广电宽带网络相关技术

一、NGB12345671.3NGB目前的难点〔续〕典型的宽带业务每户带宽需求约为下行20~30Mbps〔2路标清节目5Mbps、1路高清节目8Mbps、高速上网8Mbps、IP语音0.4Mbps，合计约22Mbps〕，这对广电HFC网络提出了很高的要求。从目前来看，较为适合广电HFC网大规模宽带接入的方式为EPON+EOC和EPON+LAN方案。82.1OSI/RMOSI/RM即开放系统互连参考模型，是国际标准化组织ISO为了实现不同计算机系统之间以及不同网络之间的数据通信，于1981年提出的一个网络体系结构模型。OSI规定了可以互联的计算机系统之间的通信协议，遵从OSI协议的网络通信产品都是所谓的开放系统，而符合OSI标准的网络也被称为第三代计算机网络。9OSI的分层模型102.1OSI/RM〔续〕1〕物理层：负责原始比特流的传输，电子信号传输和硬件接口。数据传输单位是比特。〔关键词：信号、介质〕2〕数据链路层：负责信息可靠地在物理链路上传输，和这层相关的有物理地址、网络拓扑结构、网络存取、错误通报、数据包顺序、流量控制。数据传输单位是帧。〔关键词：数据帧和介质存取控制〕3〕网络层：负责提供连通性和路径的选择。数据传送单位是分组或包。〔关键词：路径选择、路由、编址〕。112.1OSI/RM〔续〕4〕传输层：把要传输出去的信息分成细的分段，把收到的分段整合成原信息。常规数据递送－面向连接或无连接。包括全双工或半双工、流控制和错误恢复效劳。数据传送单位是报文。〔关键词：效劳质量，可靠性〕5〕会话层：负责建立、管理、结束两部计算机间的通信会话，会话层给表示层提供效劳。会话层及其以上层次的数据传送单位一般都统称为报文。〔关键词：会话、交谈〕6〕表示层：为应用层提供信息表示方式的效劳，主要为上层用户解决用户信息的语法问题。〔关键词：一种通用格式〕7〕应用层：是最接近用户的一层，它给用户应用软件提供了网络效劳。它与其它六层的不同是它不提供效劳给另一层，只提供效劳给七层外的软件。如浏览器、QQ等。122.2TCP/IPOSI参考模型研究的初衷是希望为网络体系结构与协议的开展提供一种国际标准，但由于Internet在全世界的飞速开展，使得TCP/IP协议得到了广泛的应用，虽然TCP/IP不是ISO标准，但广泛的使用也使TCP/IP成为一种事实上的标准。ISO的OSI参考模型的制定，也参考了TCP/IP协议集及其分层体系结构的思想。而TCP/IP在不断开展的过程中也吸收了OSI标准中的概念及特征。132.2TCP/IP〔续〕TCP/IP体系的特点：开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统；独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互连网中；统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯一的地址；标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户效劳。142.2TCP/IP〔续〕TCP/IP分为四个层次，分别是网络接口层、网际层、传输层和应用层。TCP/IP的层次结构与OSI层次结构的对照关系如以下图所示：152.2TCP/IP〔续〕TCP/IP各层功能：1〕网络接口层：也被称为网络访问层，它不包含物理层和数据链路层协议，只定义了能使用TCP/IP与物理网络进行通信的网络接口，这种物理网络包括多种广域网〔如ARPANET、ATM、X.25共用数据网等〕以及各种局域网〔如以太网、令牌环网等〕。162.2TCP/IP〔续〕TCP/IP各层功能：2〕网际层：是在TCP/IP标准中正式定义的第一层，又称为IP层。主要功能是处理来自传输层的分组，将分组形成数据包〔IP数据包〕，并为该数据包进行路径选择，最终将数据包从源主机发送到目的主机，在网际层中，最常用的协议是网际协议IP，其他一些协议用来协助IP的操作。网际层另一个重要效劳是在互相独立的局域网上建立互联网络。互联网络中，连接两个以上网络的节点称为路由器〔在TCP/IP中，有时也叫网关〕，网间的报文根据它的目的地址通过路由器传送到另一个网络。172.2TCP/IP〔续〕TCP/IP各层功能：3〕传输层：也被称为主机至主机层，又称TCP层。与OSI的传输层类似，主要负责主机到主机之间的端对端通信，该层使用了两种协议来支持两种数据的传送方法，即TCP协议和UDP协议。TCP〔传输控制协议〕是一个可靠的面向连接的数据传送协议。UDP〔用户数据报协议〕是一个不可靠的、无连接的、直接面向多种应用业务的数据传送协议。182.2TCP/IP〔续〕TCP/IP各层功能：4〕应用层：是最高层，它与OSI模型中的高三层的任务相同，用于提供网络效劳，比方文件传输、远程登录、域名效劳和简单网络管理等。192.3局域网模型局域网采用的标准主要为美国电气与电子工程师协会IEEE802标准。IEEE802LAN参考模型与ISO/OSI参考模型的对应关系：202.3局域网模型〔续〕局域网数据链路层划分为两个子层：逻辑链路控制子层〔LLC〕和介质访问控制子层〔MAC〕。MAC子层主要完成于具体传输媒介有关的功能。如将上层交下来的数据封装成帧进行发送〔接收时相反〕；实现和维护MAC协议；比特过失检测；寻址等。LLC子层主要完成于媒体访问无关局部的主要功能。如建立和释放数据链路层的逻辑连接；提供与高层的接口；过失控制；给帧加上序号等。212.3局域网模型〔续〕IEEE802规定了局域网中最常用的介质访问控制方法：载波监听多路访问/冲突检测〔CSMA/CD〕。它是一种随机争用型的介质访问控制方法。CSMA/CD协议的工作过程通常可以概括为：先听后发、边听边发、冲突停发、随机重发。在采用CSMA/CD协议的总线LAN中，各节点通过竞争的方法强占对媒体的访问权利，出现冲突后，必须延迟重发。因此，节点从准备发送数据到成功发送数据的时间是不能确定的，它不适合传输对时延要求较高的实时性数据。222.4网络互联网络互连的类型分以下几种：局域网—局域网互连同构网互连：具有相同协议的局域网互连；异构网互连：不同协议的局域网互连；局域网—广域网互连；广域网—广域网互连；网络互连需解决的问题：处理互连网络的帧、分组、报文和协议的差异问题；232.4网络互联〔续〕网络互连从通信协议的角度来看可以分成四个层次：242.4网络互联〔续〕1〕物理层的连接设备主要是中继器。中继器是最低层的物理设备，用于在局域网中连接几个网段，只起简单的信号放大作用，用于延伸局域网的长度。严格地说，中继器是网段连接设备而不是网络互连设备。2〕数据链路层互连的主要设备是网桥。网桥在网络互连中起到数据接收、地址过滤与数据转发的作用，它用来实现多个网络系统之间的数据交换。网桥可以实现局域网互联。2526273.1EPON概念〔续〕最初PON标准是基于ATM

的，并由ITU/FSAN定义了相应G.983建议，即APON。目前那么有两个颇为引人注目的新的PON标准：其一是由ITU/FSAN负责制定的用来替换APON标准的Gigabit

PON〔GPON〕标准，其二是由IEEE

802.3ah工作组负责制定的Ethernet

PON〔EPON〕标准。283.1EPON概念〔续〕IEEE1998年发布完千兆以太网标准后，致力于研究如何支持三种接入网拓扑以及相应的物理层：a.铜线上以太网〔EoVDSL〕，在750m上传送10Mbit/s；b.点到点光纤上的以太网，在最长80km上传送1000Mbit/s；c.点到多点光纤上的以太网〔EPON〕，在最长20km上传送1000Mbit/s。此外，该工作组还将定义以太网的运行、管理、维护〔OAM〕，使它具有远端故障显示、远端环回和链路监测等功能。

293.1EPON概念〔续〕目前，IP/Ethernet应用占到整个局域网通信的95%以上。EPON由于使用了经济和高效的结构，是连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法。10G以太主干和城域环的出现也将使EPON成为未来全光网中最正确的最后一英里的解决方案。303.2EPON原理

313.2EPON原理〔续〕按ONU安放的位置，可以将EPON分为三种接入方式：FTTH/FTTO：ONU安置在用户家中或办公室中，即光纤入户，此时ONU称为ONT；FTTB：ONU安置在楼棟或楼棟单元，即光纤到楼；FTTC：ONU安置在街边，即光纤到街边；除了FTTH/FTTO是光纤入户外，从ONU到用户采用双绞线或铜轴电缆接入用户。323.2EPON原理〔续〕一套典型的EPON系统由硬件和软件两大局部构成：1〕硬件局部主要包括有源网络设备和无源光分配网两大局部。有源设备包括：光线路终端OLT、光网络单元/光网络终端ONU/ONT。无源光分配网：由局端到用户端的光纤和无源光分配器组成。称为无源光网络/光分配网PON/ODN。333.2EPON原理〔续〕a〕光线路终端OLT：OLT位于根节点，通过PON/ODN与各个ONU相连。在下行方向〔即向ONU方向〕，OLT提供面向无源光纤网络的光纤接口；在上行方向〔即向城域骨干网方向〕，OLT将提供GE(Gigabit

Ethernet)接口，将来，OLT也会支持10Gbit/s以太网的高速接口。OLT通过支持E1接口来实现传统的TDM话音的接入。在EPON的统一网管方面，OLT是主要的控制中心，实现网络管理的主要功能。343.2EPON原理〔续〕b〕PON/ODN：由光纤+无源光纤分配器组成。它是一个连接OLT和ONU的无源设备。c〕ONU：放在用户驻地侧，接入用户终端设备。

353.2EPON原理〔续〕在网络层次结构中EPON增加了MPCP〔多点控制协议〕协议功能，它是MAC控制子层MAC-C的一局部内容，如以下图所示。MPCP是MAC控制层的组件，MPCP主要完成两种功能：ONU自动发现、注册和测距。

Physical

NetworkLLCMACPhysical

NetworkLLCMACMAC-CEthernetEPON363.2EPON原理〔续〕EPON的光纤网络结构:OLT和ONU之间的无源光网络可以灵活组建成树形，环形，总线形，以及混合型。树型拓扑373.2EPON原理〔续〕EPON的光纤网络结构:

总线型拓扑383.2EPON原理〔续〕EPON的光纤网络结构:

环型全保护的拓扑结构393.2EPON原理〔续〕EPON的光纤网络结构:

主干路带保护的树型拓扑403.2EPON原理〔续〕EPON的光纤网络结构:

主、支路带保护的树型拓扑413.2EPON原理〔续〕EPON传输距离：OLT到ONU/ONT的最远距离受两个因素影响：第一、它由光线路终端〔OLT〕的发射光功率、ONU的光接收灵敏度和ODN的损耗决定。第二、是光网络单元ONU同时发射的风险。因为光网络终端共享光纤馈线和光线路终端的端口，所以，所有的设备都必须有一套复杂的算法以防止一个以上的ONU同时发射。如果发生了同时发射的情况，就会导致业务流发生碰撞，影响大多数业务无法继续。PON标准将这个最大距离定为20km。423.2EPON原理〔续〕EPON传输距离：对PON来说，在选择光分路器的位置时必须考虑OLT和ONU之间的最大距离限制。光分路器到OLT的距离决定了ONU到分路器的距离。二者之和不能超过20km。两个例子：一个是分路器距离OLT19km，因而其效劳半径只有1km；二是光分路器距离OLT10km，因而其效劳半径为10km。在两个效劳区域内都有32个ONU。433.2EPON原理〔续〕这就导致需要进行复杂的权衡，并且需要评估以下情况：

*如果在ONU的效劳半径内少于32个用户，每用户分摊的OLT本钱就很高。

*如果在ONU的效劳半径内多于32个用户，仅仅为了支持第33个用户，就需要增加OLT端口，结果导致每用户分摊的OLT本钱陡增。

*如果在OLT的20km效劳半径以外有新客户，就需要在一个新地点安装一个完整的OLT设备，结果导致每用户分摊的OLT本钱非常高。因此，在规划设计EPON网络的时候，一定要预先将网络覆盖的用户合理地按1：32/64进行分配，使其不出现上述情况。44数据发送数据接收光发送器光接收器ONU1ONU2ONU3OLT光发送器光接收器数据发送数据接收1:n无源光分路器介质

接入

逻辑介质

接入

逻辑波分合路波分合路453.2EPON原理〔续〕EPON系统的信号传输：下行方向〔由OLT到ONU〕采用播送方式，每一个ONU将接收到所有下行信息，根据其MAC地址提取有用信号。上行方向〔由ONU到OLT〕采用时分方式共享系统。为了防止数据碰撞和公平的信道共享，采用OLT分配静态或者动态带宽的方式，给每个ONU分配一个时间没有重叠、时隙可变的传输窗口，用于ONU数据的传递。463.2EPON原理〔续〕EPON系统的信号传输：为了实现时隙的管理，IEEE802.3ah中采用了多点控制协议〔MPCP〕，采用Report

和GATE两个MAC控制消息来实现。OLT发送“门〔GATE〕消息〞给ONU用来分配时隙，而ONU采用“报告〔Report〕消息〞向OLT获取时隙或者请求时隙。通过接入控制机制将各个ONU有序接入。EPON的上、下行信息速率均为1

Gb/s〔由于其物理层编码方式为8B/10B码，所以其线路码速率为1.25Gb/s〕，由一根光纤采用波分复用实现全双工通信。其结构示意图如以下图所示。473.2EPON原理〔续〕EPON系统的信号传输：48493.3EPON优点系统简单，节约投资。组网灵活，支持多种拓扑结构。安装方便，根本无需设计与调试，无需远端供电。适用于点对多点通信。无电磁干扰和雷电影响。扩容简单，用户投资得到保证。EPON具有同时传输TDM、IP数据和视频播送的能力，辅以电信级的网管系统，足以保证传输质量。503.4EPON设备功能1〕OLTOLT主要具有网络集中和接入的功能：向上的接口有：TDM/PSTN接口，IP网接口，电视信号接口，其它网络接口。向下的接口有：波分复用器〔WDM〕接口，网络管理接口。OLT支持的业务和功能有：IP、ATM、FR、TDM话音业务、视频点播和T1/E1业务、带宽分配、QoS、OAM、网络平安等。513.4EPON设备功能〔续〕2〕PONPON是一个简单的无源设备，它由光纤分路器组成。用于连接OLT和多个ONU，并进行光功率分配。通常，一个分光器的分支比为2、4、8、16、32，并可以多级连接。3〕ONU功能ONU接收从WDM来的光信号，向下提供各种应用接口〔如10/100Mbit/s以太网接口、接口和有线电视接口〕。支持数据、话音和视频等业务，负责将上行数据传送到OLT，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。523.4EPON实际应用533.4EPON实际应用系统采用单光纤3个波长来传输全业务：OLT上/下行波长〔1310/1490nm〕通过波分复用，用于传输数据、语音和视频点播等双向业务。第三个波长〔1550nm〕用于下行CATV射频信号传输。采用这种设计，PON可以覆盖20km以内32个光节点。主干光纤上同时传输1490/1550/1310nm三个波长。节省一芯主干光纤，但是增加了两个高隔离度的WDM器件。同时，使CATV光节点缩小到一栋楼。543.4EPON实际应用〔续〕当主干光纤上同时传输1490/1550/1310nm三个波长时，节省了一芯主干光纤，但是增加了两个高隔离度的WDM器件，同时使CATV光节点缩小到一栋楼。553.4EPON实际应用〔续〕现在可采用独立的两个网络，即建设EPON网络时，可以不需要更动原有的HFC网络。HFC网络的光波长既可以用1550nm，也可以用1310nm。保护原有1310nm网络资源。1〕EPON＋CATV1550nm光纤系统563.4EPON实际应用〔续〕2〕EPON＋CATV1310nm光纤系统573.4EPON实际应用〔续〕1、OLT每千兆光口可带用户数：OLT既是一个交换机或一个路由器，又是一个多业务提供平台，它为PON提供光纤接口，根据以太网向城域网及广域网开展的态势，OLT在提供千兆光口的同时，还提供多个Gbit/s和10Gbit/s的以太网接口。在目前的系统中，每个OLT提供2--4个千兆光口。每个千兆光口可带的用户数目计算如下：583.4EPON实际应用〔续〕1、OLT每千兆光口可带用户数：按4Mbps/户计算，每千兆光口可带250个用户。按20%的使用率计算，可覆盖用户1250户。按每楼栋〔6层、4单元、一层2户〕50户计算可覆盖25栋楼。如果考虑同时使用率，其覆盖范围还将扩大。例如，同时使用率为50%，那么可覆盖50栋楼。593.4EPON实际应用〔续〕2、OLT的最正确安装位置OLT以放置在城域网络的分前端机房为佳，它上联会聚交换机，下联无源光网络，通过光纤连接到小区后，再经过光分路器连接到多个ONU。把OLT放置在分前端机房，那么可以通过OLT连接多个小区，充分利用OLT的端口和分前端的大量光纤资源。3、光分配网〔ODN〕的设计与应用在ODN的设计中主要涉及到光缆布线、平安保证、光分路器的级联等问题。ODN系统的设计主要与城市居民小区的物理分布有关。603.4EPON实际应用〔续〕4、ONU/ONT设计中的注意点1〕在EPON/FTTB+LAN的系统应用中，以楼为单位安装ONU，即每栋楼一个ONU。ONU一般安装在楼栋中间单元，这样布局有利于对其它单元交换机的业务进行会聚，因为楼内的LAN系统采用5类线，最远传输距离为100米。6162四、EOC634.2EOC工作原理广电城域网的接入网采用EPON到楼的结构时，OUN输出的以太网信号如何入户就成为需要解决的问题。解决方案有两种：a〕多个用户共用一个ONU，五类线入户方案ⅰ〕采用多用户输出端口的ONU：一个ONU平均带宽32Mbps，一个24口ONU可供24个用户共享32Mbps。ONU每个输出端口(RJ45)用五类线直接接入用户。ⅱ〕采用单用户输出端口的ONU：在ONU输出端口接以太网交换机，多个用户共享一个OUN，用五类线直接接入用户。644.2EOC工作原理〔续〕b〕多个用户共用一个ONU，同轴电缆入户方案这种方案的实质是将五类线上的以太网信号通过转换，使其能在同轴电缆中传输。这种变换称为EOC，EOC通过一种介质变换器来实现。介质变换器分为：无源的EOC---基带型有源的EOC---调制型实现方法可采用EPON到楼〔或光节点〕＋EoC+无源同轴网接入方案。65666768无源EOC网络架构图6970714.2EOC工作原理〔续〕2〕传输距离无源基带产品的另一个问题是对传输距离的影响。由于同轴电缆的介入，无源基带的信号传输实际是分为三段的，中间为同轴电缆，同轴电缆两侧均为五类线连接，通常，五类线的传输距离一般可达100米，引入同轴电缆作为中间传输介质后，虽然同轴电缆本身传输性能优良，不会对以太网信号造成太大衰减，但由于在两端经过了两次介质耦合，信号受到一定损失，因此，同轴无源基带系统中五类线的最大传输距离小于100m。724.2EOC工作原理〔续〕有源EOC工作原理：有源EOC的头端将ONU输出的以太网数据信号对射频载波〔该射频载波的频率与有线电视频谱不重叠〕进行调制，已调制的射频载波与有线电视射频信号在EOC头端频分复用后，输入同轴分配网传输到用户。用户的上传数据信号在EOC的用户端设备EOC-MODEM对上行射频载波进行调制后，通过同轴分配网上传到有源EOC的头端，在此解调为数据信号输出到OUN，再由EPON系统完成数据上传。737475764.2EOC工作原理〔续〕1〕采用WLAN〔WiFi〕的EOC同轴WiFi系统工作于2.4GHz，典型应用见以下图。77784.2EOC工作原理〔续〕2〕采用MoCA(同轴电缆多媒体联盟)的EOCMoCA每个频道占用带宽50MHz，物理层速率可到达270Mbps，吞吐量到达100Mbps。使用工作频带：因地区而异,如美国使用860－1550MHz,日本使用770－1030MHz。如果选择1GHz以下频段可以使用有线电视网络。目前只有一个芯片厂家〔Entropic〕，芯片价格还较高，产品c.LINK已经问世。

794.2EOC工作原理〔续〕2〕采用MoCA(同轴电缆多媒体联盟)的EOC特点：在800—1550MHz带宽内，每个50MHz频道理论上最大物理数据速率270Mpbs，最大有效数据速率130Mp