HINOC同轴电缆接入系统技术方案
欧阳峰 崔竞飞 赵玉萍
（国家广电总局广播科学研究院 北京大学信息科学技术学院）
摘要： 本文介绍了面向下一代广播电视网（NGB）的同轴电缆接入技术HINOC（HIgh performance Network Over Coax），该技术利用已经敷设到户的有线电视传输电缆为每个家庭构建宽带数据接入网络。系统设计指标为112Mbps的每户独享物理层接入速率，可以满足高清电视、高速上网业务的要求。文中介绍了HINOC系统整体技术方案，关键技术，组网方式进行了探讨，并对技术的进展情况做了介绍。 关键词： HINOC NGB 三网融合 同轴电缆接入 组网方案。 1． 引言 三网融合是国家信息化工作的重要组成部分，该任务已被纳入到国家发展战略。2010年1月21日，国务院颁布《推进三网融合总体方案》（国发[2010]5号），标志着三网融合进入了实质性推进阶段。 广播电视网络是国家重要的信息基础设施，是三网融合的基础网络之一。下一代广播电视网（NGB，Next-Generation Broadcast）目标是以自主知识产权的关键技术与标准为核心，用10年时间构建覆盖全国3亿用户和连接2亿家庭的、平均接入速率100Mbps可扩展的、全程全网的、宽带交互式的、可拓展的、具有业务质量保证的、国际先进水平的网络平台。加快NGB的建设对于推动三网融合的进程具有十分重要的意义。 NGB规划中，网络的升级和改造是重点，需要建设可以支持包括语音、视频和互联网等各类数字业务的强大融合性支撑网络，同时，未来业务的发展将以视频为主，对网络带宽的需求将日益增强。 随着我国光纤网络通信技术的日趋成熟，我国骨干网络光纤化进程基本达到稳定的阶段，在许多地区，光纤已经铺设到居民小区或楼栋楼头，而从光节点设备到用户的“最后一公里”的接入网络已成为整个宽带网络的瓶颈。而目前我国接入网络的现状是，大部分的宽带接入速率仅1Mbps到2Mbps，无法支撑融合性的业务需求。 广泛分布的同轴电缆作为有线电视网络资源的核心，具备资源条件优越、通信质量良好、通信容量巨大、不易受干扰、无需重新布线等特点，蕴含巨大的发展潜力，在技术和经济上光纤到楼头已具备可行性并正在成为网络建设的趋势，基于楼内的同轴电缆网实现网络高速接入，正在业内得到广泛的认同。 2． 现有同轴接入技术分析 用于广播电视业务传输的同轴电缆已经敷设到每一个家庭。同轴电缆传输特性好，系统可使用带宽从低频段覆盖到1GHz以上。因此在电视电缆与室内终端设备之间增加机顶盒，进而组建新一代宽带接入网，是每个家庭实现高速宽带接入的简单快捷的方案。 当前已有一些国外的组织或联盟提出了一些基于同轴电缆的宽带接入方案，包括DOCSIS、HomePlug AV over Coax、HomePNA over Coax、MoCA等，其中HomePlug AV和HomePNA over Coax都是将原来分别用于电力线的HomePlug技术和基于电话线的HomePNA技术直接用在同轴电缆上，其主要问题是没有充分考虑同轴电缆良好的传输特性，而沿用原有的强干扰、传输特性差的电力线环境下的系统参数，导致系统传输效率不能得到有效地提高。另外其通信频段主要集中于低频端，可使用的频段资源较少。MoCA1.0技术使用800MHz～1500MHz频段。每个信道带宽为50MHz，采用OFDM调制和TDMA/TDD技术。MoCA的主要问题是设计带宽为50MHz，不能适应我国电视频道带宽为8MHz的要求。另外，MoCA要求50MHz的相邻频带不可以使用，导致系统的效率很低。另外，它是针对家庭网络而设计的，不完全适于宽带接入的应用需求。 HINOC（HIgh performance Network Over Coax）系统是研究团队多年自行研发的同轴电缆接入系统。该系统是针对同轴电缆应用环境设计的，充分考虑了同轴电缆良好的传输特性，使系统的频带利用率比国际上已有的几种技术方案有了非常大的提高。 3． HINOC系统设计概述 HINOC系统由头端设备（HINOC Bridge，简称HB）和终端设备（HINOC Modem，简称HM）组成，其解决方案如图1所示。 其中HB连接在光设备的末端，一方面作为与光设备的唯一接口设备对数据进行传输，另一方面也作为整个网络的中心控制单元对HM进行统一控制。HM终端设备也称为机顶盒或调制解调器设备，其一端通过楼内有线电视同轴电缆连接到头端设备HM，另一端直接与家庭的电视、计算机等终端相连。一个HB可同时连接32个HM，多个HB还可以捆绑为一体同时连接一个或多个HM，即根据业务的需求，HB与HM之间可以形成一对多，多对一或多对多的网络拓扑形式。 我国现有有线电视系统的单频道占用8MHz带宽，在模拟电视向数字电视演进的过程中，可能出现单独的8MHz空闲电视频道。为了充分利用空闲的频带资源，系统单信道带宽定为8MHz的整数倍，同时要求系统对相邻信道干扰小，信道之间隔离度好，保证相邻信道能够同时使用。考虑高清电视等宽带业务的带宽需求，HINOC系统采用最高1024QAM调制，理论上频带利用率为10比特/s/Hz。考虑相邻频带间的保护间隔（256个子载波中可用子载波只有210个）、OFDM循环前缀的消耗、纠错编码导致的效率降低、Pd/Pu帧以及同步序列所占的资源等，在16MHz带宽上信息传输速率为112Mbps，频带利用率达到7bit/s/Hz，并且保证误码率BER在10-9以下，能够支持实时视频业务传输。 HINOC系统上下行数据采用时分传输，系统设计简单，物理层只包含四种帧结构，分别为上行探测帧（Pd帧）、下行探测帧（Pu帧）和上/下行数据帧（Du/Dd帧）。四种帧均采用OFDM（正交频分复用）技术进行数据传输。考虑到系统频带利用率与实现复杂度等制约因素，一个OFDM符号包含256个子载波。 由于同轴电缆传输通道具有一定的频率选择性衰落，不同的子载波呈现出不同的衰减特性，而且其衰落特性是不随时间变化的。为了充分利用频带资源，系统采用自适应调制技术，调制方式包括QPSK、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM、128QAM、256QAM、512QAM、1024QAM共9种，并且自适应调制方式的选择是对每个子载波独立进行的。 4． HINOC组网方案 HINOC系统根据光节点距离用户家庭的距离，可以采用以下两种组网方案。 （1）FTTB＋楼内分配网络的组网方案 这种基于光纤到楼（FTTB）的组网方案是当前最为可行的接入方式。其组网结构如图2所示。 图中椭圆圈所括即为一个独立的有线电视楼内分配网络。信息数据信息到达HB结点并被调制到同轴电缆的一个HINOC信道后进入楼宇分配网络，经后者到达位于同一信道的各HM结点，并经HM解调后传送到数字终端设备。 在一个楼内分配网络可以划出多个HINOC信道，在每个信道都可以单独构建一个HINOC网络，各信道之间按照FDM方式分隔。图 3从信道复用的角度给出了在同一根同轴电缆内构建多个HINOC信道的组网示意图。 下行链路来自网络侧的以太网信号以FTTB方式到达小区楼宇门口，经HB调制到同轴电缆的一个HINOC信道内，并通过楼内分配网络和电缆终端盒传送到位于住户家内的HM，经HM解调后（通过HM的以太网接口）传送给个人电脑（PC）、高清电视接收机（通过IP机顶盒）等终端设备。上行链路从各终端设备上行的数据信号经对应的HM调制后进入同轴电缆分配网络到达HB，由HB解调转换后送到骨干网络。CATV节目信号在HB处与以太网信号一起混合进入电缆分配网络，被户内的电视机接收，因此不影响原有电视节目的收看。 HINOC信道的配置划分灵活，可以是多个用户（家庭）共享一个HINOC信道，也可以是每个用户（家庭）分配一个HINOC信道，后者是较为典型的配置模式，这样每个用户可以享有该信道提供的全部用户接入速率。未来，根据用户需要还可以进一步扩展用户接入速率，使一个用户享有多个HINOC信道的带宽。 （2）FTTH＋户内分配网络 在已经实现光纤到户（FTTH）的情况下，HINOC技术用以解决户内接入问题。数据信号经过光分路器后到达位于住户家庭入口处的光节点，与光节点连接的HB将信号调制到同轴电缆某个HINOC信道，然后送入同轴电缆户内分配网络，再经HM解调最终到达用户终端。在此方案中，HINOC技术用于通过同轴电缆构建户内接入网，此时每个用户（的多个HM设备）最大可以享用整个同轴电缆的所有信道所能提供的接入速率。 5． HINOC系统关键技术 对于HINOC同轴电缆宽带传输系统来说，由于系统从整体设计、算法研究、硬件实现等多方面是自主创新的技术，为了实现高达7bit/s/Hz频带利用率，系统在整体设计过程中考虑了多种影响因素，在系统实现过程中也面临着很大的挑战，具体内容包括： （1）同轴电缆传输特性的研究 目前国内外对同轴电缆传输特性的研究相对来讲比较缺乏，特别是网络中的分支器、分配器、放大器等有源/无源器件对同轴电缆传输通道的幅度及相位特性的影响还没有可信的模型，因此系统设计的第一步就是基于我国有线电视网的复杂环境，研究带有分支分配器和中继器的同轴分配网络传输特性，并根据测量和理论分析结果建立同轴电缆信道模型。 （2）高阶调制与高性能纠错码的研究 在调制技术方面，由于系统采用1024-QAM等高阶调制技术，因此射频相位噪声、I/Q不平衡等问题对高阶调制的影响不容忽略，并成为系统特性提高的制约因素之一。在纠错编码方面，由于系统数据传输帧相对较短，而现有高性能纠错编码技术一般在帧长相对较长的场景下能够发挥其优势，因此提高短数据帧业务的纠错能力也是研究的主要内容。另外在家庭使用场景中，其他电气设备的冲击脉冲干扰、强单频干扰对系统的特性具有极大的影响，因此增强系统的抗冲击噪声和抗单频干扰的能力，也是本系统需要着重考虑的。 （3）MAC协议方面 协议需兼顾性能、效率、业务支持能力和协议复杂度几方面。在性能方面，需要研究多信道体制下的MAC层联合规划、更灵活的带宽分配方案、各种业务延迟的保证策略、业务可靠性保证的增强方法等问题；效率方面，MAC协议需要在保证性能的前提下尽量降低系统开销，提高信道利用率；业务承载方面，HINOC网络支持的业务对QoS的需求各不相同，MAC协议需要提供面向业务的高性能QoS保证；同时还要兼顾协议复杂度。另外还要研究协议分层模型和组网方式，高效的双工多址接入方式，QoS保证机制，支持HDTV、3DTV和其他高速业务等。 （4）关于宽带数据处理速度问题 为提升MAC层数据转发速率，HINOC将采用硬件协处理器来完成数据帧的转发工作。硬件协处理器实现流分类、流量控制、地址学习、队列管理、队列QoS调度、分组捕获与插入、HINOC帧的打包与拆包等功能。硬件协处理器设计面临的技术难点是，功能需求复杂多样，性能要求高速可靠，需要各模块以及软硬件之间的紧密配合和衔接。 （5）关于芯片研制问题 由于同轴电缆接入系统将采用高性能、低功耗芯片技术，特别是需要研制Gbps的OFDM系统芯片，其中涉及接收机的几个关键技术，如高阶调制、信道编解码等，这些关键技术在1Gbps信号速率下给芯片研制带来了挑战，特别是芯片还要以低功耗、低成本为目标。 6． HINOC工作进展 HINOC研究得到了国家科技部和广电总局的大力支持和指导，自2005年起，HINOC研究团队开始了相关的研究工作，攻克了众多技术难关，完成了技术分析、原理设计、系统仿真、实验室测试、芯片研制、标准草案编制等诸多工作任务。 在理论分析和技术原理仿真基础上，研究团队于2010年1月开始进行基于FPGA的硬件联试，测试结果达到系统设计指标。在此研究基础上，于2010年6月成功研制了第一款面向试验的基带芯片HI1PHY1P391C，如图4所示，这款芯片采用SMIC CMOS 0.13um 1P8M工艺，面积为5 x 8.5 mm，功耗为734mW。该芯片实现了HINOC基带物理层协议，OFDM调制解调、信道估计、信道编解码、数据收发功能，最高支持1024QAM调制以及大于112Mbps物理层传输速率。样片流片任务的一次成功，充分的验证了技术原型设计。 在原型仿真系统的基础上，2010年8月，研究团队成功研制了第二款基带芯片BW7800，如图5所示。该芯片采用UMC 0.13um 1P6M标准CMOS工艺进行流片，采用LQFP-176的封装，芯片面积为5.3 x 5.3 mm2，功耗（不包括AD/DA）为77.6mW。 为了验证和解决HINOC系统在模拟信道中的传输问题、，HINOC研究团队研制了一款AFE模拟前端芯片，如图6所示。AFE芯片封装采用标准100-pin QFP封装，采用0.25微米混合信号CMOS工艺技术，芯片包括信号发送通道、信号接收通道、全双工/半双工通信，及SPI控制等部分，支持1024QAM通信。 HINOC技术的标准化工作也在同步进行中，2009年4月，广电总局科技司发布“面向NGB电缆接入技术（EoC）需求白皮书”，2010年3月初，基于HINOC技术的标准建议书递交国家广电总局科技司，同年6月初，国家广电总局科技司发布“关于对面向下一代广播电视网的电缆宽带接入技术方案提案征求意见的通知”（技科字[2010]141号），将HINOC技术作为唯一标准建议下发征求意见，2010年11月，完成标准建议书征求意见回复汇总及回复意见，修订形成标准草案修改稿，并再次提交修改草案。 在今年的CCBN（2011）展览会上，HINOC作为NGB核心技术成果，在NGB官方展台中作为独立展区公开展示，如图7所示。以HINOC核心技术研制的终端设备实现业务支撑的展示任务，现场展示了1路高清2路标清电视的业务演示效果，基于HINOC标准规范的测试设备也在展台上展出。HINOC展区受到包括芯片制造商、终端制造商、网络运营商等相关产业单位的密切关注，成为了NGB主题的热点。 立足于现有HINOC系统的成果，考虑今后宽带接入网络将向居住分散的区域发展，同时对传输速率的要求也将逐步提高，具有更高性能指标的升级版本HINOC2.0系统正在研发中。该系统指标将在许多方面高于现有系统，如系统最大覆盖范围1000米，最高物理层传输速率1Gbps，调制方式提升到4096QAM，使用具有更强纠错能力的编码等；在MAC协议及组网模式、QoS保证机制、安全机制等方面也将有很大提升。该项目得到国家的大力支持，华为、海尔等我国知名企业也积极加入到HINOC2.0系统的研发队伍行列，加速了产业化的进程。 7． 结论 本文介绍了自主研发的新一代同轴电缆接入系统HINOC，该系统是高速光纤传输网络进一步向用户端的延伸，解决各个家庭“最后一公里”的宽带接入问题。HINOC技术方案的关键技术、关键算法已经成型，相关的标准化工作也在同步开展，支撑这一技术的芯片和终端设备也陆续研制成功，已有数家国内知名企业参与到HINOC的产业化工作中来，HINOC面向产业化的进程正加速，推动NGB的全面实施。
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