结合PON技术的HFC双向光网络

    一、HFC网络回传问题的提出
    HFC(Hybrid Fiber Coaxial)网络是由光纤和同轴电缆网络混合组成的，以星型或者树形拓扑结构为特点。从前端(Headend)到光节点采用光纤传输，如果要构成双向网络，则每个光节点另外单独需要1根光纤来实现双向通信; 当然，如果采用波分复用(WDM)技术，上行就必须采用1310nm波长，下行采用1550nm波长。但是要引入光放大器提升下行总功率，需要采用高隔离度的波分复用器件。所以，如果构建双向HFC网络，开展宽带接入业务，实现回传则需要很多根光纤，而且光信号到了前端后，前端需要很多回传光接收机，同时汇聚噪声会十分明显。例如: 一个HFC网络，采用星型结构，有n个光节点，那么下行需要n根光纤，上行还需要n根光纤，前端再需要n个回传光接收机，而且这n个光节点的回传噪声将会在前端的CMTS(Cable Modem Terminal System)汇聚，劣化回传信号的载噪比，甚至导致回传系统无法正常工作。所以如何低成本地构建高质量、宽带的双向HFC网络是广电实现宽带接入的关键点。
二  “PON”及其特点
    无源光网络(Passive Optical Network，PON)技术，是一种采用无源光网络(前端和光节点之间没有有源设备、器件)的技术，是一种新兴的透明的宽带接入技术。它的参考结构如图1所示。PON网络起始于前端的线路终端(OLT)，终止于光节点的光网络单元(ONU)。中间使用普通光分路器进行光能量分路。
    信号从前端的OLT到用户端的ONU称为“下行”; 信号从ONU到OLT称为“上行”。从这些特点来看，PON和我们的HFC网络具有很多相似之处。
    PON采用树形、星型分支结构，多个ONU共享光纤和前端OLT的回传光接收机。PON下行采用时分复用(TDM)方式，信号广播式下发，和我们的HFC网络的下行完全一样，是“一发多收”;但是，信号的上行方式却不一样，各个ONU或者说光节点共用一根光纤进行回传，回传采用时分多址(TDMA)技术，“多发一收”，前端只设置一个回传光接收机，在任意一个时刻只有一个ONU发送信号，各个ONU单元轮流发送信号，实现光纤和回传光接收机的资源共享。
    同HFC网络一样，PON网络也有总线型、树形、星型等拓扑结构，见图2。PON系统一般采用无源单(双)星形拓扑，分路比可以达到1∶16~1∶32，每个光节点可与数十个到数百个用户端设备(CPE)相连。
       
    PON本身是一种多用户共享系统，即多个用户共享同一前端设备、同一光缆和一个光分路器，成本较低，其安装、开通和维护运营成本也相对较低。加之PON能够提供透明宽带的传送能力，因此接入网正在大量应用PON技术。国内外的标准化组织也已经制定了相关标准。
    目前主要有两种比较有前途的技术: A-PON和E-PON，即ATM-PON和Ethernet-PON。其中，A-PON的上、下行方向的信息传输都采用ATM传输方案，下行速率为622Mb/s或155Mb/s，上行速率为155Mb/s。光节点到前端的距离可长达10~20km，或者更长。
当必须保证服务质量(QoS)时，A-PON设备就成为首选的设备。A-PON的综合接入系统具有ATM技术所特有的统计复用功能，可以充分利用带宽资源，获得节约带宽的效果。
    目前的G.983.x系列建议规定A-PON中数字信号的标称比特率有两种: 一种是上、下行对称的155.52Mb/s;另一种是非对称的下行622.08Mb/s，上行155.52Mb/s速率。其双向传输方法主要有两种，第一种采用单纤波分复用方式，两个波长分别工作在下行1550nm区和上行1310nm区; 第二种采用单向双纤空分复用方式，工作在1310nm区，以便充分利用低成本的光源。
E-PON除帧结构和传输速率与A-PON的不同外，其余所用的技术与A-PON所采用的许多技术类似，E-PON的体系结构也符合G.983.x系列标准的要求。
    E-PON和A-PON的主要区别是: 在E-PON中，根据IEEE802.3以太网协议，传送的是可变长度的数据包，最长可为65535个字节。而在A-PON中，根据ATM协议的规定，传送的是53个字节的固定长度信元。所以，A-PON系统不能直接用来传送IP业务信息，如果要传送IP业务，就必须把IP包拆分，构成一个个ATM信元。这个过程除费时外，还增加了OLT和ONU的成本，而且ATM的信头也是对带宽的一种浪费; 与此相反，以太网适合携带IP业务，与ATM相比，极大地减少了开销。E-PON的下行速率为1000Mb/s或者100Mb/s，上行为100Mb/s。
三、结合PON技术的HFC双向光网络的设计
    结合HFC双向光网络的功能特点，我们提出了“结合PON技术的HFC网络双向化光网络”的设计。即采用PON网络技术构建双向HFC光网络，下行仍采用原有的光端机，广播式下行占用一根光纤(如果是环网，则加倍)，所有光节点的业务回传占用一根光纤(如图2所示)。当然，如果采用波分复用(WDM)方式，可以1550nm波长光发射机下行，所有光节点用1310nm的FP激光器进行回传，再用若干1310/1550波分复用器即可。
    系统采用无源光分路技术，网络可以进行多级无源光分支，前端与光节点可以星型、树型、总线型三种基本拓扑结构组网，分别适用于不同地域和应用场合(如图2所示)。
     
    双向HFC网络目前开展的主要业务是IP业务，所以采用E-PON技术是最合适的，它不需任何复杂的协议，光信号就能精确地下行传输到ONU; 来自光节点ONU的数据也能被集中传送到前端。在物理层，可以使用1000Base的以太PHY; 同时，增加MAC控制命令进行控制和优化各ONU与前端OLT之间突发性数据通信和实时的TDM通信。在协议的第二层，可以采用成熟的全双工以太网技术，使用TDM技术后，ONU在自己的时隙内发送数据报，网络中没有碰撞，所以不需CSMA/CD，从而充分利用带宽。另外，E-PON技术通过在MAC层中实现802.1p以及动态带宽分配(DBA)技术来提供与A-PON类似的QoS。
    下行设计采用QAM调制器，将数据信号调制到电视信号的空闲频带内，和下行TV信号混合后送入下行的光发射机。下行的数据信号除了净荷外还要加上管理开销。在光节点将光信号转化为电信号，TV信号送到用户，QAM信号被解调，根据TDM时隙分配，解出各个光节点本地的信号; 回传可以采用价格便宜的1310nm的FP激光器，甚至LED，回传调制是采用我们已经研发成功的“突发模式(Burst-Mode)”数字光发射电路。回传信号以数字调制的形式，在前端分配给自己的时隙内将信号回传到前端。这样，前端仅仅使用一台回传数字光接收机就可以接收所有光节点的信号，而且克服了回传噪声的影响。
    DBA技术保证各个光节点回传信号的带宽能够按照业务需求实现动态带宽分配，带宽的分配可以很细密的方式进行，最小颗粒可以为64kb/s，这点和其他一些接入的呆板方式完全不同。PON技术体系中的“硬件搅动”技术可以保证网络中数据的安全性。
综上所述，构建结合PON技术的HFC网络是解决目前HFC实现宽带业务接入的行之有效的方法。
四、结合PON技术的HFC双向光网络的关键技术
    首先，关键技术主要集中在IP等业务信号在HFC网络下行信道的适配、映射和QAM调制，由于下行信道质量较高(CNR>51dB)，所以可以采用256QAM调制以降低带宽占用。
    其次，将PON中的成熟技术应用到HFC网络中，比如测距技术、动态带宽分配技术、突发发射、突发同步和硬件搅动扰码技术等。