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PON相关基础知识
PON相关基础知识
1CMTS与EPON技术方案分析
1.1技术方案比较
1.1.1CMTS+CM系统构成
Ø前端设备CMTS
Ø用户端设备CableModem
Ø设备之间通过双向HFC网络连接
ØCMTS负责管理CableModem
ØCableModem完成用户端数据信号的上下行处理。
采用CMTS+CM方式进行双向改造,其基本做法如下:
（1）根据网络规模及光纤资源的实际情况,CMTS设备一般安装于分前端;
（2）在光节点处安装光回传发射机,在分前端安装光回传接收机,每个光节点到CMTS整个系统需要使用2条纤芯（1芯上行和1芯下行）;
（3）对电缆接入网络中的单向设备如放大器进行双向改造,对干线电缆和入户电缆进行改造;
（4）用户通过CM设备连接电脑及机顶盒,CM通过双向HFC网络与CMTS连接,从而实现数据通信。
1.1.2EPON技术方案
EPON的标准为IEEE的802.3ah。
EPON是一种纯介质网络,它采用点到多点结构,消除了局端与用户端之间的有源设备,以无源光传输方式,在以太网之上提供多业务。
EPON以低成本、高带宽、简化而可靠的系统,从而成为连接接入网最终用户的一种有效的通信方法。
一个典型的EthernetoverPON系统由OLT、ONU、POS（无源分光器）组成。
OLT（OpticalLineTerminal）放在分前端机房。
ONU（OpticalNetworkUnit）放在网络接口单元附近或与其合为一体。
无源分光器是一个连接OLT和
ONU的无源设备,它的功能是分发下行数据并集中上行数据。
EPON中使用单芯光纤,在一根芯上传送上下行两个波（上行波长:
1310nm,下行波长:
1490nm,另外还可以在这个芯上叠加1550nm的波长,一般用这个波长来传送电视信号）。
1.2带宽比较
1.2.1CMTS+CM
（1）CMTS+CM系统带宽:
CMTS选用DOCSIS2.0、欧标,一般配置情况如表1。
通常DOCSIS2.0可实现下行38Mbps,上行10Mbps的速率,如果下行采用256QAM调制方式,上行采用64QAM（6.4带宽）调制方式更可实现下行51Mbps,上行30Mbps的速率。
CMTS选用DOCSIS3.0,一般配置情况如表2。
DOCSIS3.0通过将3～4个频道捆绑传输实现下行数据传输率可达200Mbps,上行数据传输率可达120Mbps,支持IPv6。
高清电视和MPEG-2/H.264数字电视机顶盒均支持DOCSIS3.0标准。
（2）带宽分配:
如果1个CMTS服务500个CM,则这500个CM共享系统的上下行带宽。
如果上下行流量拥塞,可通过减少CMTS服务CM的个数来满足带宽增长的需求。
当CM数量增多时,可增加CMTS来满足需求。
1.2.2EPON
EPON每个PON口上下行数据传输速率为对称1Gbps。
EPON能以较低的分路比来提高每用户的带宽,例如,EPON的分路比从1∶32降到1∶16,可使每用户的共享带宽增加1倍。
可见CMTS适用于小带宽需求的应用，点播回传、2M左右的Internet访问等业务，而EPON适合开展宽带上网和网络视频、IPTV等。
1.3业务支持能力
常见接入业务类型及其带宽需求如表3所示。
1.3.1EPON
EPON的很大一个优势就是可利用丰富的带宽开展多种业务和应用,如实现三重服务（tripleplay）（高速、个性化、实时动态）,为最终的三网合一奠定良好的基础。
目前可以开展的业务有语音（包括POTS和VoIP）、视频点播（VOD）、标准电视和高清电视（STVandHDTV）,视频会议、实时或者准实时的电子交易和数据等等。
1.3.2CMTS+CM
（1）完全能够满足传输数据业务的要求;
（2）互动电视。
可利用CableModem系统传送上行数据,利用IPQAM调制方式传送下行视频数据流（即视频信号还是利用原有的HFC网络的广播通道来承载）。
采用MPEG-2标准时,8M电视频道带宽,可传送码流为3.75Mbps标清电视节目10套,可传送码流为12～19.4Mbps高清电视节目2～3套。
采用H.264标准时,8M电视频道带宽,可传送码流为1.5～2Mbps标清电视节目20～30套,可传送码流为6～8Mbps高清电视节目5～6套。
数字整体转换完成后,HFC系统的110～860MHz共750M带宽可用于传送下行电视、数据业务,8M带宽可传送6～8套数字电视节目,则200M带宽可传送近200套数字电视节目;如果规划400M带宽作为互动电视,则可以IPQAM方式传送3.75MbpsMPEG-2的标清电视节目500套,可以IPQAM方式传送2MbpsH.264的标清电视节目1000套。
2两种方案优缺点分析
2.1CMTS+CM双向改造的主要优缺点分析
优点:
（1）可利用现有的HFC网络提供双向通信;
（2）大面积覆盖、低开通率的情况下成本较低,少量的前期投入即可在全网进行用户接入;
（3）CM模式可根据用户数量逐步增加CMTS和CM,投资是滚动增加的;
（4）技术标准及产品比较成熟;
（5）管理灵活方便,可动态分配带宽,动态分配地址,可灵活控制用户传输带宽,按需求为特殊用户配置流量;
（6）一根电缆线入户,不需要重新铺设入户线缆;
（7）只需维护一张网,维护费用低。
缺点:
（1）对于大多数有线电视运营商而言，上行噪声是一个普遍存在的问题，尤其是在低频带（<65MHz）。
通常这种噪声由电子马达、雷电、HAM、短波广播甚至太阳黑子以及用户家中终端盒，埋入墙中的线缆质量，私接非标准件，家里各类接口处胶布连接线路等情况引起，它将破坏CableModem在上行通道（反向回传通道）的数据传输，导致用户通信质量下降，尤其是在视频或IP话音等实时业务情形下，噪声干扰将引起数据传输延时和抖动，造成视频图象失真或话音不连续。
上行噪声汇聚也是一个工程和维护的难题，HFC网络反向设计和施工工艺的控制在我国大部分地区（特别是中、小城市）实施也还存在一定难度，而维护和运行故障排除需要的技术支撑在我国大部分地区短期内也难妥善解决。
（2）采用CMTS进行双向改造，需要反向光发射，接收机，上变频器等多种设备，但是下行传输速率为160M比特/秒，上行传输速率为120M比特/秒（DOCSIS3.0目前能达到的水平）100户共享，每户只能下行1.6M比特/秒,上行1.2M比特/秒，局限在于CMTS设备包转发能力弱，一般仅有上万pps,无法和EPON设备高端三层路由交换机相比较，为后者的几十分之一，无法满足日益增长的高带宽业务需求。
另外CMTS设备数据功能简单，仅仅有简单的MAC学习管理，桥接转发能力，需要外接IP路由设备完成业务平台的搭建。
（3）CMTS采用多值正交幅度调制MQAM（其中M=2m，当m=2，3，4，5，6，8时，分别对应QPSK，8QAM，16QAM，32QAM，64QAM，256QAM）调制方式，本质上是传输射频载波信号的模拟网络，和网络IP化和以太网化背道而驰，而EPON＋EOC仅仅在最后100M采用了是基带技术，核心网到楼层接入已全部以太网化，而日后的光纤到楼，以太网五类线入户仅仅需要替换一些简单的无源器件，为业务升级，提供用户更高带宽留下了充足空间。
（4）CMTS户均成本高是这个方案的致命弱点。
CMTS虽然覆盖成本低，但CMTS多个用户共享38M（docsis2.0）/160M（docsis3.0）带宽，不能满足大量用户的使用，户均成本依然偏高。
（5）由于交互业务占用的频道不宜过多，一般下行只安排8个频道。
由于CMTS与光发射机的对应关系，如果每个光节点服务100户、双向各占用2个频道（下行采用64QAM调制时50户共享38Mdps）的话，一台光发射机只能带4个光节点。
这样就只能选用4－6mW的小功率光发射机。
如果一个分前端服务2万户的话，就需要50台光发射机和50台8通道CMTS，2万个CM。
这种方案前端设备数量巨大，维护管理复杂，对后端IP城域网的升级扩容造成极大的压力。
2.2EPON的主要优缺点分析
优点:
（1）提供非常高的带宽。
EPON目前可以提供上下行对称的1Gb/s的带宽;
（2）EPON作为一种点到多点网络,以一种扇型的结构来节省主干光纤资源,服务大量用户;
（3）光纤进一步向用户延伸,更接近用户;
（4）EPON结构在光传输途中不需电源,没有电子部件,结构简单;
（5）EPON系统对局端资源占用很少,模块化程度高,系统扩展容易;大多数EPON系统都是一个多业务平台,对于向全IP网络和全光网过渡是一个很
好的选择。
（6）带宽分配灵活,服务有保证。
对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。
EPON可以通过DBA（动态带宽算法）、DiffServ、PQ/WFQ、WRED等来实现对每个用户进行带宽分配,并保证每个用户的QoS。
缺点:
（1）大面积覆盖、低开通率的情况下成本较高;
（2）楼栋内施工安装不便;
（3）需要维护两张网（EPON+HFC）,维护费用高。
（采用双纤三波方案即ONU+CATV家用光接收机一体接入设备则无此问题）
3GPON与EPON的比较
3.1技术指标比较
GPON和EPON的技术差别很小。
两者的区别主要是接口，其交换、网元管理、用户管理都是类似、甚至相同的。
比较而言，GPON在多业务承载、全业务运营上更有优势，这主要是由于GPON标准是FSAN组织制定的，而FSAN是运营商主导的。
3.2成本因素比较
在芯片方面，EPON继承了以太网“简单即是美”的优良传统，尽量只做最小的改动来提供增加的功能。
EPON从技术角度“进入门槛”很低，容易吸引大批厂商加入EPON产业联盟。
GPON芯片功能比较复杂，需要全新设计封装格式，GPON芯片厂商数量太少，芯片价格也难以下降。
在这方面，ATM就是一个前车之鉴。
在光模块方面，由于GPON的光模块要满足很高的突发同步指标，对模块中的驱动和前后放大器芯片的要求很高；还要满足三类ODN的功率预算，对ONU发射机功率和OLT接收机的灵敏度也有很高要求，只能采用DFB发射机和APD的接收机，而它们的成本几乎是EPON模块中使用的传统FP发射机和PIN接收机的6倍。
从技术上看，EPON设计原则就是以牺牲性能（如带宽、速度）来降低技术复杂度和实现难度，从而可以较好地控制初期成本。
从技术适应场景看，EPON技术比较适合互联网接入的应用类型。
GPON在成本上难以和EPON竞争。
（但是不能简单地说GPON比EPON成本高。
如果以单个光口计，GPON比EPON贵。
但是，从整体建网成本计，GPON和EPON差不多。
这是因为从带宽、业务的支持能力看，每GPON端口能够接入64个、甚至128个用户，而每EPON端口只能接入32个用户。
所以同等带宽的情况下，户均成本差异没有表面看到的大）
3.3多业务和安全性比较
GPON标准由FSAN组织制定，ITU-T颁布。
FSAN（FullServiceAccessNetworks，全业务接入网）联盟是由运营商主导的光接入标准论坛，其成员主要是网络运营商、设备制造商以及作为观察员的业内资深专家，GPON技术提供语音、数据和视频等三网融合业务能力，GPON是由运营商推动建立的标准，对带宽、业务承载、管理和维护等考虑得更多。
GPON拥有比EPON更高的带宽，覆盖范围更广，可以承载更多的业务种类，更完善的操作维护功能。
由于考虑了较多的高等级业务支持，初期成本较高。
从技术适应场景看，GPON技术比较适合全业务运营和三网融合的应用类型。
GPON能够提供较高的带宽效率，具有传输时钟等能力，并且能够在网络运维以及网络综合管理等方面满足运营商更高的要求。
4当前广电几种宽带改造方案
4.1CMTS+CM
目前广电常见的几种双向、宽带改造方案：
CableModem接入技术、EPON+EOC接入、EPON+LAN接入。
其中电缆调制解调器（Cable Modem ）接入技术是基于有线电视（CATV）网的网络接入技术。
在原来有线电视的网络基础上，通过在局端放置CMTS设备来接入互联网，将单向光机改造为双向光机，并在用户端放置CableModem用于用户终端的接入，以此来实现用户宽带业务。
如下图：
4.2EPON+EOC
EPON+EOC接入技术广电目前进行双向网络改造的主流技术，其功能可以将传统有线电视系统内的单向广播式的传输网络，改造为能够传输广播业务和双向数据业务的网络，大大提高了网络的运营能力。
其中EPON尤指光缆网络的双向改造技术，而EOC尤指同轴电缆网络的双向改造技术，两者合起来便是广电最主流的双向网络技术改造标准。
见下图：
4.3EPON+LAN
EPON+LAN接入技术类似于EPON+EOC，主要传输还是采用EPON标准，只是入户一端没有用同轴的EOC终端，直接采用网线接入。
如下图。
由上可见，上面三种方式都解决了双向和宽带接入，但有各自的不足。
CMTS方式受网络干扰、设备成本较高、带宽有限等原因，在我国长期以来一直没有得到大规模推广；EOC是共享带宽的，带宽只有300M左右，多个用户并发时，每户带宽不高，而且容易受到外界低频干扰；LAN虽然可以提供较高的带宽，但是受传输距离限制，LAN交换机只能放在楼栋单元，供电和维护不方便，可靠性也不高，同时也存在需要新铺线路问题。
另外更重要的以上方案虽然都有光传输，但最后一阶段入户没有采用光接入。
随着铜缆价格大幅上涨，而光纤光缆和光收发模块的价格却逐步降低，且新业务的不断出现对带宽和网络传输质量的高需求，各个运营商希望用光纤代替铜线作为传输介质，最终实现FTTH这一终极目标。
5FTTH的接入方案
FTTH是光纤直接到家庭的外语缩写，中文缩写为光纤到户。
具体说，FTTH是指将光网络单元（ONU）安装在住家用户或企业用户处，是光接入系列中除FTTD（光纤到桌面）外最靠近用户的光接入网应用类型。
FTTH的显著技术特点是不但提供更大的带宽，而且增强了网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性，放宽了对环境条件和供电等要求，简化了维护和安装。
说到FTTH，首先就必须谈到光纤接入。
光纤接入是指局端与用户之间完全以光纤作为传输媒体。
光纤接入可以分为有源光接入和无源光接入。
光纤用户网的主要技术是光波传输技术。
目前光纤传输的复用技术发展相当快，多数已处于实用化。
随着FTTH的大规模应用，成本不断降低，也是当前最适合的终极入户方案。
光纤入户是未来接入网络的终极方向。
主要有以下几点原因：
1、它是无源网络，从局端到用户，中间基本上可以做到无源；
2、它的带宽是比较宽的，长距离正好符合运营商的大规模运用方式；随着海量直播和高清、4k、3D等视频节目的需求，广播带宽至少需要5G以上的带宽，所以光纤入户是最佳选择，光进铜退也是业界发展趋势。
3、因为它是在光纤上承载的业务，所以并没有什么问题；
4、由于它的带宽比较宽，支持的协议比较灵活；综合业务的普及需要智能化的终端设备，支持视频广播、家庭宽带、多屏互动，后续还需要支持智能家居网关等功能
5、随着技术的发展，包括点对点、1.25G、2.5G和FTTH的方式都制定了比较完善的功能。
5.1纯数据业务FTTH接入方案
纯数据业务FTTH接入方案采用点到多点的星型物理拓扑结构，网络由置于局端的光线路终端（OLT）、置于用户端的光网络单元（ONU）及1:
N的无源光分路器（Splitter）组成。
N（N<=32）个ONU共享一个OLT和最长20km 的光纤干线，并利用波分复用器工作于单纤双向传输方式。
PON网络可以承载数据、视频、IPTV、OTT、VoIP等业务，而且PON网络纯数字、无源分配器的特点，大大简化了网络层级，降低了网络运维成本，提高了网络的运行效率。
纯数据业务组网接入方案
5.1.1纯数据业务组网接入方案的优缺点
优点：
1、把直播业务信号和数据语音信号合并在一根光纤内传输，节省了光纤资源。
缺点：
1、直播业务要占用数据业务带宽。
直播节目业务采用组播方式，与宽带共享PON的下行带宽。
按EPON每个端口64户，GPON每个端口128户计算，每户静态带宽12M左右。
理论上对于超过12M带宽的4K节目，无法保证所有用户同时收看。
数据宽带业务采用EPON，上下行物理带宽都是1.25G，实际可用带宽只有800M左右，按照带64户计算，下行带宽：
12M，仅能满足用户上网的需求，如果出现大量用户收看高清直播，宽带将受到影响。
2、直播质量不高。
因为直播为组播方式，且带宽问题，直播质量编码一般会采取抽帧处理，不会按照传统广电严格标准执行。
3、直播信号受IP网络影响较大，用户体验一般。
遇上断网或网络不好等网络故障，直播业务也会受到影响，甚至中断，不如传统Cable广播稳定。
4、由于直播信号对IP网络质量要求较高，整个网络维护比较复杂。
5、需要城域网支持组播功能，整体成本较高；
5.2数据+CATV的FTTH组网方案
数据+CATV的FTTH组网方案分为双纤三波和单纤三波组网方案：
◆双纤三波组网方案是在两根光纤中分别传输广播电视信号和数据信号；
◆单纤三波组网方案是在同一根光纤中传输广播电视信号和数据信号。
5.2.1双纤三波组网方案
PON的上下行波长和广播电视光波长不复用在一起，数据传输链路和广播电视链路完全分开，避免了多波长间的干扰。
双纤三波的组网方案如图所示：
双纤三波组网方案
5.2.2单纤三波组网方案
OLT通过波分复用/光合波功能器将PON的下行数据传输波长和广播电视光波长复用在一起，同时在上行方向分离出PON上行数据传输波长。
ONU端通过内置波分复用/光分路器将PON下行数据传输波长和广播电视光波长分离，同时在上行方向插入PON上行数据传输波长。
ONU将PON下行数据传输波长和广播电视光波长分离后，分别通过FE接口和RF接口提供给PC终端和电视。
单纤三波方案的特点是主体光纤共用，节省光纤资源，缺点是增加了波分复用器件，目前成本较高。
◆单纤三波传输，OLT内置合波器：
CATV业务通过OLT内置采用合波器设备，把CATV信号和数据语音信号合并在一根光纤内，通过PON口后在光网络上传输，在用户端的ONU设备分波，通过RF射频接口把CATV信号传输到CATV电视机上。
◆单纤三波传输，OLT外置合波器：
CATV业务通过OLT外接合波器设备，把CATV信号和数据语音信号合并在一根光纤内传输，在用户端的ONU设备分波，通过RF射频接口把CATV信号传输到CATV电视机上。
5.2.3数据+CATV的FTTH组网方案优缺点
优点：
1、CATV信号和数据语音信号分开在不同光纤内传输，两张网分开运营，单网故障相互不影响。
2、CATV信号走HFC网络成熟稳定，用户体验好。
3、CATV信号走不同光纤，节省数据光纤的带宽，数据业务体验更好。
采用CATV光传输+EPON的方式，其中一路将原有的CATV信号用光纤直接传到用户家里，而宽带业务用EPON来承载。
这种方式能提供3~7G的带宽用于视频直播、时移、点播，能比电信提供更高的清晰度和更多的节目，而数据上不比电信实际提供带宽小，且节省组网成本。
4、整个网络维护简单方便。
缺点：
1、需要占用更多的光纤资源。
另外单纤三波和双纤三波也存在选择问题：
1.单纤三波需局端和终端都引入波分复用设备，户均成本增加100RMB左右，且光纤色散干扰影响传输质量，目前尚未很好解决方案。
而双纤三波，需用双芯光纤入户，但设备投入低，传输质量高，目前广电多采用此方案。
总而言之，CATV采用调制的方式传输，同等传输介质情况下，能提供更多的频道数和更高的清晰度，是广电的绝对优势，决不能放弃。
而纯数据业务模式（IPTV就是这种模式）是电信不得已的选择，主要是由电信的网络结构决定的。
且纯数据业务模式需要大量投入CDN建设，随着视频服务器增加，以及节目数和清晰度的增加，将不断投入，建设成本远高于CATV，不建议广电采用。
5.3全IP、光纤入户一体化解决方案_10G广播方案
面向4K时代的超宽带、全IP、光纤到户的一体化整体解决方案
整体框图
核心部分
5.3.110G汇聚交换机的功能：
Ø编码器对SDI数字信号进行编码压缩成TS流
Ø每个TS流在复用加扰器后都是IP方式输出（复用加扰前不限制用IP）
Ø每个TS输出取238网段的组播地址，所有TS都取相同的组播IP地址，但用不同的端口号区分；
Ø所有TS流组播划分到一个VLAN中，VLAN的划分按设备端口进行；
Ø交换机不起IGMPSNOOPING协议，组播报文将自动按广播处理，在VLAN指定的端口内广播；
5.3.2TS流装进IP报文的原理：
1.视音频内容可按照MPEG-2、MPEG-4、H.264、H.265或AVS标准进行压缩编码。
2.传输层按TS包格式进行第一次封装，以PID作为不同节目流的标识；
3.TS包作为载荷封装进UDP报文,并以UDP目的端口号（1到65535）作为TS流区分；
4.UDP报文作为载荷进一步封装进IP报文，其中目的IP地址采用组播地址（地址范围是224.0.0.1到239.255.255.255）。
10GTSOVERIP广播的基本原理（节目寻址）
特点：
Ø提供10G广播信道带宽；
Ø通过协议简单增加，兼容承载现有DVB业务；
ØIP处理芯片可以同时设置并过滤用户多终端的广播信号要求（同时过滤多个节目），并通过家庭IP网络分发。
Ø由于节目都广播到终端，且无需锁频，换台时间极短，只需配置过滤器；
5.3.3解决方案智能STB原理介绍
智能终端主要包括：
Ø10G广播信道模块：
支持10GIP广播功能
ØONT模块：
提供双向通道，实现点播信令回传
采用基于Android/TVOS的操作系统
单个频道带宽
2015年
2016年
2017年
标清直播频道数
5M
100
80
60
高清直播频道数
10M
80
100
120
4K直播频道数
25M/50M
1
5
10
直播所需总带宽
∑（频道数*频道带宽）
1350M
1650M
2000M
VOD标清节目
2M
VOD高清节目
4M
4K点播节目
25M
标清：
高清：
4K用户比例
50:
40:
10
40:
50:
10
30:
50:
20
标清：
高清：
4K用户数
一个光发带2048户
1024:
820:
204
820:
1024:
204
614:
1024:
410
VOD点播总带宽
∑（用户数*节目带宽）
10428M
10836M
15574M
用户数并发率
8G/VOD总带宽
78.5%
75.5%
52.6%
DVB+VOD
升级会员 