术
基于EPON的有线电视全业务接入系统的核心技术EPON是一种基于无源光网络的采用以太帧格式来实现数据、话音、视像等传输的接入技术，该系统具有十分明显的优势。实现系统的关键技术主要有突发信号的接收技术、动态带宽分配技术、QoS的实现技术和系统的安全技术等。
4.1突发信号的接收
由于EPON上行用TDMA方式，对于OLT来讲,存在多个信号源(ONU)。ONU与OLT之间的不同距离以及线路特性上的差异,会造成各ONU的发送功率相同,OLT接收时却各不相同,这就对OLT端的接收机提出了突发接收的要求。
解决突发信号接收问题的一个方法是调整ONU的发送功率,使得OLT接收到的各ONU信号功率电平相等。但这种方法将使得ONU端发送机的设计变得更为复杂,发送功率调整后还可能对信号抗干扰性能有负面的影响,同时也使得OLT和ONU之间的控制协议复杂化,对系统的整体性能带来较大的影响。现在人们采取的方法是在OLT端使用突发接收机,采用各种突发接收技术来接收突发信号,如直流耦合、交流耦合等。
4.2动态带宽分配（DBA）
在EPON系统中，在系统负载比较大或系统提供对带宽要求比较高的业务或用户对带宽有特殊需求等情况下，为了更好地为各用户提供各种业务，满足用户的特殊需求，并且提高上行带宽利用率，灵活的带宽分配策略和算法是非常重要的。
带宽分配分为静态和动态两种，静态带宽由打开的窗口尺寸决定，动态带宽则根据ONU的需要，由OLT分配。DBA技术是MAC层技术的关键，它直接关系到上行信道的利用率和数据时延，另外，DBA所具有的灵活性为进行服务水平协商（SLA）提供了很好的实现途径。
实现带宽动态分配的关键在于如何获得ONU的实际状态，各种DBA算法获得ONU状态的手段不同，目前MAC层争论的焦点就是DBA算法和802.3.ah标准中是否确定统一的DBA算法。目前的方案是基于轮询的带宽分配方式，即OLT采用轮转的方式对各ONU进行轮询，ONU在传输的有效数据流中嵌入其缓冲区内等待以太数据包发送请求控制信息，OLT对各个ONU大小不一的带宽请求信息按照限定最大发送窗的分配方案分别进行授权。
4.3服务质量QoS的实现
如何保证用户所要求的服务质量得以实现是接入网必须面对的问题,由于以太网技术固有的机制，不提供端到端的包延时、包丢失率以及带宽控制能力，因此难以支撑实时业务的QoS。如何确保实时语音和IP视频业务在一个传输平台上以与ATM和SDH的QoS相同的性能分送到每个用户，是一个亟待解决的问题。EPON倡导者从几个方面着手解决这个问题，主要有资源预留和区分服务等级这两种技术应用到EPON中来,也就是说,EPON可以像区分服务那样为不同服务质量要求的信号设置不同的优先级,保证信息包按照优先级进行传递。另外,EPON还可以采用保留带宽的方式,为一些需要保证响应时间的业务提供高速通道,例如传输语音业务，以确保POTS业务的质量，避免这类业务与数据业务之间的竞争。近来,随着多协议标签交换协议标准的确立,可以预见,EPON服务质量的保证必将在不远的将来得以实现。
4.4安全性
在EPON系统中下行是以广播的方式实现数据的传输,如果一个恶意的ONU设置为混杂模式,就可以接收到所有的下行信息,因此安全性是一个很重要的问题。一般来说,加密和解密可以在物理层、数据链路层以及更高的协议层实现。ONU为了使自己的信息不被其他ONU读懂，要求OLT在发送数据信息前按每个ONU自己提供的密码(搅动键)在传输汇聚层进行搅动加密，也可以考虑在高层使用适当的密钥对数据进行扰码。不过在MAC层以上实现的加密技术将只对MAC帧的负荷信息加密,帧头信息则没有加密，这种方案可以防止恶意的ONU获取负荷信息,但是其他ONU的地址还是有可能被恶意的ONU截取。在物理层实现的加密,将对整个比特流(包括帧头和CRC)进行加密。在接收端,物理层首先对数据进行解密，然后将解密的数据传递给MAC层验证。因为每个ONU采用不同的密钥,即使是收到别的ONU的数据帧,也不能够将其解密成具有正确格式的帧,因而不会被MAC层接受。在这种方案中,恶意的ONU不能获得任何信息，但是这种方案要求OLT的物理层对不同的ONU使用不同的密钥,这对物理层来说是很难实现的。
5结语
有线电视运营商日益面临有线接入网络的“瓶颈”，EPON系统可用于传输声音、数据和视频，是实现多媒体传输的很好的解决方案。
基于EPON的有线电视全业务接入系统是在HFC基础上以EPON技术为核心的全业务系统，它可以向客户提供可靠的服务质量与双向全业务服务，将传统的有线电视网、PSTN、数据网合而为一,方便灵活地实现用户话音/数据业务、Internet和多媒体业务等的接入，打破了阻碍宽带业务发展的所谓“最后1 km”的容量“瓶颈”，是利用CATV传输网络实现CATV、PSTN、数据网三网合一的良好解决方案。
可以预见，有线电视运营商利用EPON技术建立基于以太无源光网络的有线电视全业务接入系统，可以向用户提供服务质量保证的交换式服务，在现有的HFC接入网络上提供更多的带宽，在节约成本的情况下为商业用户和居民用户创造出新的业务服务，同时增强企业竞争力。
信息来源：《中国有线电视》
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