一、HFC網(wǎng)絡(luò)回傳問(wèn)題的提出
    HFC(Hybrid Fiber Coaxial)網(wǎng)絡(luò)是由光纖和同軸電纜網(wǎng)絡(luò)混合組成的，以星型或者樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為特點(diǎn)。從前端(Headend)到光節(jié)點(diǎn)采用光纖傳輸，如果要構(gòu)成雙向網(wǎng)絡(luò)，則每個(gè)光節(jié)點(diǎn)另外單獨(dú)需要1根光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向通信; 當(dāng)然，如果采用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)，上行就必須采用1310nm波長(zhǎng)，下行采用1550nm波長(zhǎng)。但是要引入光放大器提升下行總功率，需要采用高隔離度的波分復(fù)用器件。所以，如果構(gòu)建雙向HFC網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)展寬帶接入業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)回傳則需要很多根光纖，而且光信號(hào)到了前端后，前端需要很多回傳光接收機(jī)，同時(shí)匯聚噪聲會(huì)十分明顯。例如: 一個(gè)HFC網(wǎng)絡(luò)，采用星型結(jié)構(gòu)，有n個(gè)光節(jié)點(diǎn)，那么下行需要n根光纖，上行還需要n根光纖，前端再需要n個(gè)回傳光接收機(jī)，而且這n個(gè)光節(jié)點(diǎn)的回傳噪聲將會(huì)在前端的CMTS(Cable Modem Terminal System)匯聚，劣化回傳信號(hào)的載噪比，甚至導(dǎo)致回傳系統(tǒng)無(wú)法正常工作。所以如何低成本地構(gòu)建高質(zhì)量、寬帶的雙向HFC網(wǎng)絡(luò)是廣電實(shí)現(xiàn)寬帶接入的關(guān)鍵點(diǎn)。
二  “PON”及其特點(diǎn)
    無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network，PON)技術(shù)，是一種采用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(前端和光節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有有源設(shè)備、器件)的技術(shù)，是一種新興的透明的寬帶接入技術(shù)。它的參考結(jié)構(gòu)如圖1所示。PON網(wǎng)絡(luò)起始于前端的線路終端(OLT)，終止于光節(jié)點(diǎn)的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)。中間使用普通光分路器進(jìn)行光能量分路。
    信號(hào)從前端的OLT到用戶端的ONU稱(chēng)為“下行”; 信號(hào)從ONU到OLT稱(chēng)為“上行”。從這些特點(diǎn)來(lái)看，PON和我們的HFC網(wǎng)絡(luò)具有很多相似之處。
    PON采用樹(shù)形、星型分支結(jié)構(gòu)，多個(gè)ONU共享光纖和前端OLT的回傳光接收機(jī)。PON下行采用時(shí)分復(fù)用(TDM)方式，信號(hào)廣播式下發(fā)，和我們的HFC網(wǎng)絡(luò)的下行完全一樣，是“一發(fā)多收”;但是，信號(hào)的上行方式卻不一樣，各個(gè)ONU或者說(shuō)光節(jié)點(diǎn)共用一根光纖進(jìn)行回傳，回傳采用時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)，“多發(fā)一收”，前端只設(shè)置一個(gè)回傳光接收機(jī)，在任意一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)ONU發(fā)送信號(hào)，各個(gè)ONU單元輪流發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光纖和回傳光接收機(jī)的資源共享。
    同HFC網(wǎng)絡(luò)一樣，PON網(wǎng)絡(luò)也有總線型、樹(shù)形、星型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。PON系統(tǒng)一般采用無(wú)源單(雙)星形拓?fù)洌�分路比可以達(dá)到1∶16~1∶32，每個(gè)光節(jié)點(diǎn)可與數(shù)十個(gè)到數(shù)百個(gè)用戶端設(shè)備(CPE)相連。
       
    PON本身是一種多用戶共享系統(tǒng)，即多個(gè)用戶共享同一前端設(shè)備、同一光纜和一個(gè)光分路器，成本較低，其安裝、開(kāi)通和維護(hù)運(yùn)營(yíng)成本也相對(duì)較低。加之PON能夠提供透明寬帶的傳送能力，因此接入網(wǎng)正在大量應(yīng)用PON技術(shù)。國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)化組織也已經(jīng)制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
    目前主要有兩種比較有前途的技術(shù): A-PON和E-PON，即ATM-PON和Ethernet-PON。其中，A-PON的上、下行方向的信息傳輸都采用ATM傳輸方案，下行速率為622Mb/s或155Mb/s，上行速率為155Mb/s。光節(jié)點(diǎn)到前端的距離可長(zhǎng)達(dá)10~20km，或者更長(zhǎng)。
當(dāng)必須保證服務(wù)質(zhì)量(QoS)時(shí)，A-PON設(shè)備就成為首選的設(shè)備。A-PON的綜合接入系統(tǒng)具有ATM技術(shù)所特有的統(tǒng)計(jì)復(fù)用功能，可以充分利用帶寬資源，獲得節(jié)約帶寬的效果。
    目前的G.983.x系列建議規(guī)定A-PON中數(shù)字信號(hào)的標(biāo)稱(chēng)比特率有兩種: 一種是上、下行對(duì)稱(chēng)的155.52Mb/s;另一種是非對(duì)稱(chēng)的下行622.08Mb/s，上行155.52Mb/s速率。其雙向傳輸方法主要有兩種，第一種采用單纖波分復(fù)用方式，兩個(gè)波長(zhǎng)分別工作在下行1550nm區(qū)和上行1310nm區(qū); 第二種采用單向雙纖空分復(fù)用方式，工作在1310nm區(qū)，以便充分利用低成本的光源。
E-PON除幀結(jié)構(gòu)和傳輸速率與A-PON的不同外，其余所用的技術(shù)與A-PON所采用的許多技術(shù)類(lèi)似，E-PON的體系結(jié)構(gòu)也符合G.983.x系列標(biāo)準(zhǔn)的要求。
    E-PON和A-PON的主要區(qū)別是: 在E-PON中，根據(jù)IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議，傳送的是可變長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包，最長(zhǎng)可為65535個(gè)字節(jié)。而在A-PON中，根據(jù)ATM協(xié)議的規(guī)定，傳送的是53個(gè)字節(jié)的固定長(zhǎng)度信元。所以，A-PON系統(tǒng)不能直接用來(lái)傳送IP業(yè)務(wù)信息，如果要傳送IP業(yè)務(wù)，就必須把IP包拆分，構(gòu)成一個(gè)個(gè)ATM信元。這個(gè)過(guò)程除費(fèi)時(shí)外，還增加了OLT和ONU的成本，而且ATM的信頭也是對(duì)帶寬的一種浪費(fèi); 與此相反，以太網(wǎng)適合攜帶IP業(yè)務(wù)，與ATM相比，極大地減少了開(kāi)銷(xiāo)。E-PON的下行速率為1000Mb/s或者100Mb/s，上行為100Mb/s。
三、結(jié)合PON技術(shù)的HFC雙向光網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)
    結(jié)合HFC雙向光網(wǎng)絡(luò)的功能特點(diǎn)，我們提出了“結(jié)合PON技術(shù)的HFC網(wǎng)絡(luò)雙向化光網(wǎng)絡(luò)”的設(shè)計(jì)。即采用PON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建雙向HFC光網(wǎng)絡(luò)，下行仍采用原有的光端機(jī)，廣播式下行占用一根光纖(如果是環(huán)網(wǎng)，則加倍)，所有光節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)回傳占用一根光纖(如圖2所示)。當(dāng)然，如果采用波分復(fù)用(WDM)方式，可以1550nm波長(zhǎng)光發(fā)射機(jī)下行，所有光節(jié)點(diǎn)用1310nm的FP激光器進(jìn)行回傳，再用若干1310/1550波分復(fù)用器即可。
    系統(tǒng)采用無(wú)源光分路技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行多級(jí)無(wú)源光分支，前端與光節(jié)點(diǎn)可以星型、樹(shù)型、總線型三種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)，分別適用于不同地域和應(yīng)用場(chǎng)合(如圖2所示)。
     
    雙向HFC網(wǎng)絡(luò)目前開(kāi)展的主要業(yè)務(wù)是IP業(yè)務(wù)，所以采用E-PON技術(shù)是最合適的，它不需任何復(fù)雜的協(xié)議，光信號(hào)就能精確地下行傳輸?shù)絆NU; 來(lái)自光節(jié)點(diǎn)ONU的數(shù)據(jù)也能被集中傳送到前端。在物理層，可以使用1000Base的以太PHY; 同時(shí)，增加MAC控制命令進(jìn)行控制和優(yōu)化各ONU與前端OLT之間突發(fā)性數(shù)據(jù)通信和實(shí)時(shí)的TDM通信。在協(xié)議的第二層，可以采用成熟的全雙工以太網(wǎng)技術(shù)，使用TDM技術(shù)后，ONU在自己的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)，網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有碰撞，所以不需CSMA/CD，從而充分利用帶寬。另外，E-PON技術(shù)通過(guò)在MAC層中實(shí)現(xiàn)802.1p以及動(dòng)態(tài)帶寬分配(DBA)技術(shù)來(lái)提供與A-PON類(lèi)似的QoS。
    下行設(shè)計(jì)采用QAM調(diào)制器，將數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到電視信號(hào)的空閑頻帶內(nèi)，和下行TV信號(hào)混合后送入下行的光發(fā)射機(jī)。下行的數(shù)據(jù)信號(hào)除了凈荷外還要加上管理開(kāi)銷(xiāo)。在光節(jié)點(diǎn)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，TV信號(hào)送到用戶，QAM信號(hào)被解調(diào)，根據(jù)TDM時(shí)隙分配，解出各個(gè)光節(jié)點(diǎn)本地的信號(hào); 回傳可以采用價(jià)格便宜的1310nm的FP激光器，甚至LED，回傳調(diào)制是采用我們已經(jīng)研發(fā)成功的“突發(fā)模式(Burst-Mode)”數(shù)字光發(fā)射電路�；貍餍盘�(hào)以數(shù)字調(diào)制的形式，在前端分配給自己的時(shí)隙內(nèi)將信號(hào)回傳到前端。這樣，前端僅僅使用一臺(tái)回傳數(shù)字光接收機(jī)就可以接收所有光節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，而且克服了回傳噪聲的影響。
    DBA技術(shù)保證各個(gè)光節(jié)點(diǎn)回傳信號(hào)的帶寬能夠按照業(yè)務(wù)需求實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)帶寬分配，帶寬的分配可以很細(xì)密的方式進(jìn)行，最小顆粒可以為64kb/s，這點(diǎn)和其他一些接入的呆板方式完全不同。PON技術(shù)體系中的“硬件攪動(dòng)”技術(shù)可以保證網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的安全性。
綜上所述，構(gòu)建結(jié)合PON技術(shù)的HFC網(wǎng)絡(luò)是解決目前HFC實(shí)現(xiàn)寬帶業(yè)務(wù)接入的行之有效的方法。
四、結(jié)合PON技術(shù)的HFC雙向光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)
    首先，關(guān)鍵技術(shù)主要集中在IP等業(yè)務(wù)信號(hào)在HFC網(wǎng)絡(luò)下行信道的適配、映射和QAM調(diào)制，由于下行信道質(zhì)量較高(CNR>51dB)，所以可以采用256QAM調(diào)制以降低帶寬占用。
    其次，將PON中的成熟技術(shù)應(yīng)用到HFC網(wǎng)絡(luò)中，比如測(cè)距技術(shù)、動(dòng)態(tài)帶寬分配技術(shù)、突發(fā)發(fā)射、突發(fā)同步和硬件攪動(dòng)擾碼技術(shù)等。