ECANEthernetOverCoaxialAccessNetwork.docx

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ECANEthernetOverCoaxialAccessNetwork

ECAN（EthernetOverCoaxialAccessNetwork）:

新一代基于同轴电缆网的电信运营级宽带接入技术

侯锡玮、傅振海中国电子集团（CEC）广电事业部

李力、魏林、宋岩上海大学通信与信息工程学院

摘要：

目前国内应用的EOC技术多种多样，如何区别属于家庭网络技术的DOC或者是真正的接入技术ＥＯＣ，ＥＯＣ技术又有哪些特点决定了他适合搞ＮＧＢ网络显得尤为重要，本文主要论述了一种新一代的ＥＯＣ技术ＥＣＡＮ，从理论基础展开为什么ＥＣＡＮ技术是适合广电大规模接入。

NewTechnologyofEthernetOverCoaxialAccessNetworkforTelecomService

HouXiweiFuZhenhaiChinaElectronicsGroupCorporation

LiLiWeiLinSongYanCommunicationandInformationEngineeringofShanghaiUniversity

Abstract：

ThereisvarioustechnologyofEOCindomesticmarket,howtodistinguishDOCusedinfamilynetworkandEOCusedforrealaccessandwhatarethefeaturesofEOCmakeitfittoNGBnetwork?

HerebywediscussECAN,thenewtechnologyofEOC,andexpoundhowECANsuitformassaccessofBroadcast.

1、前言

最近几年，EPON+EOC构成的宽带双向接入系统已逐渐成为HFC宽带接入的主流方案。

其中，EOC（EthernetOverCoax）是在有线电视同轴网络上传送双向宽带数据业务的技术。

那么如何实现双向化，用什么技术和模式构建有线电视的双向化网络就成为了业界最为关注的议题，具有十分重要的现实意义。

为此，广电总局科技司在09年还颁布了一个《面向下一代广播电视网（NGB）电缆接入技术（EoC）需求白皮书》。

如图1所示，白皮书建议用EPON＋EOC模式构建NGB下一代广播电视网络。

图1NGB双向宽带接入网基本结构示意图

图中，EoC电缆接入技术是最为关键的技术之一，即基于同轴电缆通过各种数字技术来承载以太网业务和其他各种综合业务，实现下一代广播电视网（NGB）的用户宽带接入。

CBAT（CoaxialBroadbandAccessTerminal）为同轴电缆宽带接入网局端设备，CNU（CoaxialNetworkUnit）为同轴电缆宽带接入网接入端设备。

虽然目前国内存在多种基于有线电视电缆分配网的有源调制双向技术，如MOCA、HomePNA、HomePlug（AV和BPL）和WiFiOverCoax等，但它们都源自家庭网络技术，其主要作用都是在家庭内部中不需要重新布设新线缆的前提下，高速地联接家庭里每一地方（房间）中的每一个双向终端设备（如机顶盒STB、PC机、电话等），它们都不是一种接入技术。

其实现的方式存在很大的差异，产品种类繁多、网络的承载性能差异很大，提供的带宽和支持的业务也各不相同，因而无法统一标准规范。

从技术角度来说，现有各种EoCOverHomeNetwork技术方案均有各自的局限性；从协议性能来看，有些技术提供的业务速率不能满足当前和未来一段时期业务发展的带宽需要，有些技术没有很好的解决服务质量（QoS）保障问题，不能提供包括实时流媒体等各种业务所需的QoS。

当前的几种有源调制EOCOverHomeNetwork的具有的共同局限是：

（1）接入总带宽都会随接入用户数（CNU终端数）增加而急剧下降，不能支撑高的接入率。

其提供的接入带宽几乎不能满足NGB的要求。

因为现有的有源调制EOC方案均来源于家庭联网技术，不需要与接入系统一样对QoS和网络可管理性等方面有严格的要求，因而这些方案在形成之初，均简单地采用了最基本的以太网MAC层协议——CSMA/CD（CA）（载波侦听和冲突检测），从而明显不能保证系统和用户的通信质量要求。

随着EOC系统所连接或接入的用户数量增加时，系统性能就会明显降低。

（2）接入总带宽在短包长时会急剧下降，使之系统性能变得不稳定。

不同的业务，传输效率差异很大。

通过大量的测试表明，在最大包长（1518Byte）时，尽管现有的有源调制EOCOverHomeNetwork技术大多能够达到60Mbps以上，甚至个别接近100M的MAC吞吐率，但毫无例外的是，在最短包长（64Byte）下，它们的系统吞吐率均会急剧下降至10Mbps以下（典型为3－6Mbps）。

二者差距最大能够达到十倍甚至数十倍。

如此性能又将进一步降低EOCOverHomeNetwor系统性能，更加无法支持相关的业务（比如语音业务，一般包长为32-64Byte），而且不论只有一个用户（CNU）还是多个用户（CNU）均是如此。

对于NGB中全业务接入而言，除去IPTV之外，业务数据并非均为长包。

特别是大量的互动业务回传信号，明显是以短包为主。

可以想象，在目前典型的双向网络中，有源调制EOCOverHomeNetwork系统实际的吞吐率远远达不到预期的程度。

而且，连接的用户越多，链路中的短包数据流比例也越大，系统吞吐率的下降也会越明显。

究其原因，这些方案大多源自家庭联网技术，并非构建在接入网的架构之上，它们在MAC层的初始定位上与接入网有着本质的不同，对TDMA的支持能力也非常有限。

这些方案除非在MAC层完全采用类似于DSLAM或PON的接入技术来实现全网的管理和控制，否则难以兼顾通信质量和网络带宽效率；此外，EOCOverHomeNetwork这些方案的局端核心处理模块最初是针对家庭网络而设计的，所以在承担大流量的业务汇聚与分发，实现业务调度、流量管理、QoS以及用户管理等诸多功能时，这些局端EOC处理模块会出现处理能力不够的问题，即使可以通过在局端设备上设计其他复杂的硬件，来辅助提高业务汇聚和处理的能力，其最终的处理能力也还是会力不从心。

随着NGB的推进，越来越多的双向互动业务需要通过同轴网络走进千家万户，其对网络的要求，如有效的带宽利用率、差异化的业务管理、用户的精细化管理、网络的平滑扩展及升级等方面，将大大超过目前的水平。

所以构造一个具有运营商级接入网特征和功能的系统，并使之成为可管理、可扩展和可盈利的同轴宽带接入网络，才能保证运营商的可持续发展。

ECAN技术正是基于这种考虑的同轴宽带接入解决方案。

为此，上海大学通信学院、中兴通讯、美国普然（OpuLAN）技术有限公司针对目前HFC网的数据化双向改造的现状及其现有技术所存在的问题，共同提出和开发了一种新的无缝连接PON无源光网络与Coax同轴电缆网络的技术解决方案—ECAN（EthernetOverCoax AccessNetwork），从而满足下一代广播电视网（NGB）必须具有的更大的接入宽带（要能传输高清电视HDTV）和更低的接入成本的要求，以实现语音、数据和视频的三网融合。

2、ECAN（EthernetOverCoax AccessNetwork）宽带接入技术

ECAN（EthernetOverCaox AccesssNetwork，基于同轴电缆接入网的以太网）技术创造性地将IEEE802.3ah的EPONMAC协议移植到了无源同轴电缆用户分配网中，实现点对多点的以太到家的宽带接入，其MAC协议沿用了EPON的协议，具有动态带宽分配（DBA），可实现电信级的运营和维护，以满足下一代广播电视网（NGB）的需求，实现语音、数据和视频的三网融合。

ECAN采用TDD/TDMA双工/多址方式。

支持动态带宽分配（DBA）、网络管理、VLAN和组播/过滤功能。

支持VoIP、HDTV/SDTV、VoD、高速上网等传统与新业态业务。

2-1、ECAN的系统构造

ECAN的系统的网络构造如图2所示。

同MOCA、HomePNA、HomePlug一样，ECAN接入系统也是由同轴线路局端CLT（CableLineTerminate，即CBAT）与同轴网络单元CNU（CableNetworkUnit）两部分组成。

以太网数据首先由OLT经光纤传送到ONU。

ONU与CLT直接相连，此处完成光网络数据与同轴网络数据的转换，并将以太网数据和有线电视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端CNU，从而实现有线电视和宽带数据的接入。

同轴线路局端CLT为系统中的关键设备，可以放置于楼道或路边，甚至于光节点，它完成EPON网络与ECAN网络的桥接。

同轴网络单元CNU放置于用户室内，完成来自同轴网络数据和有线电视信号的接收和分离。

图2ECAN系统的网络构造

ECAN技术其实质是一种虚拟光纤技术，它将无源光网络中的EPON技术的IEEE802.3ahMAC协议移植到了无源同轴电缆用户分配网中，从而完成最后100米同轴用户分配网点对多点的以太到家（ETTH）的宽带接入实现。

2-2、ECAN的MAC协议和关键技术

ECAN的MAC协议沿用了EPON的MAC协议，摒弃了数字家庭网络中普遍采用的CSMA载波侦听协议，具有动态带宽分配（DBA）机制，可实现电信级的运营和维护，支撑所有业务（视频、语音和数据）的接入。

（1）ECAN的传输原理和MPCP（多点控制协议）

ECAN同轴电缆网络的协议也是下行采用广播式，所有数据经由无源同轴电缆到达每一用户，用户通过标识，取出属于自己地址的数据；上行采用TDMA方式，各用户单元在自己的时隙内发送数据报文。

ECAN的上下行数据传送及带宽分配如图4所示。

图中的CNU1表示用户1、CNU2表示用户2、CNU3表示用户3，编号为1、2、3的不同色彩的小方块分别表示属于用户1、2、3的数据。

图4EPCN技术原理示意图（下行采用广播式，上行采用TDMA方式）

与上下路分别利用不同波长信道，实现全双工通信的EPON的点对多点（P2MP）的光纤传送不同，ECAN的MPCP多点控制协议的上下行信号传送工作在同一个频带，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IEEE802.3ah的多点控制协议（MPCP）控制信息，实现上行信道的动态带宽STDMA带宽分配。

即由CLT统一分配CNU的上行时隙，同时CNU周期性地上报上行需求，而CLT周期性告知CNU的上行时隙，CNU只能在属于自已的上行时隙发上行数据，如图5所示。

图5ECANTrafficPattern

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。

半双工的下行信道，采用广播式传送方式。

CNU根据数据的目的地址取出属于自己的帧，而将其他不属于自己的数据丢弃。

ECAN工作在半双工模式，CLT维护上下行时段信息，DBA不会将属于下行时段的时隙分配给CNU。

同时，CLT保证在上行时段不发送任何下行数据。

数据从CLT到多个CNU以广播式下行，每个数据帧的帧头包含LLID，该标识表明本数据帧时给某个特定的CNU。

CLT支持SCB，因此部分数据帧可以是给所有的CNU。

当数据帧到达CNU时，CNU根据LLID判断是否接收。

当CNU注册成功后，CLT的DBA功能会动态为每个注册成功的CNU分配上行带宽，即上行时隙。

每一个CNU只能在CLT给他分配的时隙内传输数据。

通过时隙分配和时延补偿，可以确保多个CNU（64个）的数据联接在一根电缆链路时，每个CNU的上行数据都不会互相干扰。

（2）ECAN的DBA动态带宽分配

带宽分配分为静态和动态两种，静态带宽的缺点是带宽利用率较低。

ECAN的MAC支持DBA动态带宽分配，在带宽相同的情况下可以承载更多的用户，从而降低用户成本。

ECANMAC采用的是基于优先级的轮询带宽分配方案。

CNU实时地向CLT汇报每个优先级的当前业务需求（REPORT），CLT根据优先级、用户SLA要求分配（NormalGATE）给CNU一个或多个时隙。

每个CNU在分配的时隙内发送相关优先级的数据。

2-3、ECAN的PHY物理层体系结构和信号处理技术

（1）PHY物理层体系结构

ECAN系统物理层（PHY）采用低频5~65MHz的频谱，具有长距离大覆盖能力，最大可支持的链路损耗达60dB。

PHY采用单载波残留边带（VSB）调制技术，利用先进的自适应数字信号处理技术，可靠的完成信号同步，有效的处理网络反射信号，抑制窄带入侵噪声的影响。

ECANPHY利用5~65MHz的频谱，传送数据信息，是一种单载波VSB调制技术，符号速率从60MSps到80MSps，相应的信号带宽是32MHz到48MHz，调制级别为2VSB，4VSB，可升级为8VSB和16VSB。

物理层的速率达到170Mbps，有效的信息速率可达145Mbps。

图2/4VSB的星座映射图

信号频谱可以在5MHz到65MHz之间搬移，例如，32M带宽时，可以用5M到40M这段频谱，也可以用25M到60M频谱，48M带宽时，可以用5M到51M频谱，或者15M到65M频谱。

成型滤波器采用滚降系数为0.15的升余弦滚降滤波器。

（2）ECAN的抗噪性能分析

在有线电视网中会有较强的汇聚噪声。

汇聚噪声主要集中在低频段，例如0~15MHz。

ECAN的PHY可以通过编程中心频率和符号速率的方法，让信号频谱回避低频段噪声，提高系统的可靠性。

同时，根据链路条件，可以选择2VSB或4VSB，进一步提高系统的可靠性。

在有线电视网络中噪声主要有白噪声、窄带噪声和脉冲噪声。

本文将比较分析VSB、QAM和OFDM的抗噪性能。

1）抗白噪声的性能分析

白噪声是系统的热噪声w（t）。

从时域看，是各个时刻的噪声不相关，E（w（t1）*w（t2））=0，E表示平均运算，从频域看，信号的功率谱在各个频点相同。

由于白噪声是宽带噪声，在通过匹配滤波器和符号速率采样后，它的带宽与信号带宽相同，所以对于白噪声，没有任何算法可以抑制它的影响，只能通过系统设计来提高抗白噪声的性能，通常采用的方法是采用低阶调制和前向纠错码来实现。

下面简单分析VSB、QAM和OFDM的抗白噪声性能。

VSB信号为：

xi（n）=si（n）+wi（n），

QAM信号为：

xi（n）+j*xq（n）=si（n）+j*sq（n）+wi（n）+j*wq（n），

OFDM信号为：

xi（n）+j*xq（n）=FFT（IFFT（si（n）+j*sq（n））+wi（n）+j*wq（n））=si（n）+j*sq（n）+FFT（wi（n）+j*wq（n）），

其中，xi（n）+j*xq（n）为接收信号，si（n）+j*sq（n）为发射端调制信号，wi（n）+j*wq（n）为噪声，j为虚数单位。

FFT为傅里叶变换，IFFT为傅里叶反变换。

si和sq统计独立，wi（n）和wq（n）统计独立，因此xi和xq也是统计独立的。

假定si和sq的能量为S，wi和wq的能量为N。

根据傅里叶变换特性，FFT不会改变噪声的能量和统计特性。

从以上的公式中可以看出，VSB、QAM和OFDM在相同的信噪比SNR的条件下，xi和xq具有相同的信噪比和统计特性。

分别对xi和xq进行星座图判决，误码率是相同的。

因此，这几种调制技术，它们在抗白噪声性能上是相同的，白噪声性能只和调制的星座图有关，和调制方法无关。

误比特率公式如下，

BER=

，d为星座图中最近两点间的距离。

当2VSB和4QAM（QPSK）时，k=1，d=

。

当4VSB和16QAM时，k=1.5，d=

。

即2VSB的抗白噪声性能相当于QPSK，4VSB与16QAM相当。

当SNR＝12dB，BER达10-8，与Docsis系统完全相同，与OFDM也是相当的（因为OFDM的最低的调制级阶为QPSK，此时OFDM的抗干扰能力最强）。

2）抗窄带噪声性能分析

窄带噪声可以表示为：

w（t）=n（t）*cos（2*pi*F*t），

式中，F为中心频率，n（t）是低频窄带噪声，B为带宽，通常B为几十Khz。

从时域上看，各个时刻的噪声是平稳和相关的，定义相关系数为：

R（t1-t2）=E（w（t1）*w（t2）），

当-1/B

这样，就可以用以前的值估计出当前的值，用接收的信号减去估计的噪声值，就可以抑制窄带噪声。

在VSB单载波系统中，可以用自适应滤波器技术来估计和跟踪窄带噪声，能够获得很好的效果。

而在OFDM系统中，星座图判决是在频域里计算，而噪声预测滤波器需要在时域里计算，因此很难采用自适应算法去估计窄带噪声。

更为严重的是，计算傅里叶变换时的矩形窗，使窄带噪声频谱泄漏到许多子载波，严重影响了接收机的性能。

频谱泄漏的原理简单介绍如下：

x（n）=s（n）+w（n）*exp（j*2*pi*F*n），

x（n）为接收信号，s（n）为发射信号，w（n）为低频窄带噪声，F为噪声的中心频率。

y（n）=FFT（x（n）*rect（n）），

rect（n）=

，

N为傅里叶变换长度。

rect（n）的频谱为（省略相位因子）

sinc（f）=sin（pi*N*f/FS）/sin（pi*f/FS），FS为采样频率。

根据傅里叶变换特性，时域相乘，频域卷积，所以噪声频谱为

w（f）=sinc（f+F）=sin（pi*N*（f+F）/FS）/sin（pi*（f+F）/FS）。

OFDM的第k个子载波由于窄带噪声引入的噪声为

w（fk）=sin（pi*N*（fk+F）/FS）/sin（pi*（fk+F）/FS），fk为第k个子载波频率。

由于sinc（f）函数的旁瓣衰减很慢，所以，窄带噪声会影响周围许多子载波，大大的影响了OFDM的接收性能。

频谱泄漏

3）抗脉冲噪声性能分析

有线电视网络中对系统性能影响最大的就是各种脉冲噪声的汇聚，脉冲噪声（BurstNoise）可以表示为

w（t）=n（t）*win（t）

n（t）是窄带白噪声，各个时刻点是不相关的，win（t）是开关波形，有脉冲噪声时为1，没有时为0。

脉冲噪声出现的概率P可以定义为E（win（t）），E表示取平均。

实际应用中，P是很小的，对于非实时业务影响不大，但是，对于IPTV业务会看到马赛克。

脉冲噪声本质上是很大的短时间的窄带冲击噪声，各种调制技术都没有好的算法来抑制它的影响，只能通过增大信号带宽来加以抑制。

对于DOCSIS系统，由于上行通道的带宽为3.2MHz，是现有宽带接入系统中带宽最小的，因此，脉冲噪声对其影响最大。

OFDM系统中，信号的带宽在十几MHz之间，在受到冲击噪声的子频段内就能采取降低调制级阶的办法提高抗躁性能，如QPSK，甚至关断，而用未受冲击的子频段高阶调制传输信号。

而ECAN系统，信号的传输带宽为32MHz和48MHz，非常宽，是DOCSIS的十倍以上，如图所示，中心频率为30MHz，带宽为48MHz。

因此，短促的脉冲噪声只能冲击某些子频段，全频段的大噪声地被覆盖，几率很小，其抑制能力应当是Docsis的十倍。

另外，ECAN的中心频率可以移动，能有效避开低频段的汇聚噪声干扰：

图

如图所示，中心频率分别是20MHz、30MHz和42MHz，能通过设置中心频率和符号率的技术，使数据信号避开低频段的噪声干扰，提高ECAN系统的可靠性。

同时，ECAN覆盖用户少，支持全接入的覆盖数为64户，如果置于1个光节点，一般也小于200户，其汇聚噪声相对较小。

结论：

综上所述，理论分析表明：

（1）对于白噪声干扰，ECAN采用的2VSB和4VSB技术与Docsis和OFDM技术具有相同抗干扰能力。

2VSB传输效率和抗白噪声能力与QPSK相当，4VSB与16QAM相当。

（2）对于窄带噪声干扰，由于2VSB和4VSB单载波技术可采用自适应滤波技术来估计和跟踪窄带噪声，即用以前的值估计出当前的值，用接收的信号减去估计的噪声值，从而能获得很好的抗窄带噪声效果，同时没有频谱泄漏效应的，其抗干扰能力要优于OFDM系统。

因为在OFDM系统中，星座图的判决要在频域里计算，噪声预测滤波器则需要在时域中进行，因此，OFDM无法采用自适应算法去估计窄带噪声，同时，在OFDM系统中，在计算傅立叶变换的矩形窗时，会使窄带噪声频谱泄漏产生出许多杂波，会严重干扰接收机的性能。

OFDM系统主要在抗多径干扰上有很强的能力，特别是能处理0dB的回波干扰。

但在有线电视系统中，特别是在接入用户的系统中，由于具备一定的专业能力、技术规范和施工标准，其多径回波干扰不严重，不是完全有必要采用多载波的OFDM技术，比如，Docsis系统就是QAM的单载波技术，基于电话线的HomePNA也是一种单载波技术（FDQAM）。

（3）对于冲击脉冲噪声干扰，这是一种随机出现的强的窄带噪声干扰。

由于ECAN系统数据信号的频谱占用了很大带宽（相对于Docsis系统是其10倍，OFDM是其2－3倍），被冲击脉冲噪声全频段覆盖的几率很小。

同时，ECAN系统可以通过编程设置和移动中心频率，以避开低频段噪声的干扰，从而有效提高ECAN系统的可靠性。

3、ECAN系统的性能测试

由于引入了EPON的基于TDMA技术的MPCP（多点控制协议）机制，使ECAN具备了很好的接入能力、可扩展性和可运营性，能适应所有网络的结构。

3－1、MAC层吞吐率测试：

图

①可扩展性：

MAC总吞吐率不会随并发接入数（CNU数）的增加而急剧下降。

ECAN系统能随着接入率的提高接入更多的CNU（用户），支持100％的接入。

测试表明，当符号率设定为60MSps时，MAC吞吐率达90Mbps，而当符号率设定为80MSps时，ECAN的MAC总带宽大于130Mbps。

因而1：

64（覆盖64个CNU）时，静态并发带宽为独享2M，动态带宽为独享10Mbps（按1：

5收敛）。

1：

12时，静态并发带宽为独享10M，动态带宽为独享50Mbps（按1：

5收敛），完全满足NGB的需求。

②可运营性：

无论数据包的长短，都具有一样的传输性能或吞吐量，从而支持所有类型的业务。

测试曲线表明，64Byte的短包长和1518Byte长包长具有一样的吞吐率，完全克服了有源调制技术（MoCA、HomePNA、wiFi降频和HomePlugAV及BPL等）接入总带宽在短包长时会急剧下降的缺陷。

③可管理性：

时隙的DBA动态分配。

在局端CLT的调度和管理下，实现安全可靠和有QoS保障的宽带数据接入。

从而高效合理地既确保了用户的QoS，又能够最大程度地利用系统带宽。

3-2ECAN系统的时延测试

测试环境：

测试条件：

PHY参数

4电平，60Msps（120Mbps），f0=30MHz　

网络环境

1:

12集中分配,链路损耗38dB

系统配置

DBA调度周期：

5ms

测试结果

①上下行比例8：

8（DS:

US），双向流量70Mbps：

下行时延（流量44Mbps）：

包长（Byte）

64

128

256

512

1024

1280

1518

平均时延（us）