面向下一代广播电视网络的融合接入系统设计

冯海亮施玉海

（国家新闻出版广电总局广播科学研究院）

王海东

（国家新闻出版广电总局监测中心202台）

摘要：本文通过对现有光纤无线接入系统的研究，设计了一种面向下一代广播电视网络的融合接入系统。系统充分结合光纤高速传输和700MHz大范围无线覆盖特性，能够满足未来多样化广播电视及数据宽带业务的接入需求。关键词：光纤接入700MHz1 前言通信技术的突破和新业务需求的涌现都驱动通信网络从有线的宽带通信向灵活便捷的无线通信扩展，下一代网络将是有线和无线融合的全IP的宽带通信网络。早在20世纪90年代中期，通信行业就提出固定通信网与移动通信网融为一体的 FMC（Fixed Mobile Convergence，固定网络与移动网络融合）概念，用户不论在固定环境中，还是在移动环境中都能享受到相同的服务，获得相同的应用。随着HDTV、VOD等带宽密集型业务的出现和发展，融合宽带接入技术正受到学术界和运营商越来越多的关注^[1]。在有线领域，只有光纤接入的EPON能够为最后一公里提供吉比特速率的较低成本接入。在无线领域，700MHz频段作为宽带无线接入技术的“黄金频段”具有公里级覆盖范围，而且能够适应多种地形进行无线覆盖。本文首先介绍了目前光纤无线接入主要技术体系，然后研究提出一种有线无线融合接入系统设计方案，详细介绍了系统总体框架和有线、无线接入系统的技术体系，该系统将EPON与基于700MHz频段的无线传输技术融合起来既可以有效地降低成本，也可以为用户提供高带宽、高移动性的服务。2 光纤无线接入主要技术体系下一代广播电视融合接入网络是在一个共享的框架中传输多业务，把有线和无线两种传输技术结合在一起，综合各自的优势，把无线覆盖作为有线覆盖的有效延伸，是建立真正“多接入、广覆盖、高带宽”的广播电视传输网络的有效手段。融合接入技术体系研究目前主要有两种方式：一种是光纤无线电技术（Radio over Fiber，RoF），该技术是将光网络融入无线网络当中，光纤作为基站与中心站之间的传输链路，直接利用光载波来传输射频信号，这种方式可以把复杂昂贵的设备集中到中心站点，有效地降低功耗和基站建设成本，但是调制设备设计非常复杂，网络改造较多，且技术还处于不断发展和完善中；另一种是EPON与WiMAX融合宽带接入技术，将EPON技术应用于WiMAX无线网络的有线传输系统，在低成本解决基本的无线业务传输的同时，还可以充分发挥其高带宽的优势，同时提供各种宽带接入服务，使无线网络成为一个可以同时提供无线、有线业务的综合网络，其简单灵活的特点，可以大大降低网络整体的拥有成本和维护费用。对广播电视网络而言，基于现有的以太无源光网络（EPON），采用“EPON+EOC+无线”^[2]的架构模式实现有线无线融合接入，这种方式对现有网络改造较小，可以有效利用广电现有资源完成融合接入网络建设，具有切实意义，也是本论文的主要研究内容。3 融合接入系统方案设计3.1 架构设计本方案采用点到多点的树状布网结构,网络架构的演进分两个阶段完成，如图1所示，在初期阶段为保护现有网络运营商在光纤网络EPON上的投资，采用现有的PON OLT光线路终端设备，为融合无线和同轴电缆接入，在OLT之下增加类似ONU的局端设备CLT (cableline terminal)，CLT支持扩展的EPON MAC层协议，该MAC协议设计支持无线和有线接入（光纤和同轴电缆）的融合，CLT同时完成同轴电缆的无线接入的物理层功能，成为无线接入和同轴电缆有线接入的接入点。而光纤入户ONU直接接入PON OLT。无线终端管理器完成对OLT以下接入无线终端的移动性管理等功能，CLT和无线终端管理器通过IP协议交换管理信息。后期光纤网络升级为10G EPON，光线路终端设备OLT演进为ILT（integrated line terminal），如图2所示，而CLT演进为媒介转换器CMC (coaxial media converter)。CMC跨接光纤和同轴电缆、无线接入系统，将无线接入和同轴电缆接入数据直接被封装成统一的数据帧直接进行管理和传输。ILT融合ONU和CNU功能，完成下一代广播电视融合接入系统MAC层的支持，以及数据帧的解封装。原有的无线接入终端M-CNU、同轴电缆接入终端CNU和光接入终端ONU保持不变，保持了对原有终端设备的支持。在传输链路方面，物理层上将无线信号和PON基带信号同时以IP数据包形式承载在一根光纤上,实现多业务综合接入^[3]。通过无线接入基站，无线信号可以直接从光信号解调出来然后编码调制为射频信号，便于进行无缝的无线覆盖。光信号也可以直接输送到用户终端，或者调制到同轴电缆送到用户终端。在融合的数据链路层上，设计综合的资源调度和动态带宽分配协议，统筹有线和无线两种接入技术的基础之上，实现端到端的资源调度和业务传输。该设计方案不仅结合了光纤接入的带宽优势和无线接入的移动性、灵活性优势，还将两个领域内的带宽分配/预留、连接授权控制和传输调度机制，进行了联合设计，从而对系统整体的资源管理提供了更偏近于光的解决方案，进而更好地支持了端到端的QoS保证，并提高吞吐量、端到端延时等性能指标。

图1. 短期网络架构

图2. 长期演进网络架构

与标准的EPON系统相比，OLT和ONU都进行了重新设计，以保证系统中无线和有线业务融合在光纤上传输。1. 在下行方向为了实现EPON有线网络和无线网络的数据以IP包的形式同时进行传输，下行信号经过媒体转换器（CMC或M-CMC）后，分别送到网络单元（ONU、CNU）和无线接入点（BS），实现有线信号和无线信号的分离。上行信号在网络单元和BS形成IP数据包，经过CMC后由ILT统一调度。2. 在传统的无线接入系统架构中，无线资源管理集中在各个BS端，不同基站的无线资源管理信息不能及时相互交流，这样系统就不能高效运行。而在本融合系统中，由ILT管理所有基站的无线资源，相当于有了一个集中控制器，ILT实时地知道所有基站中的无线资源信息，因此ILT能够根据实际情况通过一定的算法实时动态的为各个基站分配无线资源，使无线资源能够得到充分的利用，使负载在各个基站间保持平衡，这样系统效率就能得到提高。如果结合MIMO、自适应调制技术等一些先进的无线传输技术，系统效率还会有所提高。3. 物理层关键技术：在有线（光纤和同轴电缆）传输中采用LDPC码（长码）编码和OFDM技术。无线传输中采用新设计的LDPC码（中短码）；有线和无线接入同时支持采用TDD和FDD的双工方式；无线下行采用OFDMA，上行采用SC-OFDMA接入技术。4. MAC层的关键技术：有线和无线接入设计统一的MAC层。无线接入的MAC层相比有线接入的MAC层增加切换、移动性管理、功率控制等功能，其中有线无线共用的功能在ILT中实现，包括调度、带宽分配等，无线接入的专有功能在ILT中增加无线终端管理服务器，调度在不同ILT和同一ILT下不同BS之间的数据传输和切换。3.2 有线接入系统方案设计本文所述融合宽带接入系统的有线接入端基本构架是面向HFC网络的，在物理层方面光传输部分EPON的物理层使用IEEE802.3ah/802.3av 协议，但同轴部分采用多种物理层（比如G.hn、HiNOC、DOCSIS3.x）结构^[4]。通过CMC来跨接光纤网络和同轴电缆网络，在同轴电缆上使用射频信号传递数据，在光纤网络上使用光信号与OLT通讯。所有设备的MAC层使用扩展的IEEE802.3av(10G EPON)协议，通过媒体转换器在两种不同物理层之间完成信号传输。图3中ILT为有线电视网络专属的PON光网的局端，不同于EPON中的OLT，它兼具了EPON的OLT和CDN（同轴电缆分配网）的CLT功能，即ILT也能用于CDN同轴电缆分配网中。光铜一体化宽带接入的构架满足有线电视网络从同轴宽带接入向FTTH光纤到户平滑升级的需求，支持在CDN和ODN网络的宽带接入，能有效保护运营商现在和未来投资。

图3. 有线接入的融合分层结构

3.3 无线接入系统方案设计无线接入系统的方案设计主要针对物理层和MAC层技术。对于物理层，下行链路使用频谱效率很高的正交频分复用（OFDM）技术作为主要调制方式，实现数据高速率传送。上行链路以降低发射终端的峰均功率比，减小终端体积和成本为目标，研究选取SC-FDMA方式实现。另外，还需要考虑分层调制、链路自适应和混合ARQ（HARQ），以适应基于数据包的快速数据传输。链路自适应结合自适应传输带宽、功率控制和自适应调制编码的应用，分别对频率资源、干扰水平和频谱效率等性能指标做出最佳调整，同时技术架构中考虑支持多天线的传输方式以增强传输性能。对于MAC层，通过扩展IEEE802.3av 10G EPON MAC协议，基于700MHz频段无线接入的MAC和EPON中的MAC层充分融合，形成完备的数据帧，支持其网络接入能力及带宽分配功能，在满足EPON中MAC层现有功能同时，增加对无线接入的支持。与EPON中MAC相比，无线接入系统MAC主要存在如下几点区别：一、移动终端的移动性要求无线网络接入单元内部应该具备很强的移动性管理能力；二、无线接入系统有效运行的最大影响因素是信号间的干扰，为降低无线系统中信号间的冲突，MAC层协议需要有效的对各个无线网络接入单元进行控制；三、相比有线信道的传输，无线信道的误码率比较高，这就要求在MAC层协议设计中运用更优的差错控制算法。

图4. 无线接入的融合分层结构

4 总结光纤无线融合接入技术是未来宽带网络接入的发展方向，为满足三网融合多业务接入需求，下一代广播电视融合网络需要为用户提供灵活的接入方式。从有线接入网络的发展来看，将EPON+EOC和FTTH两种技术模式结合起来，既充分利用了现有的有线电视同轴电缆资源，又满足了向FTTH光纤到户的演进，与EPON无缝连接，可为每个用户提供低成本的语音、图像和数据的多业务宽带接入，有效地实现有线电视网的“三网融合”。无线方面，700MHz频段作为宽带无线接入技术的“黄金频段”具有公里级覆盖范围，而且能够适应多种地形进行无线覆盖，弥补有线网络之不足，延伸广电网络覆盖范围。本文通过对现有光纤无线接入系统的研究，设计了一种面向下一代广播电视网络的融合接入系统，并详细介绍了系统的架构和传输技术体系。通过该系统，充分结合光纤高速传输和700MHz大范围无线覆盖特性，可以实现数字广播网络化、双向化及对移动性的支持，并满足多样化广播电视及数据宽带业务的接入需求。5 参考文献[1] 韦毅梅，卢麟．EPON的体系结构和关键技术[J]．光通信研究，2003.[2] 季飞. HFC接入网模块化设计探讨[期刊论文]-电视技术2011,35(8).[3] J. i. Kani, F. Bourgart, A. Cui, A. Rafel, M. Campbell, R. Davey, and S. Rodrigues, Next-generation PON-part I: technology roadmap and general requirements, IEEE Communications Magazine, vol. 47, pp. 43-49, (2009).[4]W. Ji and J. Chang, Design ofWDM-RoF-PONforwireless andwire-lineaccess with source-free ONUs,” Design of WDM-RoF-PON for wirelessand wire-line access with source-free ONUs, J. Opt. Commun. Netw.,vol. 5, no. 2, pp. 127–133, Feb. 2013. 编辑：中国新闻技术工作者联合会