HFC同轴双向接入EoC技术研究.docx

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HFC同轴双向接入EoC技术研究

HFC同轴双向接入EoC技术研究

山东临沂广电网络有限公司宋刚

上海傲蓝通信技术有限公司刘旭明秦克志李力

摘要：

本文详细分析了几种新的HFC同轴电缆网双向接入技术：

HomePNAoverCoax、HomePlugoverCoax、WiFioverCoax、MoCA、无源EoC的原理、性能，特别关注各种技术的优点和不足，以及它们在应用中的实际表现，希望对HFC网络双向改造技术的选择有所帮助

关键词：

HFCEOCHomePNAHomePlugWiFiMoCACoax双向接入

一、概述

　　业内普遍认同HFC网络双向化是广电网络的生存和发展的基础，HFC网络双向改造是当前广电网络运营商的迫切任务，必须加快有线网络双向化改造，才能全面提升有线电视网的服务水平和竞争实力。

　　为此，广电总局广播电视规划院最近在北京组织了“HFC双向接入技术专家研讨会”；ICTC2006会议期间也主办了“有线电视双向化改造论坛”；《世界宽带杂志》2006年11月还发行了“网络双向改造技术专题”的专刊在这些活动中广电及厂商的代表和专家专题研讨了HFC网双向接入技术，提出了多种网络双向化改造的技术方案如CMTS、LAN、EPON+LAN、EPON+EoC等，但具体采用哪种技术实施有线网络双向化，还需要根据市场拓展，经营水平、用户需求以及网络实际改造情况来选定。

笔者也有幸参加了探讨，在此，本文把最令广电运营商困惑的HFC最后100米同轴电缆网的双向接入技术作一下探讨和对比。

　　对于同轴电缆双向接入技术，最近业内提及最多的就是各种各样的“EoC”技术，作为一种相对较“新”的接入技术，本文尝试比较全面的作一阐述，为各广电网络运营商选择适合自己网络实际情况的解决方案提供参考。

二、什么是“EoC”

　　EoC原是源于欧洲一些厂家，原文是“EthernetoverCoax”，也就是以太网信号在同轴电缆上的一种传输技术，原有以太网络信号的帧格式没有改变。

　　现在涌现出很多的技术和解决方案，将以太网络信号经过调制解调等复杂处理后通过同轴电缆传输。

尽管有人也称之为“EthernetoverCoax”，但是与前面所述的有非常大的差别，同轴电缆上传输的信号不再保持以太网络信号的帧格式，严格从技术的角度来说是不可称之为“EoC”的。

这类技术主要有以下四种：

HomePNAoverCoax、HomePlugoverCoax、WiFioverCoax、MoCA-MultimediaoverCoaxAlliance，我们暂且总称之“有源EoC”或“调制EoC”。

　　HomePNA、HomePLUG和WiFi（WirelessLAN，WirelessFidelity）都是目前比较成熟的家庭联网技术，他们的发展均有数年的历史，MoCA则是MultimediaoverCoaxAlliance推出的基于同轴电缆的联网技术，是四种技术中最年轻的。

下面分别就这几种技术做出较详细的分析比较。

　　三、HomePNAoverCoax

　　3.1、HomePNA概

　　HomePNA是HomePhonelineNetworkingAlliance（家庭电话线网络联盟）的简称，该组织于1998年成立，致力于开发利用电话线架设局域网络的技术，其创始会员包括Intel、IBM、HP、AMD、Lucent、Broadcom及3Com等知名公司。

　　HomePNA技术可以利用家庭已有的电话线路，快速、方便、低成本地组建家庭内部局域网，利用家庭内部已经布设好的电话线和插座，不需要重新布设5类线，增加数据终端如同增加话机一样方便。

目前，该组织共发布了三个技术标准，1998年秋天发布HomePNAV1.0版本，传输速度为1.0Mbit/s，传输距离为150米；1999年9月发布V2.0版本，并可兼容V1.0版本，HomePNA2.0传输速度为10Mbit/s，传输距离为300米。

　　2003年所推出的3.0版规格（2005年成为世界标准—ITUG.9954），将传输速率大幅提升到128Mbps，且还可扩充到240Mbps。

HomePNA3.0提供了对视频业务的支持，除了可以使用电话线为传输媒体外，也可使用同轴电缆，为HomePNAoverCoax奠定了基础。

它可与大部份的家庭网络设备，如Ethernet、802.11及IEEE1394等设备联接使用。

支持Synchronous与Asynchronous两种媒体存取协议，即SMAC与AMAC。

　　采用SMAC工作模式具备包聚合（packetaggregation）功能，以提升数据传输效率，最高速率可达240Mbps。

AMAC工作模式无包聚合功能，最高速率可达128Mbps，至多可连结27部节点。

目前市场上销售的HomePNA3.0产品差不多都是工作在AMAC模式。

3.2、HomePNA使用的频谱

图一、HomePNA频谱结构

ITUG.9954（HomePNA3.0）标准支持三种带宽和7种波特率（bauds）,总共允许10频谱和波特率组合：

①、频谱结构#1:

4-10MHz;2,4MBaud（与G.989.1/2相同）

②、频谱结构#2:

4-21MHz;2,4,8,16MBaud

③、频谱结构#3:

4-28MHz;2,6,12,24Mbaud

右图一所示频谱结构#2，以及它与HomePNA2.0、VDSL和ADSL所用频谱的关系。

由于HomePNA与VDSL的频谱存在重叠，决定HomePNA只能用在室内，因为VDSL设备被电信广泛应用在室外接入。

3.3、HomePNA协议

3.3.1、PHY层协定

　　HomePNA1.0物理层使用PPM（脉冲位置调制--PulsePositionModulation）调制技术，而HomePNA2.0使用QAM（正交幅度调制--QuadratureAmplitudeModulation）调制技术。

在实际的应用上，HomePNA2.0采用FDQAM（变频QAM--FrequencyDiverseQAM）调制技术，以保障较稳定的数据传送速率。

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

　　HomePNA2.0采用的载波频率是7MHz，提供2Mbaud与4Mbaud两种波特率。

由于每个baud可承载2~8位，因此，其数据传送速率介于4Mbps~32Mbps。

　　HomePNA3.0采用的中心频率有：

7MHz、12MHz、18MHz三种；分别对应三种频谱结构。

提供2、4、8、16和24Mbaud符号率；由于每个baud可承载2~10位，因此，其数据传送速率介于4Mbps~240Mbps（4-28MHz频谱结构，占24MHz带宽）。

3.3.2、MAC层协定

　　HomePNA2.0的MAC层协议为CSMA/CD，为提供QoS服务，它采取八种不同优先等级（0~7，7代表最高优先等级）的帧传送方式，由测量帧确认否有碰撞发生。

　　一个正常帧传送时间须介于92.5us~3,122us之间，因此，当传送数据的工作站侦测到网络上发生碰撞时，必须在70us内停止传送数据。

换言之，当帧传送时间小于92.5us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）必须执行分布公平优先级排队DFPQ（DistributedFairPriorityQueuing）算法，以便决定由那一部工作站取得传输媒体的使用权。

　　当网络中HomePNA设备节点增加时，碰撞的几率大大增加，数据传输的速率也大大降低。

在试验中发现，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很慢了。

因此HomePNA比较适合节点数较少的家庭联网场合，如果用于点到多点的、数据流量要求较高的接入时，难免有点力不从心。

3.3、HomePNA传输效率

　　由于HomePNA采用4-28MHz频段，其对低频段的噪声依然比较敏感，对数据传输的流量有较大的影响。

特别是网络上的节点越来越多时，影响更为严重。

在相对比较理想的情况下，HomePNA实际数据吞吐量与有效载荷包长的关系如下表一所列。

它与实际SmartBits测试结果还是比较吻合的。

32MbpsHomePNA2.0优先级P=7时的吞吐量

有效载荷包长（bytes）

100

500

900

1300

1500

吞吐量（Mbps）

6.37

17.74

22.12

24.44

25.24

128MbpsHomePNA3.0（AMAC模式）优先级P=7时的吞吐量

有效载荷包长（bytes）

100

500

900

1300

1500

吞吐量（Mbps）

7.57

30.62

46.27

57.58

62.14

表一、HomePNA实际数据吞吐量与有效载荷包长的关系

3.4、HomePNAoverCoax

HomePNAoverCoax借用整个HomePNA协议，只是修改原HomePNA传输介质的耦合接口（如图二所示黄色部分）部分的设计。

图二、一种HomePNAoverCoax原理示意图

　由于同轴电缆的传输性能好于电话线，数据流量性能略好于HomePNA在电话线上传输的性能，主要取决于同轴电缆接入网络的性能（包括分支和分配器）。

因为最低端的频点4MHz已经超过分支分配器的下限频率5MHz。

实际我们测试发现，一些劣质的分支分配器可能连在7MHz、或10MHz时其指标还达不到国家标准要求，此时HomePNAoverCoax的性能要打些折扣。

　　由于HomePNAoverCoax是采用4-28MHz频段。

当1点对多点通信时，也是要受到汇聚噪声的影响，实际网络使用时性能比理论宣称的要低很多！

当然网络中的节点较少时，此种影响要小很多。

所以在节点较少的家庭联网场合，它还是一种比较实用的技术

四、HomePLUGoverCoax

4.1、HomePLUG概述

　　电力线高速数据通信技术，简称PLC（PowerlineCommunication或PLT（PowerlineTelecommunication），是一种利用中、低压配电网作为通信介质，实现数据、话音、图像等综合业务传输的通信技术，不仅可以作为解决宽带末端接入瓶颈的有效手段，而且可以为电力负荷监控、远程抄表、配用电自动化、需求侧管理、企业内部网络、智能家庭以及数字化社区提供高速数据传输平台。

　　PLC技术，由于充分利用最为普及的电力网络资源，建设速度快、投资少、户内不用布线，能够通过遍布各个房间的电源插座进行高速上网，实现“有线移动”，具备了其它接入方式不可比拟的优势，受到国内外的广泛关注。

　　PLC系统设备依其接入至骨干网接入的方式可分为：

接入（Access）型PLC、室内（In-house）型PLC。

接入型PLC意指在家庭网络内与室外接入至骨干网络皆采用电力线网络技术；而室内型PLC仅家庭网络内采用电力线网络技术，接入至骨干网络则采用其他技术，如：

FTTH、ADSL等。

依照系统类型与网络带宽，对应适合之应用各有不同，窄带适于远程控制、家庭自动化，宽带则用以上网，以及于家庭室内日渐兴起的资料传输与视频多媒体娱乐等。

　　2000年3月，由Cisco、HP、Motorola及Intel等数十家企业共同成立HomePlugPowerlineAlliance（家庭电力线网络联盟），以电力线架设局域网络的构想终于有了一致的标准和具体的进度。

家庭电力线网络联盟随后在2001年6月发表电力线网络的第一份标准－HomePlug1.0。

　　2003年2月开始HomePlugAV制定工作，2005年8月，家庭电力线网络联盟批准了新的HomePlugAV标准。

2004年1月HomePlugBPL开始制定，目前已经完成了市场需求文件，选定HomePlugAV作为基本技术，正在进行中低压之间异同的研究，希望在2006年中期获得理事会批准。

4.2、HomePlugAV规范概览

　　HomePlugAV的目的是在家庭内部的电力线上构筑高质量、多路媒体流、面向娱乐的网络，专门用来满足家庭数字多媒体传输的需要。

它采用先进的物理层和MAC层技术，提供200Mbps级的电力线网络，用于传输视频、音频和数据。

4.2.1、HomePlugAV的物理层

　　HomePlugAV的物理层使用OFDM调制方式，它是将待发送的信息码元通过串并变换，降低速率，从而增大码元周期，以削弱多径干扰的影响。

同时它使用循环前缀（CP）作为保护间隔，大大减少甚至消除了码间干扰，并且保证了各信道间的正交性，从而大大减少了信道间干扰。

当然，这样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，这样提高了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去除无线电爱好者使用的频率后，在2-28MHz频段使用917个子载波；功率谱密度可编程，以满足不同国家的频率管制；每个子载波可以单独进行BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM、256QAM和1024QAM调制；采用TurboFEC错误校验；物理层线路速率达到200Mbps，净荷为150Mbps，接近电力线信道的通信容量；前同步码可被HomePlug1.0设备检测，从而实现两者共存，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，典型的物理层速率为70-100Mbps。

4.2.2、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。

TDMA面向连接，提供QoS保障，确保带宽预留、高可靠性和严格的时延抖动控制。

CSMA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。

4.3、HomePlugAV的特点

　　使用电力线网络的优势：

　　①低压电力线是现有的电力基础设施，是世界上覆盖面最大的网络，无需新建线缆，无需穿墙打洞，避免了对建筑物和公共设施的破坏。

　　②利用室内电源插座安装简单、设置灵活，为用户实现宽带互联和户内移动带来很多方便。

　　③能方便实现智能家庭自动化和家庭联网。

　　④带宽较宽速率可达200Mbps，可满足当前一段时间宽带接入业务的需要。

　　⑤PLC的网络建设灵活，可根据用户需要按小区、甚至可以按照若干用户进行组网安装，可实现滚动式投资，收回投资时间短。

　　⑥由于建设规模和投资规模小而灵活，运行费用低，用户花费的上网费用也较低。

　　⑦能够为电力公司的自动抄表、配用电自动化、负荷控制、需求侧管理等提供传输通道，实现电力线的增值服务，进而实现数据、话音、视频、电力的“四线合一”。

　　应当承认PLC技术也有其不足之处，由于受电网的影响，PLC的传播距离有限，在低压配电网上无中继的传输距离一般在250m以下，要实现自配电变压器至用户插座的全电力接入需要借助中继技术，这势必要增加系统的造价。

电力负荷的波动对PLC接入网络的吞吐量也有一定影响，由于多个用户共享信道带宽，当用户增加到一定程度时，网络性能和用户可用带宽有所下降，但通过合理的组网可加以解决。

4.4、HomePlugoverCoax

　　HomePlugoverCoax同样是完整地借用HomePlug协议，只是修改前端耦合等电路设计来实现。

HomePlugoverCoax使得原来HomePlug比较难以处理的问题得到很好的解决，如：

电磁兼容等。

同样同轴电缆的传输性能要好于电力线，数据流量性能也会好于HomePlug在电力线上传输的性能。

当然最终得性能主要取决于同轴电缆接入网络的性能（包括分支和分配器）。

因为最低端的频点2MHz已经超过分支分配器的下限频率5MHz。

对于某一些劣质的分支分配器，此时HomePlugoverCoax的性能比宣称的指标要低。

　　由于HomePlugoverCoax是采用2-28MHz频段。

当1点对多点通信时，也是要受到汇聚噪声的影响，因此实际网络使用时性能往往比理论宣称的要低！

当然网络中的节点较少时，此种影响较小。

所以在节点较少的家庭联网场合，它仍是一种很实用、很方便的技术，特别是在家庭场合，电力线是无处不在，比电话线、同轴电缆更为普遍。

五、WiFioverCoax

5.1、WiFi概述

　　无线局域网技术是无线通信领域最有发展前景的技术之一。

目前，WLAN技术已经日渐成熟，应用日趋广泛。

据预测，中国无线产品市场的总市值，将从2001年的5亿人民币增长到2005年的50亿人民币，国内无线局域网市场将有十分广阔的发展空间。

国内多家运营实体已纷纷看好无线局域网的市场机会，希望以此为契机跻身无线互联服务市场。

5.2、WiFi标准

　　在众多的标准中，人们知道最多的是IEEE（美国电子电气工程师协会）802.11系列，此外制定WLAN标准的组织还有ETSI（欧洲电信标准化组织）和HomeRF工作组，ETSI提出的标准有HiperLan和HiperLan2，HomeRF工作组的两个标准是HomeRF和HomeRF2。

在这三家组织所制定的标准中，IEEE的802.11标准系列由于它的以太网标准802.3在业界的影响力使得在业界一直得到最广泛的支持，尤其在数据业务上。

5.2.1、IEEE的802.11标准

　　IEEE的802.11标准由很多子集构成，它详细定义了WLAN中从物理层到MAC层（媒体访问控制）的通信协议，在业界有广泛的影响。

相关标准经历了802.11b、802.11a和802.11g，新802.11n标准正制定中。

目前主流的产品都是基于802.11g标准的。

　　802.11g是IEEE为了解决802.11a与802.11b的互通而出台的一个标准，它是802.11b的延续，两者同样使用2.4GHz通用频段，互通性高，被看好是新一代的WLAN标准。

　　为了实现高带宽、高质量的WLAN服务，使无线局域网达到以太网的性能水平，802.11n标准正在商讨之中。

802.11n可以将WLAN的传输速率由目前802.11a及802.11g提供的54Mbps提高到108Mbps。

这得益于将MIMO（多入多出）与OFDM（正交频分复用）技术相结合而应用的MIMOOFDM技术，但是由于目前参与标准的各方争论和分歧比较大，802.11n标准迟迟未能达成共识，对该技术的推广和应用带来不利影响。

表二、802.11标准的发展

标准

批准日期

使用频段

速率

调制技术

802.11

1997

2.4GHz

1和2Mbits/s

FHSS、DSSS、CCK

802.11a

1999

5GHz

54Mbits/s

OFDM、BPSK、QPSK、QAM

802.11b

1999

2.4GHz

11和5.5Mbits/s

DSSS、CCK

802.11g

2002

2.4GHz

54Mbits/s

OFDM、BPSK、QPSK、QAM

802.11n

预计2007

2.4GHz和5GHz

100和320Mbits/s

MIMO、OFDM

备注：

FHSS-跳频扩频；DSSS-直接序列扩频；补码键控-CCK；MIMO-多进多出

5.2.2、802.11的传输效率

　　802.11g的速率上限已经由11Mbps提升至54Mbps，但由于2.4GHz频段干扰过多，在传输速率上低于802.11a。

这一速率经常被一些投资商引用，但是该容量带有一定的误导性，它指的是整个物理层的容量，其中的大部分都被用于协议本身，真正用于数据的容量并没有那么多。

和其他无线通信标准一样，54Mbps也是物理层最大速率，真正的数据吞吐量最大约为25Mbps。

在误码严重的时候数据速率会迅速回落，50％的误码率就会导致整个数据速率减少2/3，降为7Mbps左右。

所以为了防止干扰，802.11g只有通过牺牲速率换取低的误码率，使它很难突破数据速率上的瓶颈。

5.3、WiFioverCoax

　　WiFioverCoax不同的厂家实现的方式略有不同，最大的差别在于：

使用的频段不同-是否变频。

由于WiFi使用的2.4GHz频段，频率很高，电缆和无源分支分配器的损耗很大，实际数据传输流量很小（如表三,802.11b/g接收灵敏度与速率的关系所示）！

很不适合在国内5-1000MHz带宽的电缆分配网络中工作。

虽然现在已经有5-2500GHz的分支分配器，但是更换工作量大、成本上升、器材浪费。

表三、802.11b/g接收灵敏度与速率的关系

调制方式

OFDM

OFDM

OFDM

OFDM

CCK

CCK

DQPSK

DBPSK

传输速率

54Mb/s

48Mb/s

36Mb/s

24Mb/s

11Mb/s

5.5Mb/s

2Mb/s

1Mb/s

接收灵敏度（BER=10-5）

-68dBm

-69dBm

-75dBm

-79dBm

-83dBm

-87dBm

-91dBm

-94dBm

备注：

从表中看出802.11b/g对不同的速率要求不同的接收灵敏度，意味着接收端的信号强度越小，速率越低，直至无法建立连接。

　　有的厂家WiFioverCoax采用变频解决方案-将2.4GHz下变频到1GHz左右的频段。

这虽然减小了电缆和无源分支分配器的损耗，但是带来了新的问题—标准化较差，不同厂家之间的设备不能互通；增加新的器件和设备，增加了成本，减低了可靠性！

六、MoCA

6.1、MoCA概述

图五、MoCA部分成员榜

　　MoCA是同轴电缆多媒体联盟（MultimediaoverCoaxAlliance）的缩写，MoCA成立于2004年1月，创立者为Cisco、Comcast、EchoStar、Entropic、Motorola与Toshiba等。

MoCA希望能够以同轴电缆（Coax）来提供多媒体视频信息传递的途径；它们利用Entropic的技术（c-link）作为MoCA1.0规范的依据。

MoCA的成员认为，美国的家庭里同轴电缆的普及率高达70%，整个基础设施十分完整，加上同轴电缆传输多媒体视频资料的技术已经相当成熟稳定，适合利用它来传输多媒体视频资料。

　　但事实上，家庭内部有同轴电缆插孔的地方毕竟还是集中在客厅极少数卧房或书房，在使用上还是比无线技术（WiFi）和HomePlug限制较多。

6.2、MoCA技术介绍

　　MoCA1.0规范的技术基础是基于美国Entropic公司的c-link技术，该技术使用800MHz–1500MHz频段，可选2-38MHz