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

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刘德明
吴广生
张敏明
张利
黄晶
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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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