一种点对多点的双向化光纤同轴混合全业务宽带接入系统

摘要

本发明公开了一种基于IEEE802.3ah协议及其技术的点对多点的双向化光纤同轴混合全业务宽带接入系统(即EPON+ECAN宽带接入网系统)。该系统将IEEE802.3ah EPON协议及其技术从无源光网络(EPON)无缝移植到无源同轴电缆用户分配网中，实现802.3ah从前端经过PON，再无缝移植到PCN(Passive cable network)，实现P2MP的宽带接入。本发明系统包括前端的无源光网络系统EPON和靠近用户端的同轴网络系统，实现一根光纤到楼、一根同轴电缆入户，提供双向数据和广播电视服务。本发明包括同轴线路终端CLT和同轴网络单元CNU，以及管理CNU和CLT之间通信的SNMP远端网络管理系统，还包括CLT和CNU之间在5～65MHz的频带内实现20～100Mb/s的宽带数据接入，以及数据信号与广播电视信号复合/分解的方式。

说明书

技术领域：

本发明涉及宽带接入网技术领域中的有线电视信号和宽带数据信号的传输与控制，特别涉及一种基于IEEE802.3ah协议及其技术的点对多点的双向化光纤同轴混合全业务宽带接入系统(EPON(Ethernet Passive Optical Network)+ECAN(Ethernet cable access network))。

背景技术：

随着数字技术、网络技术的快速发展和普及应用，目前世界广播影视正处在从模拟技术向数字技术全面转换的关键时期，各国政府正大力推进广播影视数字化，发展广播影视数字内容产业。在国内，相关行业已完成从模拟技术向数字技术的转换，具备了提供音视频服务的能力，广播电视与通信、互联网等行业正处在融合、汇聚、转型过程中。

伴随广大人民群众物质文化和精神生活的提高，人们对交互电视业务的需求日益增加，相关行业利用数字技术、采用各种方式正力图进入传统的广播影视服务领域，收音机、电视机和银幕已不再是广播影视独享的接收和显示终端。技术与业务的不断融合导致传统的行业界限正在模糊，新兴产业群不断出现，开放与融合已成为当今技术发展的主流。信息传播正在从资源垄断向资源共享、从自成体系向开放体系转变。新业务和新运营模式对网络提出了新的要求，最集中的体现就是要求网络实现双向。与此同时，无源光网络(PON)等网络技术的飞速发展以及大量应用，用户终端宽带接入技术的层出不穷，都在极力促使全国各地有线电视网络双向化改造建设的发展。

由于光纤间不会有串音现象，不怕电磁干扰，能确保信号的传输质量，光缆具有抗电磁干扰、无电磁泄漏、温度稳定性高等优点，使得光纤的应用越来越广泛。“光进铜退”成为有线电视网络宽带化、双向化的发展趋势，有线电视网络双向化改造将光纤进一步向用户端推进，实现高可靠、高带宽、高承载力、可管理、可运营的目标。各地有线电视网络双向化建设因地制宜地扩大光纤传输覆盖范围，基本实现光纤到楼，逐步向光纤到户发展。接入分配网的双向化改造将充分利用入户线路的同轴电缆资源，采用适合当地的宽带双向接入技术，使有线电视网络具备承载模拟和标准清晰度数字电视节目、高清晰度电视、广播、视频点播、宽带数据接入、语音服务等多种业务的能力。

有线电视网络双向化改造要通过建立回传通道以满足终端用户的双向化需求。目前，国内部分网络双向化改造采用了有线电视电缆调制解调技术、以太网接入技术、无源光网络技术以及各种新的双向接入技术。从技术发展趋势上看，这些技术都是向FTTH发展的过渡技术。无源光网络一般是基于点对多点的传输方式，多采用树型或星型(多级星型)的拓扑结构，是多用户共享系统。无源光网络具备拓扑结构简单、设备成本低、消除了局端与用户端之间的有源设备等特点。由于PON技术的网络拓扑与有线电视网络的拓扑结构相类似，无源光网络技术成为一种在广电网上应用的新技术。

以以太无源光网络技术为基础，出现了一系列用户接入技术解决方案，如基带无调制EOC(Ethernet Over Coax)以及在电话线上网、电力线上网、无线上网的基础上发展起来的基于数字家庭网络的有源调制技术DOC(DataOver Coax)，包括MoCA、Homeplug、HomePNA、WiFi等。这些技术较好的结合了以太网和无源光网络的技术特长，解决了部分用户的宽带接入问题，但由于技术的不成熟以及网络结构的限制，至今为止并没有一种适用于所有网络结构并能保证高速宽带接入的技术方案。

在全国1.43亿的用户无源分配网络中，51％的网络结构为无源分支分配的级联构造，即树枝型串接构造，而基带无调制EOC技术支持的是点对点集中分配网络构造。有源调制技术DOC网络适应能力强，特别适应点对多点的网络构造，但它们都采用了CSMA的MAC协议，每个用户端设备CPE的带宽象HUB一样去自由竞争，带宽没有保证，不能适应网络的规模化经营。随着接入用户数的增加，每个用户的CPE带宽会急剧下降，带宽差异很大，时有中断，系统不稳定，不能支持更多的用户，较难实现网络的电信级用户管理、运营和维护。并且无论有源调制DOC还是基带无调制EOC，带宽限制了它们对新业务的适应能力。

目前，EPON的IEEE 802.3ah是公认的最佳接入网P2MP传递的MAC层方式。该协议下行采用广播式，所有数据到达每一用户，用户通过标识，取出属于自己地址的数据；上行采用TDM方式，各用户单元在自己的时隙内发送数据报，因此没有碰撞，不需CSMA/CD(载波侦察听多路访问/冲突检测)，从而充分利用带宽。因此迫切需要开发出一种技术，能够充分结合基带无调制EOC的低成本和有源EOC的P2MP的组网能力，同时适应于树型和星型结构的同轴网络。这样一种最后100米接入技术，能够有效支撑数字电视的双向平移，实现电话、电视和数据业务的宽带接入，保障增值业务的有效运营，使同轴电缆网成为多媒体业务的有力竞争者，充分发挥有线电视网络音、视频业务的优势，选择适合各地网络状况和技术特点的建设和改造技术方案，以多功能业务发展推动双向网改造，奠定开展广电双向业务的网络基础，使得有线电视基础网络具有宽带、双向、多功能的承载能力。扩大广播电视的服务领域，把普通电视接收终端变成家庭多媒体信息终端，在推进“三网融合”进程中充分发挥有线电视网作为国家基础信息网络的重要作用。

发明内容：

本发明的目的在于实现以太网无源光网络(EPON)和用户现有同轴电缆网络的结合，构建一种基于IEEE802.3ah协议及其技术的点对多点的双向化光纤同轴混合全业务宽带接入系统。该系统利用有线电视的同轴电缆资源实现了电视和20～100Mb/s的宽带数据业务的融合接入；本发明充分利用现有同轴有线电视网络，无需进行新网络的铺设或改造；本发明可实现EPON的MAC层协议IEEE802.3ah协议从EPON到同轴网的无缝连接；本发明在低成本实现的同时，可对网络用户实现电信级的管理、运营和维护；本发明采用新的传输编码技术，极大的提高了单用户的独享带宽，以满足IPTV、HDTV、VoIP、宽带Internet等业务的需求。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于IEEE802.3ah协议及其技术的点对多点的双向化光纤同轴混合全业务宽带接入系统，由前端的无源光网络系统(EPON)和靠近用户端的同轴网络系统(ECAN)构成，它包括：

一同轴线路终端CLT(Cable Line Terminate)，用来桥接以太无源光网络EPON和有线电视同轴电缆网络，将EPON光纤接入网的以太数据与有线电视信号频分复用，通过有线电视同轴电缆实现用户20～100Mb/s的宽带接入，其MAC控制芯片采用IEEE802.3ah协议；

复数个由同轴线路终端CLT输出的同轴电缆所分配出的同轴网络单元CNU(Cable Network Unit)，用来使各用户通过CNU分别连接到户内的电视机或机顶盒以及电脑或家庭网络之中，从而实现有线电视和宽带数据的接入；

SNMP远端网络管理系统，具有图形化网络管理界面的SNMP负责管理ECAN网络中CLT与CNU之间的线路通信。

上述系统中，所述同轴线路终端CLT设有复数个射频分配口和以太数据接口以及将上述两类信号合并的多个信号复用/解复用器。

上述系统中，所述同轴网络单元CNU包括一个用于分离数据和广播电视信号的信号复用/解复用器，具有一个以太数据接口、一个射频同轴接口。

上述系统中，所述信号复用/解复用器将广播电视信号和以太数据信号复用成一路同轴信号输送到同轴电缆中，用户终端的同轴网络单元内的复用/解复用器收到的同轴信号后，分离出数据信号和广播电视信号，并分别通过数据接口和射频同轴接口提供给用户，用户发送的数据信号通过用户终端的同轴网络单元内的复用/解复用器，输送给同轴线路终端；多个用户的上行数据信号时分复用成以太网信号交换到以太网中。

上述系统中，同轴线路终端CLT为插拔式结构，接口包括4～6个射频信号输入接口、1～2个百兆或千兆上联接口和4～6个电视数据混合输出口。

上述系统中，同轴线路终端CLT通过嵌入式的微处理器内核来调度控制，具有优先级管理、组播等功能，支持动态带宽分配，并具有增强的多点控制协议(MPCP)。

上述系统中，同轴网络单元CNU同轴网络单元可放置于用户室内，即插即用，无需调试；

上述系统中，所述SNMP远端网络管理系统实现CNU同轴网络单元的介质访问控制(MAC)地址的集中登记管理，具有对接入ECAN的CNU进行登记、授权、保存和管理功能。

上述系统中，所述SNMP远端网络管理系统包括了CNU和CLT的SNMPAgent和相应MIB(Management Information Base)。

上述系统中，所述系统工作于整个7层OSI模型的底下两层，即数据链路层和物理层。设有OAM帧保证系统的服务质量(QoS)，MAC Bridging负责EPON网络和ECAN网络的桥接。

上述系统采用新的编码传输技术，在5～65Mhz的频带内实现20～100Mb/s的宽带数据接入速率。

上述系统中，上下行信号传送工作在同一频带，上下行通信采用---时分双工(TDD)方式；上行通过时分双工的用户接入要求，采用IEEE802.3ah的MPCP控制协议，实现上行信道的动态带宽STDMA带宽分配；下行信道，采用广播方式，用户通过链路标识接收本地数据。

上述系统中，物理层寄存器可由MDIO(Management Data I/O)信号进行配置，调整接收灵敏度。选择发送的数据经数字/模拟转换后通过一个低通滤波器，再进行发送；接收端模拟数据首先经过低通滤波器和压控放大器，经模拟/数字转换后进行接收。

本发明的有益效果为：

(1)ECAN支持规模化接入，能够实现1个CLT覆盖144个CNU，系统更加稳定可靠；

ECAN的MAC(媒质接入控制层)协议采用EPON技术的IEEE802.3ah的MAC协议，可实现数据由EPON到用户电脑的同轴宽带桥接。

而现有的有源调制的DOC技术主要基于数字家庭网络技术中，MAC层协议基本采用CSMA/CD载波侦听与碰撞检测协议，每个CPE(Customer PremiseEquipment)(Slaver)的带宽需要象HUB一样去自由竞争，随着CPE数量的增加，带宽会逐渐下降，不能支持很多用户。

(2)能够有效支撑网络的运营和维护；

能够实现带宽限速、流量控制、DBA(带宽动态配置)和VLAN划分等多种EPON中的功能。

(3)高速宽带

采用新型编码调制技术，可在5～65MHz频带上实现20～100Mb/s的宽带接入速率，满足用户对于带宽日益增长的需求。

(3)成本低，系统造价小；

ECAN完全采用IEEE802.3ah以太帧结构，其CLT能够覆盖更多的CNU，其系统造价要远低于现有有源调制技术DOC的系统造价，约为它们的1/3(DOC按1∶4配置主、从机，而ECAN按1∶12配置)。

(4)ECAN适用范围广，支持点对多点的网络拓扑结构，不需要对现有网络做大的改造；

据广电科学规划院有线电视研究所07年12月公布的数据，现有全国1.43亿有线电视网络中，51％为点对多点(P2MP)的树枝型无源同轴电缆分配网，主要分布在特大城市(直辖市)和广大农村网络中。点对点的无源同轴电缆分配网约占的49％。我国的大、中型城市网络，比如上海地区，城区的280万用户几乎全都是点对多点(P2P)的树枝型级联构造，10个郊区250万户中，仅有闵行区有40万户和部分郊区的部分新建网络为点对点的集中分配构造。

(5)可滚动发展，分步实施，施工更为简便；

虽然ECAN的单线价格要高于无源EoC，但由于无源EoC仅能实现P2P网络的数据传送。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明EPON+ECAN双向化光纤同轴混合全业务接入网系统结构示意图，该系统可以接入以太网数据业务和有线电视业务。

图2为本发明实施例1的CLT功能模块框图。

图3为本发明实施例1的CNU功能模块框图。

图4为本发明实施例1的物理层工作频带分布图。

图5为本发明实施例1的上行数据传送及带宽分配示意图。

图6为本发明实施例1的下行数据传送及带宽分配示意图。

图7为本发明实施例1的SNMP远端网络管理系统示意图。

图8为本发明实施例1的信号复用/解复用的工作原理示意图。

图9为本发明实施例1的物理层模块的发射功能框图。

图10为本发明实施例1的物理层模块的接收功能框图。

图11为本发明实施例1的ECAN的OSI分层示意图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

具体方案介绍：本发明所述系统主要由同轴线路终端CLT(Cable LineTerminate)，同轴网络单元CNU(Cable Network Unit)，以及SNMP远端网络管理系统三部分组成。

前端接入以太无源光网络(EPON)系统，即EPON到路边、楼道，而楼道到用户家里则利用现有的同轴电缆网。CLT和CNU为整个系统的关键和主要设备，SNMP网络管理系统实现对网络中的CLT、CNU的通信及工作状态的管理和控制。

下面具体介绍各系统组成部分的特点：

1.同轴线路终端CLT(Cable Line Terminate)

同轴线路终端CLT与EPON系统中的光网络单元ONU(Optical NetworkUnit)直接相连，完成数据从光网络单元到同轴网络的格式转换。CLT将光纤接入网(EPON/光纤以太网)的以太数据与有线电视信号以频分复用方式汇合，经过有线电视入户同轴网络，由同轴电缆接入到各用户家中。

CLT功能框图如图2所示。

一个CLT模块可带动4～6个下行同轴端口，通过交换机的6个EoC-link，正常可以连接至少144个用户，并且每个EoC-link可以具有高达20～100Mb/s的带宽速率。2个GE上联接口为同轴交换机提供高达1Gb/s的上联带宽并支持千兆速率的交换机级联，在下行方向CLT将来自网络侧的业务，以广播方式分发到每个物理端口(CNU用户)；IP包的转换、流量和带宽管理及OAM处理等功能均通过CLT完成。在上行方向，CLT以TDM/STDM方式实现用户业务汇聚，并实现CNU用户带宽分配和CNU用户管理。

CLT的协议分层见图3。

CLT的主要数据传输功能为桥接EPON与ECAN，实现802.3ah由EPON到ECAN的无缝连接。

CLT的物理层采用基带传送技术，可在5～65MHz频带上实现20～100Mb/s的接入带宽。CLT通过改进的MPCP协议实现上下行数据的半双工(TDD)通信方式，下行采用数据广播方式到达各用户CNU，见图5，各用户上行数据采用时分复用方式实现用户接入，CLT可以根据用户请求进行动态带宽分配与管理，见图6。

CLT通过改进的IEEE802.3 MPCP协议及OAM功能，用户登记、管理、认证、带宽动态分配，负责对CNU的接入控制管理，服务等级的约定(SLA)管理，提供QoS服务。CLT还可通过网管实现告警以及错误诊断等功能。

2.同轴网络单元CNU(Cable Network Unit)

CNU位于ECAN网络的用户端。用户将CNU的两个输出端口分别连接到户内的电视机/机顶盒以及电脑/家庭网络，实现有线电视和宽带数据的接入。CNU理论上可放置于房间的任何地方，支持即插即用，不需要对网络做任何调整，方便了用户的使用。

CNU由物理层芯片完成对以太网数据的收发和转换，并集中由MAC芯片进行调度，外设EEPROM记录设备信息。

本发明的CNU相比于DSL和CMTS技术的用户设备，具有更高的用户带宽和更低的价格。通过共享同轴电缆介质，多个CNU可以同时获得足够的带宽并在CLT的调度和管理下，实现安全可靠并有QoS保障的宽带数据接入。该CNU支持加权公平排队(WFQ)，支持动态带宽分配。

3.SNMP远端网络管理系统

SNMP远端网络管理系统负责管理CLT于CNU之间的线路通信，具有日志和报警、本地RS232串口和远程Telnet登陆、远程端口数据通道控制、物理接口聚合功能的远端配置、远端端口接口速率限制和配置等功能。

下面结合实施例1具体说明：

如图1所示，本发明所述系统由前端的以太无源光网EPON和靠近用户端的同轴网络系统ECAN桥接而成。以太网数据首先到达OLT，由OLT经光纤传送到ONU。ECAN系统设备框图，由两个终端设备同轴线路终端CLT(Cable LineTerminate)、同轴网络单元CNU(Cable Network Unit)及同轴入户网构成。ONU与CLT直接相连(或将ONU与CLT结合设计成一个设备)，此处完成光网络数据与同轴网络数据的格式转换，并将以太网数据和有线电视信号经双工滤波器频分复用混合成一路信号，由同轴电缆发送到用户CNU，从而实现有线电视和宽带数据的接入。CLT为系统设备中的关键设备，它完成了EPON网络和ECAN网络的桥接。

同轴线路终端CLT可以放置于楼道或路边，野外型和挂壁式可选；同轴网络单元CNU放置于用户室内，完成将来自同轴网络的数据的接收和分离，桥接以太网数据至RJ-45端口，有线电视数据则由同轴端口输出，分别连接户内的电脑和电视机。

参看图2，实施例1的CLT插拔式模块结构，CLT模块主要包括20～100Mb/s物理层模块和媒体接入控制MAC模块。CLT接口包括4～6个电视RF输入接口、1～2个百兆或千兆上联数据接口和4～6个电视数据混合输出口。该CLT模块能直接与ONU桥接，完成数据转换和混合功能，并能进一步与ONU捆绑设计成具有二者功能的单独设备。

参看图3，实施例1的CNU功能模块框图。其主要芯片与CLT相同，包括物理层芯片和MAC芯片，但其功能相对简单。内置双工滤波器将来自同轴的电视信号与数据信号分离，分别由RJ-45和同轴接口输出数据。

CNU对数据透传，CNU支持加权公平排队(WFQ)，支持可变带宽分配。多个CNU可以同时获得足够的带宽，并在CLT的调度和管理下，实现安全可靠并且有QoS保障的宽带数据接入。

参看图4，实施例1的物理层工作频带分布图。本发明采用新型编码传输技术，并结合相应的信道适配算法，可在5～65MHz的频带上实现20～100Mb/s的数据接入速率。

参看图5和图6，实施例1的上下行数据传送及带宽分配示意图。当CLT启动后，它会周期性地广播允许接入的时隙等信息。CNU上电后，根据CLT广播的允许接入信息，主动发起注册请求，CLT通过对CNU的认证，允许CNU接入，并给请求注册的CNU分配一个本CLT端口唯一的一个逻辑链路标识。

上下行信号传送工作在同一频带，上下行通信采用TDD---时分双工方式。通过时分双工的用户接入要求，采用相关算法实现上下路通信控制及对称或非对称动态带宽分配。采用IEEE802.3ah的MPCP控制信息，实现上行信道的动态带宽STDMA带宽分配。MPCP建立CLT与CNU之间的通信联系，其功能主要是：提供CLT与CNU之间的同步，实现自动恢复功能，动态地为CNU分配带宽时隙，上下行数据传送带宽分配及QOS保证。下行信道采用广播式传送方式。CNU根据数据的逻辑链路标识取出属于自己的帧，而将其他不属于自己的数据丢弃。

参见图7，实施例1的SNMP远端网络管理系统示意图，SNMP对整个ECAN系统的线路通信进行管理，具有日志和报警等功能，并具有图形化网络管理界面。SNMP实现CNU的介质访问控制(MAC)地址的集中登记管理；管理服务器将对接入ECAN的CNU进行登记、授权、保存和管理功能。通过对CNU的集中记录管理，控制CNU的接入，实现对ECAN系统中各CNU的有效管理。

参见图8，实施例1的信号复用/解复用器的应用原理，有线电视射频信号和以太网数据信号分别通过信号复用/解复用器上的射频接口和数据接口输送复用/解复用器，频分复用后再通过一个射频接口输出，进入同轴电缆。用户终端CNU内的双工滤波器收到的复用信号后，分离出数据信号和有线电视信号，并分别通过RJ-45接口和同轴接口提供给用户，用户发送的数据信号通过用户终端CNU内的复用/解复用器透传，并通过同轴电缆输送给同轴线路终端内的复用/解复用器。CLT内的复用/解复用器从同轴电缆中接收上行数据信号解复用成以太网信号，交换到以太网中。

参看图9、图10，实施例1的物理层模块的发射与接收功能框图。接收端模拟数据首先经过低通滤波器和压控放大器，经模拟/数字转换后由MII接口外联；发送端选择发送的数据经数字/模拟转换后通过一个低通滤波器，再进行发送；可由MDIO(Management Data I/O)信号控制物理层芯片的寄存器，配置其接收灵敏度，适应网络实际情况。

参看图11，实施例1的ECAN的OSI分层示意图，本发明工作于整个7层OSI模型的底下两层，即数据链路层和物理层。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。