如何正确测试和评估同轴双向接入新技术.docx

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如何正确测试和评估同轴双向接入新技术

一、概述

2006年CCBN展会上推出EPON+EoC解决方案以来，通过2007年的讨论和试点，EPON+EoC技术已经成为广电HFC双向网络改造首选的解决方案。

目前存在多种基于有线电视电缆分派网的双向接入技术，往往都被称之为“EoC”技术，但这些所谓的“EoC”技术在实现方式和采用的技术线路上存在专门大不同；设备产品种类繁多、网络承载性能不同专门大，提供的带宽和支持的业务也各不相同，缺乏标准规范。

一方面，众多技术方案的出现反映了市场的需求，给运营商提供了更多的选择空间；另一方面众多的方案也给决策带来了困难，往往无所适从，因此如何正确测试和评估同轴双向接入的各类“EoC”技术显得超级的重要和迫切。

广电总局对此十分重视，从2007年11月广电总局计划院就开始了《无源光网络（PON）测试评估及标准预研究》和《有线电视网络用户接入技术评估测试标准预研》两个项目组的测试评估工作，取得了阶段性功效。

在2008年CCBN期间发布了《有线电视电缆宽带接入技术需求白皮书（征求意见版）》，站在广大运营商的立场论述了需求对技术的要求，提供了必然的指导意见和方向。

从技术角度来讲，各技术方案均有其各自的特点。

比如说，从工作频带看，现有电缆接入技术大多工作于当前广播电视工作允许的频段之外，有些工作在低于65MHz的低频段，有些则为高于860MHz的高频段。

低频段信道内干扰和噪声较大，信道也较为拥堵；而高频段信道内信号衰减和反射较为严峻，有可能大大影响系统的性能或降低该技术的适用性。

由于各类“EoC”产品种类繁多，各个设备厂家由于利益驱动在本技术的宣传上也以为造成了一些误解。

本文拟结合本次广电总局的测试情形和咱们在全国各地的测试情形，能比较全面、系统和客观地评价各类同轴双向接入新技术，使运营商对技术的选择有个较好的参考。

二、从网络协议性能方面看

第一咱们从网络协议性能方面看，基于标准的无源基带EoC产品内置以太互换模块，产品的各项性能比较优越、稳固。

产品能够按照用户不同类型的需要采用不同性能的互换模块，能够具有以下优良的性能，知足运营商各类复杂业务的电信级运营要求。

1、丰硕的管理方式：

支持SNMPv1/v2/v3所有MIB，能够同意HPOpenView等通用网管平台，而且支持CLI命令行，Web网管，Telnet等多种方式，便于设备保护。

2、极高的靠得住性：

支持标准生成树协议、快速生成树协议、多生成树和静态/LACP动态端口汇聚，提供链路的冗余备份和容错性，保证网络的靠得住运行。

3、完善的安全功能：

具有端口限速功能，能够64Kbps/128Kbps的精细粒度进行端口带宽分派，控制用户的接入速度，避免歹意侵占网络带宽，支持4K个VLAN，支持MAC地址绑定，能够设置黑洞MAC地址表来过滤非法用户，而且支持基于逻辑端口的认证，以屏蔽和隔离非法用户，保障网络的正常运行。

4、丰硕的业务特性：

支持128个静态/动态组播组和丰硕的QoS特性，还支持端口镜像，良好的支持各类多媒体业务，并知足各类业务的需求。

5、方便的保护特性：

支持配置的反编译功能，能够随时导出和导入配置，方便批操作和日常的保护管理。

基于标准的无源基带EoC产品能够采用多种互换模块，支持各类丰硕、壮大的网络协议，从而支持各类电信级业务的需要。

其他基于调制解调的有源EoC产品，包括overCoax、MoCA、HCNA（HPNAoverCoax），HomePLUGoverCoax等四大类技术和产品。

由于这些技术诞生之初是为家庭（桌面）联网和家庭（桌面）多媒体共享和互联为目的，因此无需支持各类复杂的网络协议，无需承担电信级业务运营的需要，因此以上基于调制解调的有源EoC技术和产品支持的协议比较简单。

如HomePLUGoverCoax支持透明桥和生成树协议、、、IGMP、SNMP等协议。

HCNA（HPNAoverCoax）支持先进的TDMA，CSMA/CAMAC层协议、支持TR-69远程监控协议、现场和远程监控软件、支持IGMP/MLD窥探和过滤、有效的支持广播，组播，单播，和VLAN路由、支持IPv6协议等。

MoCA支持VLAN、IGMPsnooping、、QoS和SNMP等。

overCoax支持系列等协议。

综上所述，基于标准的无源基带EoC产品在网络协议性能方面有专门大的技术优势，同时由于以太网的系列协议和产品通过几十年在城域网和接入网上应用已经超级成熟，产品的技术风险极小。

其他基于调制解调的有源IPoC产品还处于进展和完善时期。

三、从网络稳固和抗干扰性能方面看

随着网络的进展和业务的开展，HFC双向接入网络的稳固性和抗干扰性能必需引发咱们充分的重视，CableModem在国内一直进展不良就是因为网络的稳固性和抗干扰性能问题。

那么EoC和有源EoC（IPoC）技术和产品在这方面表现怎么样呢？

这次广电总局专门进行了这方面的测试。

图1（a）和图1（b）就是测试系统设置图。

图1（a）基于无源树型电缆分派网络的有源EOC测试框图

图1（b）基于集中分派型电缆分派网络的基带无调制EOC测试框图

通过测试发觉，当宽带噪声源和脉冲噪声源的功率逐渐加大，当加大到必然程度时，各类有源EOC产品就会掉线、死机。

但是宽带噪声源和脉冲噪声源的功率加大最大时，却对无源EOC产品没有任何影响，系统仍然维持稳固的流量。

这是由于：

基带信号的幅度较高，能够达到3伏，如下图2基带信号模板图。

宽带噪声源和脉冲噪声源的功率输出功率达不到干扰信号的程度，因此系统仍然稳固靠得住。

图2基带信号模板图

在实际系统中，虽然低频段的噪声和干扰较大，由于低频段的噪声和干扰都是在dBuV级水平，因此很难对基带EoC信号造成要挟，因此实际测试证明基带EoC产品的稳固性远远超过其他产品。

这充分证明目前有些人宣称的基带EoC产品抗干扰性能差是错误的。

四、从MAC层协议方面看

媒体访问控制（MAC）作为网络的关键技术之一，完全决定局域网的网络性能（诸如吞吐性能与迟延性能）等等。

OSI将网络通信协议体系区分为7个层，体系的最底层称为物理层，网络所采用的不同的传输介质，对应不同的物理层，如双绞线或同轴线。

体系内第二层为数据链路层（DatalinkSub-layer），数据链路层的上半部为LLC（LogicalLinkControlSub-layer）逻辑链路控制子层，负责将数据正确的发送到物理层，在数据链路层的下半部为MAC（MediaAccessControl）子层，负责控制与连接物理层的物理介质。

当发送数据时，MAC层要完成以下任务：

第一它按规则从LLC层接收数据，然后执行媒体访问规程，查看网络是不是能够发送；一旦网络能够发送，它将给数据附加上一些控制信息，把数据及控制信息以规定的格式（一般称做帧）送往物理层。

当接收数据时，MAC层要完成以下任务：

第一它从物理层接收到数据帧并检查数据帧中的控制信息，从而判断是不是发生传输错误。

如数据正确，则去掉控制信息后把其送至LLC层。

MAC层发送和接收数据流程如下图所示：

图3（a）MAC发送数据流程        图3（b）MAC接收数据流程

而无线局域网（WLAN）由于其传输介质和移动性等特点，采用与有线局域网有所区别的MAC协议。

、IEEE标准的MAC协议

在网络标准内，各类传输介质的物理层对应到相对的MAC层，例如以同轴线为传输介质时，对应的MAC层标准为，各个运算机连接成环状时，对应MAC标准为。

目前，最普及的网络标准称为以太网，其在MAC层概念为。

的MAC层概念对传输介质的访问控制方式为CSMA/CD。

、CSMA/CD媒体访问控制协议

由于以太网（Ethernet）成为现存局域网络结构的绝大多形式，CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）载波监测多址接入协议也成为局域网采用最多的MAC协议。

CSMA/CD适宜于总线型局域网拓朴结构的随机竞争型媒体访问控制。

总线型网络允许同一时刻只有一个节点（Node）发送数据，一旦两个或以上节点同时发送数据，则会发生数据碰撞，数据不能正常发送和接收。

CSMA/CD协议就是尽可能保证网络上同时只有一个节点发送数据，减小数据“碰撞”概率。

CSMA/CD工作进程：

当MAC收到LLC（LogicalLinkControlSub-Layer）发来的数据以后，第一监测网络电缆上是不是具有数据，即载波传送。

若是网络空闲，即没有载波传送，刚将数据装帧，经物理层发送出去。

若是网络忙碌，则监测网络直到网络空闲，再将数据装帧发送。

从10BASE-T到此刻全双工的1000BASE-T等技术的出现，IEEE标准局域网拓扑结构已经开始由总线型结构向点到点的星型结构进展，CSMA/CD为基础的MAC子层一样适用双工工作模式的局域网。

、无线局域网（WLAN）的MAC协议

无线局域网（WLAN）中MAC所对应的标准为IEEE，IEEEMAC综合了两种工作方式：

散布控制（DCF）和中心控制（PCF）两种工作方式：

1.散布控制方式（DCF），类似CDMA/CD，利用载波监听机制，适用于散布式网络，传输具有突发性和随机性的普通分组数据，支持无竞争型实时业务及竞争型非实时业务。

2.中心控制方式（PCF），成立在DCF工作方式之上而且仅支持竞争型非实时业务，适用于具有中央控制器的网络。

、散布控制方式（DCF）

DCF机制是MAC层中最大体的媒体接入控制机制。

DCF机制基于CSMA/CA（CSMA/CollisionAvoidance载波监听多址接入/碰撞避免），并以RTS/CTS消息互换机制作为辅助的介质访问方式

、CSMA/CA协议

CSMA作为随机竞争类MAC协议，算法简单而且性能丰硕，所以在实际局域网的利用中取得了普遍的应用。

可是在无线局域网中，由于无线传输媒体固有的特性及移动性的影响，无线局域网的MAC在过失控制、解决隐藏终端等方面存在应有别于有线局域网。

因此WLAN与有线局域网所采用的CSMA具有必然的不同。

WLAN采用CSMA/CA（CSMA/CollisionAvoidance）协议，其与CSMA/CD最大的不同点在于其采取避免冲突工作方式。

与CSMA/CD不同，WLAN媒体访问控制（MAC）层采用的CSMA/CA（CSMA/CollisionAvoidance）协议，由于在RF传输网络中冲突检测比较困难，所以该协议用避免冲突检测代替协议利用的冲突检测，采用冲突避免机制尽可能减小冲突碰撞发生的概率，以提高网络吞吐性能与迟延性能。

协议利用信道空闲评估（CCA）算法来决定信道是不是空闲，通过测试天线能量和决定接收信号强度RSSI来完成，而且利用RTS、CTS和ACK帧减少冲突。

数据加密与普通局域网的等同加密（WEP）算法一样，利用64位密钥和RC4加密算法。

 、CSMA/CA工作进程：

如图所示：

图4带RTS/CTS的DCF机制工作进程

当发射端希望发送数据时，第一检测介质是不是空闲，若是介质为空闲时，送出RTS（RequestToSend请求发送），RTS信号包括发射端的地址、接收端的地址、下一笔数据将持续发送的时刻等信息，接收端收到RTS信号后，将响应短信号CTS（ClearToSend），CTS信号上也RTS内记录的持续发送的时刻，当发射端收到CTS包后，随即开始发送数据包，如图5所示，接收端收到数据包后，将以包内的CRC（CyclicRedundancyCheck，循环冗余校验）的数值来查验包数据是不是正确，若是查验结果正确时，接收端将响应ACK包，告知发射端数据已经被成功地接收。

当发射端没有收到接收端的ACK包时，将以为包在传输进程中丢失，而一直从头发送包。

、CSMA/CA与CSMA/CD的区别

1、载波检测方式：

因传输介质不同，CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。

CSMA/CD通过电缆中电压的转变来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生转变；而CSMA/CA采用能量检测（ED）、载波检测（CS）和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。

2、信道利用率比较：

CSMA/CA协议信道利用率低于CSMA/CD协议信道利用率。

可是由于无线传输的特性，在无线局域网不能采用有线局域网的CSMA/CD协议。

信道利用率受传输距离和空旷程度的影响，当距离远或有障碍物影响时会存在隐藏终端问题，降低信道利用率。

具体最高的信道利用率与传输速度有关。

在无线局域网中，在1Mbit/s速度时最高信道利用率可到90％，而在11Mbit/s时最高信道利用率只有65％左右。

、HomePNAMAC层协议

HomePNA的MAC层协议为CSMA/CA，为提供QoS服务，它采取八种不同优先品级（0~7，7代表最高优先品级）的帧传送方式，由测量帧确认否有碰撞发生。

一个正常帧传送时刻须介于us~3122us之间，因此，当传送数据的工作站侦测到网络上发生碰撞时，必需在70us内停止传送数据。

换言之，当帧传送时刻小于us或大于3122us，就表示网络上有碰撞发生。

若网络上发生碰撞，则每部工作站（含先前未传送数据的工作站）必需执行散布公平优先级排队DFPQ（DistributedFairPriorityQueuing）算法，以便决定由那一部工作站取得传输媒体的利用权。

图5不同版本（右上角）HomePNA在32Mbps时节点数与吞吐率的关系

当网络中HomePNA设备节点增加时，碰撞的概率大大增加，数据传输的速度也大大降低。

在实验中发觉，以一条电话线或同轴线上连接6台以上的电脑时，电脑之间复制文件的速度会变得较慢，因此HomePNA比较适合节点数较少的家庭联网场合，若是用于点到多点的、数据流量要求较高的接入时，不免有点力不从心！

HomePNAVer3+版本对此有改善，可是此现象仍然存在。

、HomePLUGAV的MAC层

HomePLUGAV设计了十分高效的MAC层，支持基于工频周期同步机制的TDMA和CSMA/CA。

TDMA面向连接，提供QoS保障，确保带宽预留、高靠得住性和严格的时延抖动控制。

CSMA/CA面向优先级，提供四级优先级。

工频周期同步机制确保良好的抗工频周期同步噪声的信道适应能力，如调光灯、充电器等产生的谐波。

基于128位AES严格加密。

中央协调者CCo（CentralCoordinator）控制所在电力线网络设备的活动，并协调同相邻电力线网络的共存，以支持电力线宽带接入、多电力线网络运行和隐藏节点服务。

由于MAC层仍然采用CSMA机制，当网络中HomePLUGAV设备节点增加时，碰撞的概率会增加，数据传输的速度也会大大降低，延迟也会增加。

之所以HomePLUGAV要维持CSMA模式是为了兼容以前的HomePLUG规范和协议。

以前的HomePLUG规范和协议只支持CSMA，这种情形也会出此刻HomePNA3上。

、MoCA的MAC层

MoCA规范的技术基础是基于美国Entropic公司的c-link技术。

采用TDMA/TDD全协同工作的MAC，所以能够在各个节点之间实现高靠得住性的发送调度和传输。

虽然在物理层上是共享媒介的，但在逻辑网络层上是一个网格点对点连接的网络。

另外，除点对点的连接外，协议还支持广播和多播通信。

图6四个节点的网络

图6表示四个节点的网络，收发信道的容量能够不同，粗细表示容量的大小。

由于MOCA的MAC层是完全协同的，网络中的每一个节点必需有一个参考时钟与系统时钟同步。

在MOCA网络中，由NC来产生系统时钟。

所有其它的节点，通过读取NC的系统时钟戳，将其内部时钟与系统时钟同步。

每一个信标（Beacon）包括一个系统时钟戳，新的节点在包的发送和接收时，用来同步自己的内部时钟与NC的时钟。

时钟戳在每一个MAC帧中都要发送。

在MAC协议中，包括控制包和数据包。

控制包用于链路层的控制操作，比犹如步、网络许可、维持请求和MAP等。

数据包传输用户信息。

另外，协议还支持检测包的传输，用来肯定通道的特性。

新的节点利用信标来发觉和加入MOCA网络。

NC必需利用分集模式（diversitymode）和设定的最大功率来发送信标。

信标必需是以非加密的方式来传送。

NC发送信标采用固定的时刻距离，那个时刻距离称为信标同步距离（beaconsynchintervalBSI）。

每一个信标包括有系统时刻戳（systemtimestamp），如此新的节点几能够用系统时刻戳来同步它的内部参考时钟。

图7 MoCA信标工作示用意

NC通过在称为AsynchronousMAPs的控制包向网络中的所有节点广播发送机缘信息来控制整个网络的发送工作。

一个MAP包括有在给定的时刻段上的发送机缘许可信息。

网络协同控制器（NC）通过利用MAP包广播发送机缘给所有的节点，控制了网络中所有的发送。

一个MAP包包括了在分派的时刻段上发送机缘；MAP包中标示了每一个发送何时开始、持续时刻、发送的类型、利用的PHY参数、和发送的源节点和目的节点MAP的长度由网络协同控制器（NC）肯定，其长度是可变的。

在一个BSI（信标周期）内，可能有多个MAP。

MAP还肯定了下一个MAP和信标的发送时刻。

当一个节点要发送数据的时候，就等待在MAP中的发送机缘，然后发送请求给网络协同控制器（NC）。

网络协同控制器（NC）处置请求，在下一个MAP中给出一个发送机缘。

节点就利用那个发送机缘发送数据包到给定的节点。

接收接点也在监测MAP包，所以，它明白何时，谁给它发送了数据包。

固然，在网络终端很多的情形下，当一个节点要发送数据的时候，其等待发送机缘的时刻就会越长，降低了网络传输效率。

综上所述，的CSMA/CD、HomePNA和HomePLUG的CSMA/CA和TDMA、MoCA的TDMA/TDD、的CSMA/CA五种类型的MAC协议，由于后四种均为共享介质、半双工工作模式，在网络终端很多的情形下，局端的协调和终端的等待时刻都会大大增加，网络时延增大，降低了网络传输流量和效率，利用率较低。

因此要使有源调制EoC系统工作稳固，系统的设计、用户终端数量的控制必需少，一味强调带十几个、乃至二、三十以上终端的网络，系统的稳固性和靠得住性是很难保证的！

可是控制局端下面的用户终端数量会致使网络建设本钱大大增加。

的CSMA/CD在采用点到点网络拓扑结构时，能够全双工工作，不论网络规模状况，局端的协调和终端的等待时刻不会增加，网络传输流量和效率能够有效保证。

五、从物理层方面看

、HomePLUGAV的物理层

HomePLUGAV的物理层利用OFDM调制方式，它是将待发送的信息码元通过串并变换，降低速度，从而增大码元周期，以减弱多径干扰的影响。

固然，如此做也付出了带宽的代价，并带来了能量损失：

CP越长，能量损失就越大。

OFDM中各个子载波频谱有1/2重叠正交，如此提高了OFDM调制方式的频谱利用率。

在接收端通过相关解调技术分离出各载波，同时消除码间干扰的影响。

HomePLUGAV去除无线电爱好者利用的频率后，在2-28MHz频段利用917个子载波；功率谱密度可编程，以知足不同国家的频率管制；每一个子载波能够单独进行BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM、256QAM和1024QAM调制；采用TurboFEC错误校验；物理层线路速度达到200Mbps，净荷为150Mbps，前同步码可被HomePLUG设备检测，从而实现二者共存，但互操作是可选项。

在10个家庭中进行的性能测试中，80%的插座达到55Mbps以上的带宽，95%的插座达到35Mbps以上的带宽，98%的插座达到27Mbps以上的带宽，典型的物理层速度为70-100Mbps。

由于采用OFDM调制方式使得HomePLUGAV在现场测试中往往取得较好的表现。

、HomePNAPHY的物理层

HomePNA物理层利用PPM（脉冲位置调制--PulsePositionModulation）调制技术，而HomePNA利用QAM（正交幅度调制--QuadratureAmplitudeModulation）调制技术。

HomePNA采用FDQAM（变频QAM--FrequencyDiverseQAM）调制技术，以保障较稳固的数据传送速度。

一般而言，在较低的SNR传输环境下，FDQAM的效率优于QAM，可是其抗干扰能力上不如OFDM。

2007年1月ITU规定了基于HomePNA的同轴电缆传输规范（称之为HomePNA）。

HomePNA提供2、4、8、16和32Mbaud符号率，每一个baud符号可承载2~10位，因此其数据传送速度介于4Mbps~320Mbps（4~36MHz频谱结构，占32MHz带宽）。

图8 HomePNA频谱结构

图9 HomePNA发射机框图 

ITUHomePNAOverCoax支持四种带宽频谱：

①、频谱结构#A（4-20MHz）：

2、4、8、16MBaud（4Mbps–160Mbps）

②、频谱结构#B（12-28MHz）：

2、4、8、16MBaud（4Mbps–160Mbps）

③、频谱结构#C（36-52MHz）：

2、4、8、16MBaud（4Mbps–160Mbps）

④、频谱结构#D（4-36MHz）：

2、4、8、16、32Mbaud（4Mbps–320Mbps）

、MoCA的物理层

物理层主要由RF子系统和基带数字信号处置（DSP）子系统组成。

由于实际利用CATV环境的特性是不肯定的，一种对信道、频率和信号强度的估量和补偿算法（estimationandcompensationalgorithm）是DSP的主要部份，用来减轻网络的各类多径环境，从而能够在高阶QAM调制的情形下提高解调的准确性。

图10 物理层

RF子系统采用直接正交转换（zeroIF）来完成收/发功能。

在发送通道上，一个可变功率放大器用来精准控制发送功率。

在接收通道上，一个具有可变增益的低噪声放大器，用来提供高线性宽带ZEROIF的解决方案。

本地振荡器由一个可编程PLL的晶体组成，频率范围为850MHz~1500MHz。

PHY层是基于TDMA/TDD突发OFDM调制方式的，也称为自适应星座多音（adaptiveconstellationmulti-tone–ACMT）。

OFDM信号由一些正交的载波组成，每一个载波上均进行数字调制，与相同数据速度的单载波技术相较，OFDM信号具有更长的符号周期，所以，该技术具有很强的抗多径衰落的性能。

另外，在载波上应用的调制方式是BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，各类调制按照传输速度的要求自适应切换。

每一个发射突发（一个包）由一个前缀，增益的训练信息、频率和通道估量、OFDM调制符号的负载组成。

PHY的性能依赖于高阶QAM调制达到的最大吞吐能力为250MBPS，采用RS编码来完成FEC，使包错率（PER）小于10-6。

每一个OFDM符号有由一组利用8种QAM方式之一进行调制的子载波组成，8种QAM调制模式是BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM、128QAM和256QAM。

QAM调制方式的选择是按照OFDM子载波的信噪比进行的（也就是后面要说明的位装载进程）。

每一个OFDM子载波带宽大约是192KHz，因此，能够在CATV网络中进行diverse和dispersive通道条件的精细调整。

调制速度通过选择OFDM子载波和转变每一个子载波上的位装载来调整。

对每一个OFDM子载波，QAM