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1、面向 EPON 的 DOCSIS EoC 解决方案关键字: EPON DOCSIS EoC 以太网 有线电视 由于中国市场竞争压力越来越大，而且市场在向三网合一业务演进，因此中国的有线电视运营商正在为最后 100 米接入寻求基于标准的、既经济又能适应未来变化的技术解决方案。上述需求的主要原因是，需要以更大的带宽传输互联网内容、视频和话音业务数据包。目前的解决方案涉及各种不同的、通常被称为“同轴电缆以太网(Ethernet over Coax，简称 EoC)”的技术。这类解决方案是特定于厂商的，因而无法实现不同厂商设备之间的互操作性，并且不提供针对诸如话音等实时业务实现服务质量(QoS)的标准化
2、方法。DOCSIS 为通过有线电视网提供各种业务提供了一种标准化技术，因此在系统提供商的设备之间实现了强大的互操作性，该技术还提供了各种非常有效的 QoS 方法，可确保在网络拥塞时仍然能传送数据包。 本文概述了中国有线电视运营商如何用 DOCSIS 技术实现 EoC 解决方案。本文提供的解决方案利用 EPON 网络的各种特性、跨光缆/同轴电缆提供 QoS 连续性，同时利用这些特性还使该解决方案能实现与今天的 EoC 解决方案相媲美的经济性。 市场驱动力 中国的有线电视运营商正在经历着巨大的结构性转变，正在进行省际合并和业务扩展。中国政府已经制订了“下一代广播电视网(NGB)”计划，作为这个计划
3、的一部分，最近指定了 12 个城市为三网合一业务以及新一代架构的试验地点。这个计划的目标是，建立中国最先进的、广播电视网络，促成电信、互联网和有线电视网络的融合。 预计这项计划在未来几年内将使有线电视运营商大幅增加资本支出，因为这些运营商急于升级网络。在有线电视运营商以经济实惠的方式为中国消费者建设网络的过程中，资本支出的主要去向将是部署创新性网络架构。 在中国的大型城市中，大多数三网合一业务的用户都居住在多住户大楼(多住户单元或 MDU)中，通常每栋楼房或楼群的居民数不超过 500 人。一般用光缆为这类大楼提供服务，并采用几种“最后 100 米”技术的其中一种，这些技术要利用大楼的竖井来实现
4、。这几种技术包括光缆、双绞线、以太网和同轴电缆，如图1 所示。有线电视运营商一般可以使用竖井中的同轴电缆，而且愿意选择用这种电缆提供服务。 图 1：多住户单元可选用的最后 100 米技术。目前还有几种技术能通过有线电视网实现双向业务，其中包括几种专有和特定于厂商的技术，一般统称为EoC。不过，运营商通常喜欢以基于标准的方式使用有线电视网，因为这可确保厂商之间的互操作性，并可降低成本，因为设备供应商在开发产品时可以从规模经济中受益。DOCSIS(Data Over Cable Systems Interface Standard)和 EuroDOCSIS 这两种标准定义了有线电视网上的双向业务。
5、DOCSIS 还提供必要的服务质量(QoS)工具，以在网络拥塞时确保话音通话连接，因为人们预料三网合一网络会出现拥塞。在过去十二年中，全球每年都部署了数百万台 DOCSIS 调制解调器 ，这证明，就话音、视频和 IP 视频业务而言，DOCSIS 是一种可靠和成熟的技术。 不过，DOCSIS 的设计初衷是，在通常由数千个用户组成的网络中、以有限的带宽支持不完全确定的 RF环境。在共享的有线电视网上，对用户的管理和判优是由“有线电视调制解调器终端系统(CMTS)” 完成的。尽管就提供双向有线电视业务而言，CMTS 可能相当经济实惠，但是它的成本必须分散在成千上万的用户身上，这样才能与现有 EoC
6、解决方案的这类成本持平。对于不超过 200 个用户的多住户单元设施而言，用传统的商用 CMTS 提供服务，从成本上来看是不可行的。 本文将探讨一种新的称为 DOCSIS EoC 的创新方法，这种 DOCSIS EoC 可用来在中国的多住户单元中部署 DOCSIS 技术。这种方法利用现有的 EPON 光终端设备(OLT) 、通过有线电视网提供双向业务，而且其成本可与非标准的 EoC 解决方案相媲美，同时提供高达 400Mbps 的速率。 DOCSIS EoC 是一种独特的适合中国市场的解决方案。它可以利用中国开发的 EPON 标准，专门针对中国的基础设施要求以及中国的新一代融合需求，将 DOCS
7、IS 定制为 “最后 100 米” 解决方案。 DOCSIS EoC 解决方案与技术概述 DOCSIS EoC 架构利用 DOCSIS MAC/PHY 层技术和 EPON 网络单元实现一种经济的、可利用中国多住户单元(MDU) 中 DOCSIS 用户端设备(CPE)的解决方案。主要的网络单元如图 2 所示。 图 2：针对 EPON 网络架构的 DOCSIS EoC。光网络和有线电视网络协议栈如图 3 所示。EPON 光线路终端(OLT)在宽带网络的 WAN 一侧提供数据包入口/出口，并利用图 3 中光网络协议栈部分所示的 EPON 协议栈为通向多住户单元的光缆服务。在多住户单元大楼中，为了通过
8、大楼竖井中的同轴电缆传输射频(RF)信号，“同轴电缆媒体转换器(CMC)”提供从EPON 到 DOCSIS 域的桥接功能。DOCSIS 协议终止于用户所处位置，用户可采用标准的、现成有售的、通过 DOCSIS 认证的“有线电视调制解调器 (CM)”，还可采用“ 嵌入式多媒体终端适配器(EMTA)”或含有嵌入式 DOCSIS 调制解调器(支持 DOCSIS 机顶盒网关(DSG)协议 )的机顶盒。CMC 设备负责利用嵌入式“ 光网络单元(ONU)”终止 EPON 协议，并利用有线电视调制解调器终端系统设备中的 DOCSIS MAC 和 PHY 层技术发起 DOCSIS 协议。为了实现经济实惠的目标
9、，有必要利用光线路终端(OLT)已有的功能，并仅选择必要的、最先进的 DOCSIS 功能，以确保已认证的 DOCSIS 用户端设备的调制解调器和机顶盒(STB)正确运行。具体用到的光线路终端功能包括数据包分类和开关功能，这些功能给数据包附上优先级标记，并指示将数据包发送到 CMC 的哪一个端口。 图 3：面向 EPON 的 DOCSIS 同轴电缆以太网协议。这些网络单元可以利用与符合中国“操作、管理、维护(OAM)”标准的第三方“ 网络管理系统(NMS)”来部署和管理，或者反过来利用 DOCSIS“命令行界面(CLI)”的指令来部署和管理。 CMC 支持 DOCSIS 3.0 和 DOCSIS
10、 2.0 运行，但为了降低成本没有包括以下各项功能在内。 1.MAC 层 有效负荷报头抑制(PHS)：PHS 通过先抑制 IP 数据包 TCP 部分的字段、然后在接收器端重新插入这些字段，来提高网络效率。PHS 是在 DOCSIS 1.0 中引入的，其设计初衷是服务于上行和下行带宽可能受限的网络。随着 DOCSIS 2.0 和 DOCSIS 3.0 设备条件的改善和带宽的增加，PHS 的好处大大减少。此外，PHS 仅对运营商自行管理的业务有用，即运营商明确设定的单项业务。目前，这种业务基本上意味着话音业务，而且话音带宽在总带宽中所占百分比越来越小，因此提高效率的优势没有以前那么突出了。 运用“
11、高级加密标准(AES)”的“基本保密接口(BPI)”：AES 是一种加密方式，是为实现 BPI 而加入到 DOCSIS 3.0 中的。DOCSIS 2.0 运用“数据加密标准(DES)”密码实现 BPI，而 CMC 将使用 DES，以降低 MAC层的成本。 逻辑信道：DOCSIS 2.0 增加了逻辑信道模式，以使 ATDMA 和 SCDMA PHY 在相同的物理信道上运行。DOCSIS EoC CMC 仅支持 SCDMA 模式，因而无需逻辑信道。 2.PHY 层 ATDMA：DOCSIS 2.0 和 DOCSIS 3.0 标准运用“ 同步码分多址(SCDMA)” 和“高级时分多址(ATDMA)
12、”模式实现 PHY 层传输。 SCDMA 是一种先进的 PHY 技术，在 DOCSIS 2.0 中增加这种技术是为了在信道条件不那么理想的电缆线路上进行 RF 传输。尤其是，SCDMA 能减轻电缆线路上的脉冲噪声，而这类噪声有可能通过电吹风、微波炉等常见的家用电器注入用户端设备。而 ATDMA 在有脉冲噪声的情况下表现不是很好。因此，CMC 将仅支持 SCDMA 模式，以最大限度地利用多住户单元大楼竖井中的同轴电缆运行。 DOCSIS EoC 的 RF 传输 1.上行 PHY 如前文所讨论的那样，DOCSIS EoC 采用了 DOCSIS、SCDMA 中所用的最先进的 PHY 层技术。DOCS
13、IS EoCSCDMA 在上行链路中还支持 256QAM 模式，这种模式在 6MHz 信道中提供 40Mbps 线路速率，该速率比 64QAM 模式提高了 33%。此外，SCDMA 采用正交码，以提供可靠的有线电视调制解调器传输。 今天的短促脉冲串接收器运用强大的 DSP 实现复杂算法，这些算法利用 SCDMA 正交码减轻电缆设备上的突发噪声和脉冲噪声。图 4 显示的是，与 ATDMA 接收器以及 DSP 能力不足、无法利用 SCDMA 编码减轻噪声的常规 SCDMA 接收器相比，Broadcom BCM3141 DOCSIS EoC 短促脉冲串接收器 burst reciever 减轻噪声的
14、特性。 图 4： SCDMA 在有脉冲噪声的情况下运行。正交编码还允许 SCDMA 在有非常强的侵入噪声的情况下运行。通过有选择地采用某些代码，SCDMA 可以同时检测和避开窄带与宽带侵入噪声。这种技术称为“可选择的主动编码(SAC)” ，它是 DOCSIS 用户端设备的一个标准，允许来自多个厂商的设备在有侵入噪声的情况下运行。 作为这种技术的一个例子，图 5 显示了频谱分析仪从一台真实的电缆设备中捕捉的频谱图，点状线构成的长方形围住的部分是侵入噪声最严重的情况。 图 5：电缆设备上的侵入噪声。这个侵入噪声加到 BCM3141 DOCSIS EoC 短促脉冲串接收器上，并与 64QAM、5M
15、符号/秒调制解调器传输进行连接。如果不用“可选择的主动编码 (SAC)”，那么那一片星座图就无法恢复，如图 6 图所示。 图 6：有侵入噪声的常规 SCDMA。不过，在接收器上启动 SAC 以后，侵入噪声就减轻了，而且 64QAM 星座图能以足够的信噪比(SNR)恢复出来，从而实现了无误差运行，如图 7。 图 7：有侵入噪声时 DOCSIS 同轴缆 SCDMA 的运行2.下行 PHY DOCSIS EoC 还以 1024QAM(美标 DOCSIS)模式支持一种先进的下行传输模式。这种传输模式在 6MHz的下行信道中提供 50Mbps 的线路速率，相比 256QAM 模式有 25%的改进。102
16、4QAM 星座图如图 8 所示。 图 8： DOCSIS 同轴缆以太网 1024 QAM 星云。MAC 层 QoS 技术 DOCSIS EoC 为端到端 QoS 提供两级解决方案。 DOCSIS MAC 针对每个用户、每种业务同时为上行和下行方向提供调度和整形。通过单独控制和监视客户业务，运营商可以为视频会议、虚拟专网、网络备份等各种应用提供互联网之外的增值连接。在 PON 上，客户业务分成组，并给每组分配有保证的带宽和通过 PON 的延迟参数。DOCSIS 同轴线线缆以太网和 CMC 在两个 QoS 域之间提供桥接，如图 9。 图 9： EPON 至 DOCSIS 的 QoS 变换。1.DOCSIS 服务质量 DOCSIS 标准定义了一种经过实用验证的 QoS 方法，即利用业务流量标识符、针对每个客户和每种业务单独调度数据包。利用这种 DOCSIS 中提供的 QoS 方法，CMC 可以针对每个客户和每种业务提供服务级别协议。CMC 可以针对每种业务监视任何用户的性能。业务可以通过静态配置建立，或
