CN101808344A - 以太网无源电网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤-同轴电缆混合网络接入技术领域。针对现有EoC技术应用的局限性，结合EPON技术应用，本发明提出一种基于多点控制协议的以太网无源电网络(EthernetPassive Electronic Network-EPEN)：所述以太网无源电网络包括连接以太网无源光网络FTTx光节点的头端设备(ELT)、连接用户单元的终端设备(ENU)、无源电分配网络(EDN)，所述EDN由同轴电缆和一个或多个无源电分路器组成，在ELT和ENU间提供电通道连接；其物理层采用正交频分复用技术(OFDM)，数据链路层采用多点控制协议(MPCP)，使双向以太网数据业务在点到多点的同轴接入网中进行承载。本发明可以有效实现EPON与EPEN复合接入的HFC网络双向改造，其技术先进性、用户接入带宽、支持的最大用户数较其他EoC技术标准相比都有提高。

Description

以太网无源电网络

技术领域

本发明涉及光纤-同轴电缆混合网络接入技术领域。

背景技术

我国正在积极推动“宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等信息基础设施建设，推进‘三网融合’，健全信息安全保障体系。”国家广电总局将“数字化”“双向化改造”列为“十一五”规划的重点工作：“推动有线电视数字化整体转换，促进有线电视网向下一代网络演进”。目前，广电网络数字化改造面临DVB-C、IPTV、DMB-T、CMMB等各种技术的竞争，而进行双向化改造，建成可管理、可维护、可运营的多业务承载网络才是各地广电网络运营商的最终目标。

对光纤和同轴电缆混合网络HFC(Hybrid Fiber-Coaxial)的改造中，以太网无源光网络(EPON)技术跟HFC网络具有相似的树型/星型拓扑结构，可以利用单纤三波或者双纤技术在HFC网络上叠加EPON系统，提供数据业务。目前，EPON技术已经非常成熟，下一代的10GEPON技术也即将进入试商用阶段，很好的解决了最后一公里的宽带接入问题。但是最后100m基于同轴电缆的接入技术面临着众多技术标准的竞争。基于同轴电缆的以太网接入技术统称为EoC(Ethernet Over Coax)技术。EoC相关的技术方案很多，除无源基带EoC外，大多是基于调制技术，比如Moca、HomePNA、Homeplug AV、降频WLAN等技术，但这些技术标准基本都属于家庭网络的范畴，基于CSMA/CA的半双工MAC协议，对于广电双向网改造和宽带接入应用并不十分适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于同轴入户的以太网接入技术方案，适用于广电光纤同轴混合网HFC网络的双向网络改造和宽带数据接入。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：一种以太网无源电网络，用于连接以太网无源光网络，其特征在于：所述以太网无源电网络包括连接以太网无源光网络FTTx光节点的头端设备(ELT)、连接用户单元的终端设备(ENU)、无源电分配网络(EDN)，所述EDN由同轴电缆和一个或多个无源电分路器组成，在ELT和ENU间提供电通道连接；其物理层采用正交频分复用技术OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，数据链路层的介质访问控制(MAC)采用多点控制协议(MPCP)，使双向以太网数据业务在点到多点的同轴接入网中进行承载；在数据下行方向，ELT发送的信号通过EDN到达各个ENU；在数据上行方向，某个ENU发送的信号只会到达ELT，而不会到达其他ENU。

进一步的，所述数据链路层采用采用基于MPCP协议的时分多址接入技术TDMA(TimeDivision Multiple Access)并对各ENU发送上行数据的进行仲裁。同时，实现了上行信道时分复用机制，ENU自动发现注册机制，上行带宽动态分配算法，时钟同步、测距技术等。

优选的，本发明的工作频段为850MHz～950MHz，其中下行850M～900MHz，上行900M～950MHz；物理层信号采用OFDM调制技术，上下行传输带宽达到全双工100Mbps。

同样优选的，所述ELT的自动增益控制AGC(Automatic Gain Control)允许三级放大，可在0～60dB衰减范围内都能正常工作，最大支持63个ENU用户端，最大传输距离600m。

进一步优化的，所述ENU采用OAM(Operation Administration and Maintenance)扩展国际标准协议，用于ENU的操作、管理与维护。

对比现有技术方案，本发明具有以下主要优点：

其一、与Moca、HomePNA、Homeplug AV、降频WLAN等EoC技术相比，本发明摒弃了他EoC技术方案中的CSMA/CA方式，采用MPCP协议来完成多点控制接入，有效地避免了以太网包的碰撞，可使上下行工作在全双工模式，另外，由于各个ENU采用突发发送模式，链路上始终只有一个ENU在发送数据，有效地降低了远端传扰(FEXT)、近端串扰(NEXT)以及对环境的电磁干扰。

其二、本发明系统工作在高频段，一方面避免低频段的干扰和不与其他技术上行频段发生冲突，同时高频段有充分的频段资源用于今后的系统扩容。本发明技术物理层采用OFDM调制，模拟前端可以调制到850M-1500Mhz频段，每一频道带宽为50MHz。本发明上下行采用2个不同的频段，实现全双工接入模式，100Mbps数据传输速率。

其三、本发明ELT设备最大支持63个ENU用户端设备，支持的并发用户数高。本发明设备内部有很大范围的AGC控制功能，最多允许三级放大，通常在0～60dB衰减范围内都能正常工作，完全可以满足广电当前网络下从光节点到入户的覆盖需求。

其四、本发明通过扩展国际标准的OAM协议来完成对ENU的维护与管理，解决了传统以太网智能终端设备集群管理无标准、互通难的问题。

综上，针对现有EoC技术应用的局限性，结合EPON技术应用，本发明提出一种基于多点控制协议的以太网无源电网络EPEN(Ethernet Passive Electronic Network)的技术解决方案，可以有效实现EPON与EPEN复合接入的HFC网络双向改造。其技术先进性、用户接入带宽、支持的最大用户数较其他EoC技术标准相比都有提高。

附图说明

      图1是EPEN系统参考结构。其中，IFPEN：PEN接口；ELT：电网络的头端设备，相当于NC；EDN：电分配网络；ENU：电网络的用户端设备，相当于CPE。

图2是EPEN上下行传输示意。

图3是EPEN硬件结构原理框图。

图4是EPEN交换模块结构框图。

图5是EPEN协议解析模块结构框图。

图6是EPEN设备软件架构图。

具体实施方式

本发明以太网无源电网络以同轴分配网络为传输介质，其网络拓扑跟EPON类似，都是点到多点(P2MP)结构。

本发明以太网无源电网络系统参考结构如图1所示。本发明以太网无源电网络(EPEN)系统由位于FTTx光节点的头端设备(ELT)、位于用户单元的终端设备(ENU)和无源电分配网络(EDN)组成，为基于同轴电缆的双向接入系统。在下行方向(ELT到ENU)，ELT发送的信号通过EDN到达各个ENU。在上行方向(ENU到ELT)，ENU发送的信号只会到达ELT，而不会到达其他ENU。为了避免数据冲突并提高网络利用效率，上行方向采用基于MPCP协议的TDMA多址接入方式并对各ENU的数据发送进行仲裁。EDN由HFC同轴线缆和一个或多个无源电分路器等分支分配组成，在ELT和ENU间提供电通道连接。

本发明网络侧接口包括FE/GE以太网数据接口和CATV RF接口，在FTTx光纤到光站或者光纤到楼栋的应用模式中，通过PON将光纤接入到楼栋后采用PEN完成各个终端用户的接入，PEN支持总线型+星型的结构非常适合楼道中垂直+水平的综合布线方式，在每个楼层通过无源电分支器分出多路信号连接终端设备，同时每个无源电分支器之间又采用总线相互连接在一起。在图1的具体实施例中，由光网络单元(ONU)提供FE/GE以太网数据接口和CATV RF射频接口。CATV RF口带宽需要满足47M～850MHz要求，CATV网络性能参数满足：C/N：≥47dB、C/CSO：≥54dB、C/CTB：≥54dB等要求。对于光纤到户FTTH(Fiber To The Home)应用，通过保护和中性公用线(PEN)完成所有家庭网络终端设备的接入，可采用总线型网络结构，需要宽带接入的终端挂载到PEN总线。

本发明数据上下行传输原理示意如图2所示：在下行方向，ELT发出的以太网数据包经过一个无源分支器传送到每一个ENU。这种行为特征于共享媒质网络相同。在下行方向，因为以太网具有广播特性，它与EPON结构类似，ELT广播数据包，ENU有选择的提取。在上行方向，任何一个ENU发出的数据包只能到达ELT，而不能到达其它的ENU。为了避免数据冲突并提高网络利用效率，上行方向采用基于MPCP协议的TDMA多址接入方式并对各ENU的数据发送进行仲裁。

本发明EPEN系统采用完全自主创新的技术路线，其物理层采用OFDM调制模式，参考借鉴EoC的PHY层技术，并重新设计了MAC层技术，借鉴IEEE802.3-2005标准中成熟的MPCP协议，实现点对多点接入控制。

本发明硬件结构原理框图如图3所示，其ELT、ENU采用统一的硬件设计，区别在于软件和控制协议。本发明EPEN设备由RISC处理器ARM CPU实现设备的配置管理并提供网管接口，由现场可编程门阵列FPGA(Field-Programmable Gate Array)实现基于MPCP协议的媒体访问控制层(MAC)功能。EPEN系统多点控制MAC协议的实现借鉴EPON MAC层的技术，ELT通过FPGA生成MPCP协议帧定期下发维护网络状态，发现、注册ENU并分配相应的上行接入带宽。EPEN通过ARM生成OAM协议来完成对ENU的维护与配置管理，同时扩展OAM协议来完成无源电网络中的特殊需求。

本发明硬件物理层由专用ASIC芯片实现OFDM功能，多个子载波上的调制制式在BPSK、QPSK、16-256 QAM自动选择，而且子载波频率可以按25MHz步长捷变，抗干扰能力强。模拟前端芯片采用专用的模拟前端芯片(AFE)，可以调制到850M-1500Mhz频段，每一频道带宽为50MHz。在EPEN系统的设计中，为了实现全双工接入模式，上下行采用2个不同的频段，分别是下行850M～900MHz，上行900M～950MHz。EPEN设备内部有很大范围的AGC控制功能，最多允许三级放大，通常在0～60dB衰减范围内都能正常工作，完全可以满足广电当前网络下从光节点到入户的覆盖需求。

本发明EPEN交换模块结构框图如图4所示，此功能由FPGA实现。FPGA中主要实现了以下模块：CPU接口，提供ARM静态总线到交换模块直接的连接；交换模块，负责多端口数据交换；发送接收模块，提供百兆的MII接口；协议解析模块，处理MPCP协议帧。

本发明协议解析模块结构图如图5所示。该模块实现以下功能：负责生成和解析MPCP控制帧；维持ENU注册状态；保持MAC地址到LLID前导码的映像；动态带宽分配。该模块将接收的数据帧解析，提取LLID信息，加入映射关系。对于数据帧，只根据映射表进行转发，对于控制帧将交给MPCP核心模块进行解析和处理。DBA模块为动态带宽分配器，负责GATE帧的产生，及注册状态信息维互和管理。更高层的协议控制将通过主机接口交给ARM处理器来完成。

本发明软件系统设计如图6所示。FPGA软件设计包括交换模块的设计、网络接口和CPU接口的设计，采用Verilog HDL语言进行开发。ARM与FPGA交互采取总线方式，ARM为主控器，FPGA作为从属设备，将ARM的静态总线接口与FPGA互连，并在FPGA中实现相应的总线接口。设备操作系统采用LINUX平台，内核版本为2.4，主要使用C语言和C++语言进行开发。以太网无源电网络控制协议主要移植实现MPCP协议。设备管理移植嵌入式WEB服务器，使用CGI进行开发。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种以太网无源电网络，用于连接以太网无源光网络，其特征在于：所述以太网无源电网络包括连接以太网无源光网络FTTx光节点的头端设备(ELT)、连接用户单元的终端设备(ENU)、无源电分配网络(EDN)，所述EDN由同轴电缆和一个或多个无源电分路器组成，在ELT和ENU间提供电通道连接；其物理层采用正交频分复用技术(OFDM)，数据链路层的介质访问控制(MAC)采用多点控制协议(MPCP)，使双向以太网数据业务在点到多点的同轴接入网中进行承载；在数据下行方向，ELT发送的信号通过EDN到达各个ENU；在数据上行方向，某个ENU发送的信号只会到达ELT，而不会到达其他ENU。

2.根据权利要求1所述的以太网无源电网络技术，其特征在于：所述数据链路层采用采用基于MPCP协议的时分多址接入技术(TDMA)并对各ENU发送上行数据的进行仲裁。

3.根据权利要求1或2所述的以太网无源电网络技术，其特征在于：其工作频段为850MHz～950MHz，其中下行850M～900MHz，上行900M～950MHz；物理层信号采用OFDM调制技术，上下行传输带宽达到全双工100Mbps。

4.根据权利要求3所述的以太网无源电网络技术，其特征在于：所述ELT的自动增益控制AGC允许三级放大，可在0～60dB衰减范围内都能正常工作，最大支持63个ENU用户端，最大传输距离600m。

5.根据权利要求3所述的以太网无源电网络技术，其特征在于：所述ELT的自动增益控制AGC允许三级放大，可在0～60dB衰减范围内都能正常工作，最大支持63个ENU用户端，最大传输距离600m。

6.根据权利要求1或2所述的以太网无源电网络技术，其特征在于：所述ENU采用OAM扩展国际标准协议，用于ENU的操作、管理与维护。

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