李遠東

（浙江普陀廣播電視臺，浙江 普陀 316100）

1 EPoC的發(fā)展背景

1.1 有線電視網(wǎng)絡(luò)相關(guān)情況

DOCSIS雖然技術(shù)很成熟且可承載多業(yè)務(wù)，但在國內(nèi)有線電視網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景中，存在以下問題:1）對HFC底層基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、分中心機房基礎(chǔ)設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)管理與運維、有線運營商經(jīng)濟與技術(shù)實力等的要求很高；2）上、下行帶寬不對稱，尤其是上行帶寬很小且?guī)缀醪豢蓴U展（雖有廠商在2011 Cable Show上推出5～200 MHz上行解決方案[1]，但速率僅有575 Mbit/s，頻譜效率很低）；3）CMTS的單位帶寬成本與CM價格目前仍然很高。由此造成的的現(xiàn)狀為:國內(nèi)成功運用DOCSIS的有線電視網(wǎng)絡(luò)公司很少，轉(zhuǎn)而不斷探索EoC技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。長遠來看，EoC是國內(nèi)有線電視網(wǎng)絡(luò)雙向化改造的應(yīng)用趨勢。但現(xiàn)有EoC滿足不了三網(wǎng)融合下多業(yè)務(wù)開展所需的多業(yè)務(wù)支持、高帶寬、強QoS、家庭多終端接入等核心需求，于是出現(xiàn)了EPONoC的發(fā)展趨勢[2]。但EPONoC本質(zhì)上還是有源調(diào)制EoC，所以其應(yīng)用場景受限，而且各種EPONoC技術(shù)獨立發(fā)展，不能互聯(lián)互通。

美國有線運營商之所以能成功地運用DOCSIS技術(shù)，是由于當初FCC《電信法》對有線運營商的保護、HFC的巨大投資、強大的電纜產(chǎn)業(yè)支撐、幾十年積累的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)工程經(jīng)驗，另一個重要原因就是美國的居住環(huán)境相對分散（這使得電信xDSL的接入速率低于有線的CM）。但隨著近幾年來各種新興的“帶寬密集型”應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，尤其是2007年FCC推出新的《電信法》以及電信運營商開始大規(guī)模FTTP建設(shè)，有線運營商面臨巨大的壓力[3]，同時DOCSIS在PHY及上行方面的固有缺陷愈發(fā)凸顯。在此背景下，美國有線運營商從2009年第4季度就已經(jīng)開始發(fā)展新的HFC接入網(wǎng)技術(shù)，并密切關(guān)注我國EoC的發(fā)展動向。

1.2 全球有線運營商越來越傾向于EPON

廣電總局從2008年開始評估將EPON作為有線電視網(wǎng)絡(luò)雙向化改造技術(shù)的可行性，之后，1G-EPON在國內(nèi)有線電視網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛部署（結(jié)合LAN，EoC），并有升級成10G-EPON的趨勢（目前10G-EPON已可在FTTx（x≠H）場景下商用部署，且產(chǎn)品互通性已具備）。另外，國內(nèi)已成功規(guī)模部署DOCSIS的天威、歌華、華數(shù)等正在關(guān)注的C-DOCSIS技術(shù)，從目前的技術(shù)體制來看，也要結(jié)合EPON才能實現(xiàn)。

北美有線運營商也一致看好EPON[3]，CableLabs于今年2月發(fā)布了DPoETM 1.0（DOCSIS Provisioning of EP?ON，DOCSIS的EPON配置），目的是在繼續(xù)利用DOCSIS后臺系統(tǒng)的同時，以EPON（1G-EPON或10G-EPON）向用戶提供更大的接入帶寬與更優(yōu)性能的服務(wù)[2]。2011年6月，CableLabs又發(fā)布了CCAP[2]，這實際上是一個可實現(xiàn)有線電視網(wǎng)絡(luò)扁平化與節(jié)能減排的融合型技術(shù)平臺，而其中也包括DPoE技術(shù)，由此可見北美有線運營商對EPON的重視程度。

1.3 EPON在有線電視網(wǎng)中的應(yīng)用場景受限

EPON是一種FTTH技術(shù)，但考慮到用戶普遍的應(yīng)用帶寬需求、成本投入（尤其是10G-EPON FTTH的成本）、市場競爭份額、用戶分布的密集程度等重要因素，目前把FTTH作為廣電接入網(wǎng)首選技術(shù)尚不現(xiàn)實。況且，放棄業(yè)已廣泛部署的、仍有巨大潛在利用價值的同軸網(wǎng)絡(luò)而部署入戶光纜是一種極不明智的行為，其CAPEX要比升級現(xiàn)有同軸網(wǎng)絡(luò)高出4～5倍。

1.4 同軸網(wǎng)絡(luò)具有巨大潛在價值

同軸電纜具有3 GHz的可用帶寬[4]，新興調(diào)制技術(shù)可使同軸電纜的頻譜效率達到20（bit·s-1·Hz-1）[5]，國內(nèi)有線電視網(wǎng)絡(luò)對同軸電纜的利用還很不充分，而在密集居住區(qū)內(nèi)最后100 m接入網(wǎng)的同軸資源在成本及可提供的帶寬上皆可與FTTH媲美[2]。全球的有線電視網(wǎng)絡(luò)都是HFC架構(gòu)，絕大多數(shù)均是以同軸網(wǎng)絡(luò)入戶。所以，有線運營商必須掌握并創(chuàng)新同軸接入技術(shù)，發(fā)展出具有高性價比、能適應(yīng)有線電視網(wǎng)絡(luò)各種應(yīng)用場景（包括光纖段與同軸段）的下一代HFC接入技術(shù)，而且該技術(shù)應(yīng)該能與EPON一起構(gòu)成一個統(tǒng)一的有線電視以太接入網(wǎng)架構(gòu)。基于EPON協(xié)議的同軸分配網(wǎng)絡(luò)（EP?ON Protocal over Coaxial Distribution Network，EPoC）即是這樣一種技術(shù)。

1.5 IEEE成立EPoC研究組

11月11日，IEEE 802.3工作組批準并成立了EPON PHY for a Coax Study Group（面向同軸接入的EPON PHY研究組）[6]。該研究組將致力于同軸專用接入技術(shù)EPoC的市場需求考察、網(wǎng)絡(luò)兼容性考量、基于現(xiàn)有技術(shù)的物理層標準制定。EPoC源于博通公司的EPOC[2]，但限于目前的技術(shù)水平，不能像EPOC那樣在任何應(yīng)用場景下都能實現(xiàn)端到端。EPoC代表了下一代HFC接入網(wǎng)的發(fā)展方向，因此得到了行業(yè)組織、有線運營商、芯片商、設(shè)備供應(yīng)商的大力支持。

2 EPoC參考架構(gòu)

EPoC將EPON的MAC層協(xié)議移植到有線電視網(wǎng)絡(luò)的同軸段[7]，并定義了新的PHY[6]，參考架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由同軸線路局端（Coaxial Line Terminal，CLT）、終端的同軸網(wǎng)絡(luò)單元（Coaxial Network Unit，CNU）以及同軸分配網(wǎng)（Coaxial Distribution Network，CDN）組成。工作原理如圖2、圖3所示。下行方向，CLT發(fā)送的數(shù)據(jù)信號廣播到其所覆蓋的所有CNU，CNU按照CLT分配的終端標識（Logic Link Identifier，LLID）只接收屬于自己的以太幀；上行方向，CNU發(fā)送的數(shù)據(jù)信號只達到CLT，而不會到其他CNU，為避免數(shù)據(jù)沖突并提高網(wǎng)絡(luò)利用率，EPoC的上行采用基于EPON MPCP的TDMA對各CNU的數(shù)據(jù)發(fā)送進行仲裁，并以DBA保證各CNU的QoS。據(jù)博通公司介紹，1G-EPON的1個OLT接口最多可接入254個CNU，10G-EPON的1個OLT接口最多可接入1000 個CNU。

3 EPoC的原理

EPoC的協(xié)議棧如圖4所示，基本上完全沿用EPON的MAC[7]。

3.1 MAC層

3.1.1 MAC客戶端子層

該子層提供EPoC MAC層與上層間的接口。

3.1.2 MAC實體與OAM客戶端

單播MAC實體在CLT與相應(yīng)CNU之間提供點到點仿真業(yè)務(wù)，由于物理層協(xié)調(diào)子層的存在，每個CNU只需對應(yīng)1個MAC實體。CLT中還有一個標記為SCB的MAC實體，結(jié)合IGMP Proxy（CLT）/Snooping（CNU）協(xié)議，用于處理下行廣播/組播業(yè)務(wù)。

CLT中的OAM客戶端用于建立并管理鏈路OAM，使能并配置OAM子層實體。在OAM發(fā)現(xiàn)過程中，OAM客戶端監(jiān)控來自CNU的OAM協(xié)議數(shù)據(jù)單元，并根據(jù)CLT與CNU狀態(tài)配置相關(guān)參數(shù)，使能鏈路上的OAM功能。

3.1.3 OAM子層

在OAM子層，CLT與CNU交互傳遞一類OAM幀，用于遠端環(huán)回控制、鏈路性能監(jiān)測、遠端故障告警等。可選IEEE 802.3ah中所定義的OAM或者由中國電信所定義的OAM，若選用后者，則可獲得比前者更多的運行、維護、管理功能，包括:1）OAM發(fā)現(xiàn)與能力通告；2）CNU基本信息上報；3）CNU認證；4）CNU升級軟件下載；5）“三重攪動”密鑰更換、更新、同步；6）DBA參數(shù)設(shè)置與讀?。?）用戶端口相關(guān)屬性管理；8）VLAN配置與管理；9）組播業(yè)務(wù)管控；10）QoS相關(guān)配置，如業(yè)務(wù)流分類與標記；11）重新設(shè)置CNU的Action功能，并規(guī)范了IEEE 802.3ah OAM中未規(guī)定清楚的屬性。EPoC完全引用了EPON的MAC協(xié)議，只是將在IEEE 802.3ah OAM中利用其所定義的擴展機制額外增加一些用于網(wǎng)絡(luò)配置、監(jiān)測、管理等的OAM消息。

3.1.4 DBA子層

EPON DBA子層提供了CLT為其所覆蓋的各CNU靈活且動態(tài)地分配一定長度上行時隙的MAC仲裁機制，可提高EPoC系統(tǒng)的上行帶寬利用率、保證業(yè)務(wù)公平性與QoS、根據(jù)LLID分配帶寬授權(quán)。

3.1.5 MPCP子層

MPCP子層（多點MAC控制子層）引入了EPON的MPCP協(xié)議，定義了點到多點同軸網(wǎng)絡(luò)的MAC控制機制，其中的GATE（授權(quán)幀）、REPORT（報告幀）、REGIS?TER-REQ（注冊請求幀）、REGISTER（注冊幀）、REGIS?TER-ACK（注冊確認幀）等5個MAC控制幀在CLT與CNU之間交互傳遞，用于CNU注冊、系統(tǒng)測距、DBA、CNU帶寬申請、CLT帶寬分配等。圖5以CNU的發(fā)現(xiàn)過程為例，分析了EPoC的MAC層工作原理。在注冊之后，CNU在CLT所安排的時隙中報告其緩存中用戶數(shù)據(jù)隊列情況，CLT據(jù)此為CNU安排數(shù)據(jù)發(fā)送時隙的起點及長度，實現(xiàn)動態(tài)帶寬分配。

3.1.6 加密子層

加密子層用于用戶數(shù)據(jù)加密及CNU接入認證。下行方向應(yīng)支持加密，上行則可選支持。EPoC專利文件中涉及的加密方法為AES[2]，但存在的問題是安全性能優(yōu)異的AES-128不符合國內(nèi)的商用密碼管理條例，所以，筆者認為，在國內(nèi)的應(yīng)用場景中，EPoC可選用由中國電信所定義的“三重攪動”算法，詳見中電信的EPON OAM。

3.1.7 MAC子層

MAC子層將上層所發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝到以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)之中，并產(chǎn)生校驗幀校驗序列碼，接收與發(fā)送以太網(wǎng)幀。

3.2 物理層

物理層（尤其是物理編碼子層、同軸附加子層、同軸相關(guān)子層）是實現(xiàn)EPoC的關(guān)鍵技術(shù)，這是EPoC研究組的核心任務(wù)。研究組的目標是定義下行10 Gbit/s，上行10 Gbit/s的頻分全雙工EPoC，但受限于同軸段的可用頻譜資源，相關(guān)廠家正在開發(fā)下行5 Gbit/s，上行1 Gbit/s的非對稱全雙工EPoC。由于EPoC的物理層尚處于研究階段，所以下文只簡要介紹其調(diào)制解調(diào)技術(shù)。

EPoC采用基于小波數(shù)學(xué)變換的多載波調(diào)制技術(shù)[7]，小波正交頻分復(fù)用（Wavelet Orthogonal Frequency Divi?sion Multiplexing，WOFDM）、離散小波多音（Discrete Wavelet Multi-Tone，DWMT）、子帶分集復(fù)用（Sub-band Division Multiplexing，SDM）等調(diào)制方式可選，也可選用目前廣泛用于EoC的OFDM。

作為一種先進的傳輸體制，OFDM相對于單純的單載波調(diào)制極大地提高了數(shù)據(jù)通信的有效性及可靠性，廣泛應(yīng)用于無線通信及廣播、DVB-C2、有源調(diào)制EoC等領(lǐng)域，但其缺點也較明顯。與OFDM基于快速傅里葉變換不同的是，小波多載波/多子帶調(diào)制是基于小波變換。小波變換改進了傅里葉變換只在信號的頻域進行、只能得到局部頻域特性的缺陷，在傅里葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，可在對信號進行局部頻域處理的同時，也進行局部時域處理。小波方案通過圖6所示的M通道多速率小波濾波器來快速實現(xiàn)。

以下行方向為例簡要說明小波方案的原理。在CLT中，基帶以太信號經(jīng)過FEC、交織、PAM等處理后成為x（n）信號，輸入M通道分析濾波器組[8-11]:先經(jīng)過小波帶通濾波器Hk（z）（0≤k≤M-1）將整個頻段分成M個不同的子帶xk（n）（0≤k≤M-1）；再將xk（n）信號饋入↓M（M倍抽取器）進行下采樣，把xk（n）的抽樣率降低M倍，得到vk（n）（0≤k≤M-1），以便針對信號能量分布的特點進行相關(guān)處理；最后把經(jīng)過小波變換及下采樣處理得到的子帶信號vk（n）相加，并發(fā)送到同軸信道進行傳輸；到達CNU后，為保證變換前后的數(shù)據(jù)總量不變（抽樣率一致），每個子帶信號vk(n)先饋入↑M（M倍內(nèi)插器）進行上采樣，得到抽樣率增至M倍的 μk（n）（0≤k≤M-1）信號，再輸入綜合濾波器組Gk（z）（0≤k≤M-1）去除插值過程中產(chǎn)生的映像，最后將綜合濾波器輸出的信號相加，重構(gòu)出(n)信號，(n)相比x(n)會有些許損傷，因為信號在M通道小波濾波器中可能會產(chǎn)生子帶混疊失真、幅度及相位失真、量化誤差等。“抽取”與“插值”是M通道多速率小波濾波器中的基本運算，目的是滿足EPoC系統(tǒng)中的CLT及CNU不同的信號抽樣率需求，以利于信號的處理、傳輸?shù)取?/p>

對于SDM原型樣機，在125 MHz寬度的同軸信道中，M（子帶個數(shù)）的取值為256，子帶寬度為100 kHz（各子帶共享1μs符號時間）[8]，可通過動態(tài)的軟件控制進行頻譜“開槽”以規(guī)避較嚴重的噪聲或開展其他業(yè)務(wù)?？膳渲妹總€子帶所承載的數(shù)據(jù)位數(shù)，能統(tǒng)計每個子帶的誤碼率。每個子帶的調(diào)制深度可變，目前可實現(xiàn)的頻譜效率為4～12（bit·s-1·Hz-1），理論上最高可達 20（bit·s-1·Hz-1）[5]。相關(guān)芯片廠商正在考慮M=512或1024 的ASIC芯片的研發(fā)。另外值得一提的是，SDM所有的處理是在基帶完成的，并通過小波帶通濾波器實現(xiàn)頻譜搬移（而非通過傳統(tǒng)的RF載波）。

小波方案中的各個子帶頻譜在時域及頻域均正交，因此各子帶之間的相關(guān)性很?。◣缀鯙榱悖?，子帶的獨立性很強[10-12]，阻帶衰減值可超過55 dB（甚至60 dB）[8]，因此在抵抗子信道互干擾方面的性能優(yōu)于OFDM（阻帶衰減值只有13 dB，旁瓣能量較大），如圖7、圖8所示。

另外，相比于OFDM，小波方案無需子信道間的時間保護間隔、循環(huán)前綴、PN序列，無需導(dǎo)頻[8-12]。從而提高了頻譜效率（約可提高33%[12]）。

4 EPoC的組網(wǎng)

考慮到各國有線電視頻譜標準、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、未來演進（高分割上行、全數(shù)字化、全IP化）等情況以及能對現(xiàn)有頻譜進行有效利用，EPoC的頻譜設(shè)置具有很大的靈活性（甚至可以針對某個有線運營商的具體情況進行頻譜定制）[7]，下行頻段可在54/65 MHz～2 GHz內(nèi)選擇，上行頻段可在5～250 MHz及900～2000 MHz內(nèi)選擇。由于小波方案具有很大的頻譜滾降（55 dB帶寬為6 MHz，3 dB帶寬為5.8 MHz），頻譜近似矩形，EPoC信號及與其相鄰的廣播電視信號、HFC網(wǎng)管信號、DOCSIS信號等相互間的干擾可忽略不計[8]，圖9給出了EPoC針對北美有線電視網(wǎng)絡(luò)的兩例頻譜安排。

EPoC具有很強的組網(wǎng)能力，適用于所有的應(yīng)用場景，如圖10所示，在有源CDN中，EPoC可以雙向放大。為了擴大覆蓋范圍，EPoC下行信號也可以先與電視廣播信號以同一波長傳輸至光節(jié)點，上行信號則通過CWDM以另一波長從光節(jié)點回傳至CLT，這樣可以節(jié)約光纖資源，并真正做到端到端。EPoC CNU也可支持以MoCA、IEEE 802.11等進行家庭組網(wǎng)[7]，建議在制定相關(guān)國際標準時，考慮融入IEEE P1905.1（融合數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)標準），其通過抽象層（也被稱為“類MAC”層，介于MAC層與網(wǎng)絡(luò)層之間）融合支持 IEEE P1901，IEEE 802.11，IEEE 802.3，IEEE MoCA 1.1及其他家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[13]。

5 EPON與EPoC的統(tǒng)一管理

統(tǒng)一管理使得廣電接入網(wǎng)的光纖段與同軸段具有相同的QoS與配置策略。可采用中電信定義的EPON OAM來配置接入同一個PON口的ONU與EPoC（CLT，CNU）。也可在EPON OLT中集成DOCSIS管理中間件[2]（如DML，DOCSIS適配層軟件），以利用現(xiàn)網(wǎng)中已部署的DOCSIS后臺系統(tǒng)來統(tǒng)一管理EPON與EPoC網(wǎng)絡(luò)。

6 小結(jié)

在電信大規(guī)模FTTH的嚴峻形勢下，國內(nèi)有線運營商所堅持的“在最后100 m同軸上進行技術(shù)創(chuàng)新，打造高速率、高性能、高可靠同軸接入網(wǎng)”的技術(shù)路線得到了全球同行的認可?！坝性凑{(diào)制EoC”和“EPON MAC+同軸OFDM”是國內(nèi)有線運營商、供應(yīng)商在HFC接入網(wǎng)改造過程中探索出來的創(chuàng)新方案[2]。EPoC代表了下一代廣電寬帶接入網(wǎng)的發(fā)展方向，是全球有線電視技術(shù)工作者的智慧結(jié)晶，有望成為性價比最高的接入網(wǎng)解決方案。

最后，將EPoC的主要特點總結(jié)如下:1）完全保留了EPON的MAC層與介質(zhì)無關(guān)接口協(xié)議，僅對OAM消息作適當擴展；2）重新定義了適應(yīng)于同軸信道的PHY；3）物理層速率具有升級至雙向?qū)ΨQ10 Gbit/s的潛力，可為將來的同軸高帶寬入戶提供低成本解決方案；4）頻譜可定制，組網(wǎng)形式靈活多樣；5）可實現(xiàn)與EPON、DOCSIS、DPoE等網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管理。

[1]CED Magazine.Arris boasts DOCSIS‘firsts’[EB/OL].[2011-06-14].http://www.cedmagazine.com/uploadedfiles/Ced/Show_Dailies/CED 2011-Cable-Show-Day1.pdf.

[2]李遠東，姚永.EoC的發(fā)展—EPONoC[J].電視技術(shù)，2011，35（14）:1-5.

[3]李遠東.北美及我國廣電接入網(wǎng)面臨的嚴峻形勢與技術(shù)發(fā)展概述[J].世界寬帶網(wǎng)絡(luò)，2011，（18）8:76-79.

[4]DRAVIDA S，GUPTA D，NANDA S，et al.Broadband access over ca?ble for next-generation services:a distributed switch architechture[J].IEEE Communicatios Magazine，2002（8）:116-124.

[5]CT’S Pipeline.Pipeline profile:mark laubach[EB/OL].[2011-5-16].www.cable360.net/ct/news/people/profile-Profile-Mark-Laubach_17654 .html.

[6]DVBCN.IEEE 802.3工作組批準成立EPoC研究組，打造同軸專用接入技術(shù)[EB/OL].[2011-11-18].http://www.dvbcn.com/2011-11/14-81910.html.

[7]Broadcom Corparation.Ethernet passive optical network over coaxial(EPOC):US，WO2011/031831A1[P/OL].2011-03-17[2011-05-02].http://www.wipo.int/pctdb/en/wo.jsp?WO=2011031831&IA=US2010048232 &DISPLAY=STATUS.

[8]MILLER W J，LING YI，LAUBACH M E，et al.Sub-band division multiplexing(SDM)and its applications[C]//Proc.Sarnoff Sympo?sium.Princeton，NJ:[s.n.]，2008:1-4.

[9]吳芩.基于濾波器組的小波變換研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2005.

[10]郭經(jīng)紅.小波變換與多速率濾波器組理論在抗干擾技術(shù)中的應(yīng)用[D].南京:東南大學(xué)，2000.

[11]張丙峰.基于寬帶無線信道的多載波調(diào)制理論與技術(shù)研究[D].濟南:山東大學(xué)，2008.

[12]RM wavelet based(WOFDM)PHY proposal for 802.16.3 Rev.0.0[EB/OL].[2011-08-20].http://www.ieee802163c-01_12.pdf.

[13]P1905.1-Standard for a convergent digital home network for hetero?geneous technologies[EB/OL].[2011-6-28].http://standards.ieee.org/develop/project/1905.1.html.