现代接入网技术 课件 第5章 HFC接入网

第5章HFC接入网5.1HFC接入网概述5.1.1HFC的发展HFC是采用光纤和有线电视网传输数据的宽带接入技术，它起源于广电有线电视网。随着社会经济的发展和人们对信息需求的不断增加，传统的有线电视网已经难以满足需求，并且在20世纪80年代后期，铜资源越来越紧缺，铜价不断上涨，铜线越来越贵；

而光纤、光通信设备的价格却越来越便宜，“光进铜退”已经成为发展趋势。光纤传输技术逐步被引入有线电视网，有线电视网已从全电缆网发展到以光缆作为干线、电缆作为分配网的HFC型有线电视网。HFC的主要优点是传输容量大、易实现双向传输。从理论上讲，一对光纤可同时传送150万路电话或2000套电视节目；频率特性好，在有线电视传输带宽内无须均衡；传输损耗小，可延长有线电视的传输距离，25km内无须中继放大；光纤间不会有串音现象，不怕电磁干扰，能确保信号的传输质量。5.1.1HFC的发展5.1.2HFC系统的频谱划分以我国HFC频带划分为例，根据GY/T106—1999标准的最新规定，在HFC接入网中，低端的5～65MHz频带为上行数字传输信道，通过QPSK和TDMA等技术提供非广播数据通信业务，65～87MHz为过渡带。87～1000MHz频带均用于下行传输，其中，87～108MHz频段为FM广播频段，提供普通广播电视业务；108～550MHz频段用来传输现有的模拟电视信号，采用残留边带调制（VSB）技术，每条通路的带宽为6～8MHz，因此共可以传输60～80路各种不同制式的电视信号；550～750MHz频段采用QAM和TDMA技术提供下行数据通信业务，允许用来传输附加的模拟电视信号或数字电视信号，但目前一般用于双向交互型通信业务，特别是电视点播业务。图5-1

典型的HFC频谱划分示意图5.2.1传统CATV网的结构传统的有线电视网通常由前端、干线传输系统、用户分配网络组成。一般采用树状拓扑结构，利用同轴电缆将CATV信号分配给各个用户。信号源从有线电视前端出来后不断分级展开，最后到达用户。5.2HFC接入网的结构图5-2一个传统的单向业务同轴电缆CATV网的结构1．前端有线电视网的前端部分主要负责接收来自各种信号源的信号，并对这些信号进行频分复用，将它们调制到不同的频段上，再输出到长途干线网络上进行传输。其中，信号源可以是开路广播电视信号、卫星电视信号、微波电视信号、运营商制作的本地电视节目信号。前端设备负责处理和混合多个信号源，它输出的信号频率范围为5MHz～1GHz。2．干线传输系统干线传输系统负责将从前端设备输出的电视信号传输给用户分配网络，主要功能包括信号传输、信号放大，这部分的线缆长度可达十几千米。3．用户分配网络信号分配系统负责将从干线传输系统传输过来的信号分配到楼群、单元，再由下引线将电视信号从用户分配网络引到用户的家中，完成电视信号到户的任务。在用户分配网络中，同轴电缆较短，一般为1～3km，主要由分支线、分支器、分配器等设备组成。由于同轴电缆具有传输特性，因此信号每传输一段距离就会产生衰减，并且在传输过程中，信号功率分配到各分支电缆也会造成信号的衰减。因此，在干线传输系统和用户分配网络中必须使用放大器来补偿这一部分衰减的信号功率。随着CATV网覆盖范围的不断增大，干线电缆也随之不断增长，被分割的次数逐渐增多，最终导致网络中使用的放大器数目剧增。当网络中放大器的数目过多时，将会严重影响CATV网的性能，导致信号出现严重失真。5.2.2HFC接入网的设计方案

在HFC接入网中，干线传输系统用光纤作为传输介质，而用户分配网络仍然采用同轴电缆。HFC接入网除可以提供原CATV网提供的业务外，还可以提供双向电话业务、高速数据业务和其他交互型业务，因此也被称为全业务网。

目前，基于HFC接入网的双向宽带接入主流方案主要有以下三种：CMTS+CM方案、EPON+LAN方案、EPON+EOC方案。表5-1所示为这三种双向改造技术的比较。图5-3CMTS+CM原理框图CMTS+CM方案是基于HFC接入网的最传统的方案，主要由前端、干线和用户分配网络这三部分组成，原理框图如图5-3所示。1．CMTS+CM方案1）前端CATV网中对前端的定义是进行电视信号处理的机房。在前端，设备完成对有线电视信号的处理，从各种信号源（天线、地面卫星接收站、录像机、摄像机等）解调出音频和视频信号，然后将音频/视频信号调制在某个特定的载波上，这个过程称为频道处理。被调制的载波占用8MHz的带宽，针对载波频率的国家标准规定为：一路电视信号是一个频道。在前端，许多不同频率的载波被混合，混合的目的是将各信号在同一个网络中复用（频分复用）。开展数据业务后，在前端设备中又加入了数据通信设备，如路由器、交换机等，可以接收来自Internet的数据。在HFC接入网中，前端包括来自各种信号源（卫星、本地）的电视信号、PSTN、Internet数据信息的接收与处理中心。2）干线正向信号（有线电视信号载波和下行的数据载波）在前端混合后送往各小区。如果小区距离前端很近，那么直接用同轴电缆就可以传输，在主干线路上的同轴电缆线路称为干线。干线一般采用低损耗电缆，但一般而言，300m左右的距离就需要加入放大器了。若小区距离前端较远，如5～30km，则需要采用光传输系统。光传输系统的作用是将射频信号（RF）调制到光信号上，在光缆上实现远距离传输，在远端光节点上从光信号中还原RF信号。光传输系统中的光发射机一般放置在前端机房中，光接收机放置在小区里。对于传输距离特别远的线路，可以在线路中加中继器，将光信号放大后再续传。反向信号（上行的数据载波）的传输路径与正向信号相反。各用户的上行数据载波信号在远端光节点上汇聚后，调制到反向光发射机，从远端光节点传输到前端机房，在前端机房从反向光接收机中还原RF信号，送入CMTS。正向信号和反向信号一般采用空分的形式在不同的光纤上传输。反向光发射机与正向光接收机可以构置在同一个机壳中，称之为光站。3）用户分配网络用户分配网络不仅完成正向信号的分配，而且完成反向信号的汇聚。正向信号在从前端通过干线（光传输系统或同轴电缆）传输到小区后，需要进行分配，以使小区中的各用户都能以合适的接收功率收看电视，从干线末端的放大器或光接收机到用户终端盒的网络就是用户分配网络，用户分配网络是一个由分支分配器串接起来的网络，如图5-5所示。2．EPON+LAN方案EPON+LAN方案的数据部分在物理上是和电视传输部分分开的，采用不同的设备、不同的线缆，实际上就是在原有的有线电视系统上另建了一个双向系统，在最后100m采用LAN技术，以五类双绞线入户，原理框图如图5-6所示。图5-6EPON+LAN原理框图在EPON+LAN方案中，二层以太网交换机的价格并不昂贵，并且数字信号在五类双绞线上没有调制/解调过程，若不考虑重新布线，则此方案的性价比是最高的，其优势如下。（1）运营商不承担用户终端的投入，网络升级改造方便。（2）接入带宽高，1000Mbit/s到小区，100Mbit/s到楼道，10Mbit/s到用户，可扩充性好，可以承载全业务运营。（3）采用外交互方式，不占用同轴电缆的频率资源，光传输采用EPON技术，传输链路中无有源设备，维护方便。（4）两个网络同时运营，单网故障相互不影响。（5）目前，LAN产品丰富，价格低廉；EPON产品的支持厂家众多，产品兼容性好。3．EPON+EOC方案随着光纤到楼、EPON技术的成熟和产品价格的下降，EPON+EOC方案在广电网络改造中得到越来越多的关注。目前，广电双向宽带接入网将EPON+EOC技术作为主流模式。典型的EPON+EOC方案如图5-7所示。图5-7典型的EPON+EOC方案5.3EOC技术5.3.1EOC技术概述EOC是在同轴电缆上传输以太网信号的一种技术，即以以太网系列技术为基础的数据接入技术，其物理传输介质是同轴电缆。它以其简单、稳定、安全、成本低等优点成为双向网改造技术中的首选，称为“最后100m解决方案”。广电城域网的接入网在采用EPON到楼的结构时，ONU输出的以太网信号如何入户就成为需要解决的问题。解决方案主要有以下两种。1．多个用户公用一个ONU——五类双绞线入户方案（1）采用多用户输出端口的ONU（2）采用单用户输出端口的ONU2．多个用户公用一个ONU——同轴电缆入户方案这种方案的实质是将五类双绞线上的以太网信号通过转换，使其能在同轴电缆上传输。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EOC（基带型）介质变换器、有源EOC（调制型）介质变换器。无源EOC是指原以太网信号的帧格式没有发生改变；有源EOC是指将以太网信号经过调制/解调等复杂处理后通过同轴电缆传输，同轴电缆上传输的信号不再保持以太网信号的帧格式。无源EOC技术是一种在同轴电缆上传输以太网信号的技术。原有的以太网信号的帧格式没有改变，最大的改变是从便于双绞线传输的双极性（差分）信号转换成便于同轴电缆传输的单极性信号。5.3.2EOC的工作原理1．无源EOC的工作原理5.3.2EOC的工作原理1．无源EOC的工作原理图5-8无源EOC技术原理

图5-10无源EOC网络架构实例2．有源EOC的工作原理

有源EOC的工作原理是：EOC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，输入同轴分配网并传输到用户。表5-2我国市场的有源EOC技术分类1）HomePNAHomePNA（HomePhonelineNetworkingAlliance，家庭电话线网络联盟）是一种可以利用家庭已有的电话线路，快速、方便、低成本地组建家庭内部局域网的技术。HomePNA可以利用家庭内部已经布设好的电话线和插座，不需要重新布设五类双绞线，增加数据终端如同增加电话机一样方便。HomePNA系统工作在低频段，其链路衰减小，覆盖范围较广；系统数据传输能力较好，频谱利用率高；采用TDMA工作方式，系统的以太网二层功能较全，能够实现基于流的QoS保证和业务管理；该系统网管能力较强，支持SNMP（SimpleNetworkManagementProtocol，简单网络管理协议）网管；在节点较少的家庭联网场合，是一种比较实用的技术。由于低频段的频谱资源有限，因此该系统不支持多信道工作，系统可扩展性较差；该系统采用FDQAM调制方式，系统接收范围较窄，抗干扰能力相对较差。2）HomePlugHomePlug（HomePlugPowerlineAlliance，家庭插电联盟）是领先的开发全球互联电力线通信规格的开放标准组织。该组织自成立以来陆续制定了一系列PLC（PowerlineCommunication，电力线通信）技术规范，包括面向室内多媒体宽带网络的HomePlugAV、面向宽带电力线接入的HomePlugBPL、面向较低带宽控制应用的家庭自动化的HomePlugCommand&Control，形成了一套完整的PLC技术标准体系，基本覆盖了所有电力通信技术的应用领域。HomePlugAV的目的是在家庭内部的电力线上构筑高质量、多路媒体流、面向娱乐的网络，专门用来满足家庭数字多媒体传输的需要。它采用先进的物理层和MAC层技术，提供200Mbit/s的电力线网络，用于传输视频、音频和其他数据。3）同轴Wi-Fi同轴Wi-Fi系统工作于2.4GHz，此类技术在入户的最后一段距离内将Wi-FiAP的2.4GHz微波信号经阻抗变换后，送入同轴电缆传输，接入端既可使用专用的接收设备，又可使用市场上普遍销售的802.11系列无线网卡。无线网卡既可以采用无线方式，又可采用同轴电缆有线连接。采用802.11g标准，PHY速率可达54Mbit/s，实际吞吐量可达22Mbit/s。4）MOCAMOCA（MultimediaOverCoaxAlliance，同轴电缆多媒体联盟）是产业标准，提供基于同轴电缆的宽带接入和家庭网络产品方案，MOCA的成员包括运营商、系统设备制造商、芯片供应商，它们构成了完整的产业链。MOCA利用C-link技术作为MOCA1.0规范的依据，使用的频率为800～1500MHz，每条信道使用50MHz的带宽，理论上最高可以获得270Mbit/s的数据传输速率。使用多个信道之后，理论上可以获得1Gbit/s以上的数据传输速率。工作在半双工模式，最大传输距离为600m，最多允许三级放大，可以支持31个用户或62个用户。其最大特点是可使用同轴电缆中的空余频段，在同一频带内进行双向通信，不需要专门留出上行带宽。由于MOCA系统工作于高频段，因此链路衰减较大，系统在传输对等带宽双向视频业务时，VOD视频质量不能保证。5）HiNOCHiNOC（HighperformanceNetworkOverCoax，高性能同轴网络）是一种利用有线电视网络中的同轴电缆，实现高性能双向信息传输的宽带接入解决方案。该技术在光纤到楼（FTTB，FiberToTheBuilding）网络结构的基础上，利用小区楼道和户内已经敷设、分布广泛的有线电视同轴电缆，无须对入户电缆线路进行任何改造，即可构建高速的信息接入网，实现多种高速数据业务的双向传输。HiNOC技术为最后100m的宽带接入提供了一种便捷、实用的新型解决方案，可提供吉比特每秒（Gbit/s）级别的接入速率，形成宽带、双向、全功能的互动接入方式。HiNOC技术针对同轴宽带接入场景做了很多优化设计，主要技术特点（1）吉比特宽带接入（MAC层的理论最高数据传输速率为1.14Gbit/s）（2）毫秒级时延抖动（3）高效率带宽管理（4）强功能中心管控（5）多维度干扰规避（6）全方位QoS（QualityofService，服务质量）保证

图5-11

HiNOC组网方案5.4HFC接入网的演进方向5.4.1HFC接入网存在的问题1．噪声问题HFC接入网在进行上行信号传输时，频段一般为5～65MHz，但是部分HFC接入网在很大程度上是树状结构，所以上行信道中的噪声是各支路噪声的总和，各支路噪声通过层层叠加使上行信道中的噪声增大，降低了上行信道的信噪比。2．回传信道过窄上行的传输频带为60MHz，一般情况下可以进行937个64kbit/s信道的传输。如果HFC接入网中的交互业务不断增多，那么上行信道会处于拥挤状态，会对网络的规范化产生一定的影响。3．生命力问题5.4.2HFC接入网的发展思路（1）消除干扰。HFC接入网在进行信号传输时解调会产生一定的干扰，为了使信息正常传输，需要消除干扰。消除干扰的途径有加强系统屏蔽隔离、提高同轴电缆和接头的使用要求，这些需要有良好的屏蔽性，在信息传输客户端应当用滤波器进行隔离。（2）回传信道过窄的思考。对于回传信道过窄的情况，客户端中的上行信道信号采用CDMA方式对编码进行扩频，使用户通过使用同一频谱的不同编码来进行区分；还可以通过智能调制解调器对各项业务动态分配所需的频率来达到目的，解调器需要有动态分配软件的支持才可以更好地运行。（3）HFC接入网还有很长的生存期，因此可以把HFC接入网和FTTC交互式信号进行结合，做到安全传输。

5.4.3有线电视网络的发展趋势随着互联网技术的发展和智能终端的普及，用户对广播电视的需求已逐渐向随时随地收看、点播、分享和再造转变。用户要求广播电视节目内容的传播能实现多屏互动，因此，传统广电市场面临来自包括IPTV、移动电视、互联网视频、OTTTV等在内的新媒体的严峻挑战，尤其是IPTV和OTTTV的快速发展对广电的基本收视业务产生巨大冲击。目前，有线电视网络的发展呈现如下趋势。1．同轴电缆网络是光纤向用户家庭和户内延伸的最好介质广电运营商拥有丰富的同轴电缆网络资源，2016年年底我国有线电视用户规模总量为2.52亿户，连接到这些家庭的最后一段（接入段和户内段）的传输介质都是同轴电缆。由于光纤具有