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INEWS / 安装应用
100M同轴以太交换技术与应用
来源: | 作者:佚名 | 发布时间: 2021-01-07 | 2132 次浏览 | 分享到:
摘要:本文以网络改造和运营实践为基础,从千兆以太网技术入手分析了采用同轴电缆实现100Mb/s入户和室内延伸的可行性。
关键词:千兆交换、同轴以太交换、室内网络延伸
Fast Ethernet over Coax technology and applications
Zhang Xuebin Pan Ning Shi Haoqing Zhang Yihui
Hubei MMR Network Technology Co., Ltd.
Summary:
This article base on network transformation and operational practice, From GB EOC technology to analyze that use coaxial cable has achieve feasibility of 100Mb/s indoor and outspread.
Keywords:
GB switching,EOC switching, household network outspread
1.概述
2013年8月,国务院发布了“宽带中国”战略实施方案,意味着宽带战略从“三网融合”试点时期的部门行动上升为国家战略,电信运营商以100M宽带引爆“光网新时代”,广电网络运营商如何寻求竞争优势值得探讨。
在“光进铜退”、光节点向用户侧下移的趋势下,“最后100米”电缆网络成为宽带网络建设与运营的瓶颈。双绞线和同轴电缆分别是在电话、电视两个行业应用与发展的。同轴电缆的频率特性好、衰减小、抗干扰且无电磁辐射,早期的以太网使用的介质就是同轴电缆。但是,过去30年以太网高速发展,双绞线不断演进并得到普及,通信速率从10Mb/s已经发展到1000Mb/s。从网络技术和信息技术两个角度看,100Mb/s入户成为未来10年运营网络发展的主要目标。
本文以有线电视同轴电缆为介质基础,分析在FTTB模式下采用“同轴以太交换技术”实现100Mb/s入户的可行性,探讨在网络建设、运营维护和风险控制等方面的竞争优势。
2.千兆以太网技术简介
大约30年前,基于双绞线的1OBASE-T使以太网和双绞线成为事实上的局域网标准,之后又推出了基于5类双绞线的1OOBASE-TX,其中1OOBASE-TX因其具有与1OBASE-T的良好兼容性能成为100Mb/s以太网的主流。但宽带网络的发展并未就此止步,过去10年,千兆以太网技术迅速发展并普及应用。
2.1.千兆以太网技术方案
千兆以太网标准采纳LevelOne公司提出的一根5类线基带传输1000Mb/s的4维5电平脉冲幅度调制(4D-PAM5)方案,该方案在采用5类线基带传输lOOMb/s的快速以太网标准1OOBASE-TX的基础上,通过下列方法将传输速率提高到1000Mb/s:
1、采用加扰的方式将数据随机化,使符号效率提高1.25倍;
2、将1OOBASE-TX用3电平符号传输l位数据改为5电平符号传输2位数据,使符号效率提高2倍;
3、由1OOBASE-TX的收发各使用l对双绞线改为使用4对双绞线同时收发,使传输通道提高4倍;
因此,双绞线上传输的符号速率(波特率)不变,而比特率提高1.25×2×4=10倍,达到1000Mb/s的水平。
传输速率提高后,整个系统的信噪比会受到影响。其中,3电平编码改为5电平后,相邻电平的电位差减半,信号能量降低了6分贝;此外,因为四对双绞线同时收发,信号必然会受到回波、交扰等影响。为了在相同条件下,达到与100BASE-TX相同的误码率水平,主要采取了两个措施:
1、采用Trellis编码、Viterbi译码获得约6分贝编码增益:Trellis编码器输出4D-PAM5信号,在四对双绞线上同时输出5电平的脉冲幅度调制信号。PAM5的5个电平分别用-2、-l、0、+l、+2表示,在相同的条件下,其信噪比要比1OOBASE-TX低6分贝。1000BASE-T采用Trellis调制编码的目的,就是实现6分贝的编码增益,以实现错误校正,最终获得与100BASE-TX一样的误码率性能。
2、采用DSP技术实现信号均衡、回波抵消、交扰抑制:1000BASE-T在每对双绞线上发送信号的波特率达125M,而双绞线的带宽仅为100MHz,且频率特性非线性、介质长度从几米到100米不等,因此,必然存在码间串扰,必须用均衡器加以消除;又因为四对双绞线同时进行收发,存在回波和交扰,也需要消除。采用DSP技术可有效解决上述问题。
千兆以太网络技术对基于同轴电缆的以太交换技术的指导意义在于:采用1个线对实现100M全双工数据通信是完全可行的!
2.2.PHY关键技术发展
从1OOMb/s的快速以太网发展到1000Mb/s以太网,其主要变化是在PHY层,而PHY层技术的变化在于数字信号处理(DSP)技术的发展与应用。尽管1000BASE-T标准并没有规定的PHY电路的具体实现形式,但强烈建议在接收电路中包含均衡器、回波抵消器、交扰抑制器等,在1000BASE-T标准产品化的早期,由于技术和工艺实现等原因,大多采用模拟技术或外接PHY芯片实现类似功能。
大约在2005年前后,DSP技术发展成熟、进入普及应用阶段,千兆交换芯片大多实现PHY数字化、MAC和PHY一体化,每个接收通道有一个125MS/s的模数转换器,采样的结果送数字自适应均衡器、回波抵消器、交扰消除器等进行处理。利用这些技术性能,可有效解决了同轴电缆以太交换技术中收、发信号交扰和隔离、反射等难题,为基于同轴电缆的100Mb/s以太交换提供了技术支撑。例如:数字信号在电缆中传输时,将会出现损耗、失真和码间干扰(ISI),而且在多数情况下,电缆的长度是未知的、不同频率分量的衰减也不一样,并且每个端口情况也不相同,使用自适应均衡器(Digital Adaptive Equalizer)可监视接收信号的电平,用以确定链路损耗,据此调整均衡器的性能,若信号电平降低,则可增加均衡的总量,补偿信号在线路中的损失,消除码间串扰。
3.基于同轴电缆的以太交换技术
同轴电缆以太交换技术将10BASE-T、100BASE-TX标准从CAT-5直接移植到有线电视同轴电缆介质中,通信时直接传输代表数字信息的逻辑电平,实现“Ethernet Over Coax”(亦称:基带EOC),并可以通过频分复用实现与有线电视信号共缆传输,相关产品同时遵从快速以太网和CATV的相关标准。
同轴电缆是同轴以太交换的介质基础,就其物理特性而言,可避免5类线介质温度特性差、传输损耗大、容易遭雷击等问题,充分利用同轴电缆的性能优势,解决或改善了宽带系统的网络稳定性、环境适应性和工程适用性等问题,具有鲜明的广电网络特色、在入户、入室、供电以及带宽等结构和频率资源方面具有极大的竞争优势。
同轴电缆以太接入方案与其它EOC技术方案的最大优势在于利用以太数据交换的“存贮、转发”机制,用户端可“独享”100M带宽。
3.1.同轴电缆以太交换的工作原理
基于5类线的以太网通信在收、发两端分别通过一对特征阻抗为100Ω双绞线传输双极性信号,将10/100BASE-T移植到有线电视同轴电缆介质之上,仅仅涉及物理层变化,主要技术包括:
信号转换:双绞线传输双极性(差分)信号,收、发各1个线对,而同轴电缆传输单极性信号,收、发共用1个线对,因此,不仅要将双极性信号转换为单极性信号,还需将收、发信号同时耦合到同轴电缆;
阻抗转换:交换芯片的物理介质接口(MDI)是为阻抗为100Ω的双绞线设计的,如将物理接口移植到阻抗为75Ω同轴电缆,必须进行阻抗转换与匹配;
电磁兼容:以太数据信号强度远大于CATV RF信号,如果通过“合/分波”实现共缆传输,必须保证两者电磁兼容,互不干扰。
以太网信号和CATV RF信号混合后,通过同一根有线电视同轴电缆入户,到了用户端,再通过无源器材(分离器、终端盒等)将以太网信号和RF信号分离,用户只需把支持以太网络的应用终端通过5类线接到EoC终端盒的RJ45接口就可以实现宽带接入。
同轴以太接入技术的工作原理如下图所示:



3.2.同轴电缆以太交换的技术性能
同轴以太交换技术主要是对以太网络的物理层,特别是改变了传输介质的物理接口,从而改变了信号的传输方式,影响了通信设备之间的物理链路的建立和通信能力,重点关注环境适应性、网络适应性、电磁兼容性以及工程适用性等。
与CATV信号共缆传输的同轴以太交换涉及CATV RF性能和通信性能两个方面:
1、CATV RF性能:有线电视网络同轴以太交换产品内包括模拟信号和数字信号,低频至少100KHz、高频超过750MHz,高达126dBu的数据信号与最低50dBu的CATV电视信号共缆传输,此外还有晶体振荡器、设备腔体谐振等因素,都可能对CATV信号造成干扰,电磁兼容性问题复杂。
10BASE-T的信号能量主要集中在20MHz以内,100BASE-TX的信号能量主要集中在65MHz以内。在实际应用中,为了提高设备的“网络适应性”和“终端适应性”,保证在网络介质老化、网络终端老旧等情况下有效通信,尽可能保留数据信号的3、4次谐波分量,10M产品采用65/87MHz分波、100M产品采用130/160MHz频带分割方案。
   

工作频带

最高信号幅度

带外抑制

10BASE-T

数据:0~65MHz

126dBu

54dB

 

CATV:87~862MHz

实测: MER劣化<0.25dB

BER:10-9无劣化

100BASE-TX

数据:0~130MHz

123dBu

50dB

 

CATV:160~862MHz

实测: MER劣化<0.25dB

BER:10-9无劣化


2、交换通信性能:以10BASE-T、100BASE-TX为基础的同轴电缆以太交换产品,应该完全遵从相关以太网技术标准,达到规范性能:

工作模式

吞吐量

电缆长度

10BASE-T

全双工

>19.0Mb/s

>150米

半双工

>9.6 Mb/s

100BASE-TX

全双工

>186 Mb/s

≧100米

半双工

>96.0Mb/s


除了具备标准、成熟、简约的特点外,用户端直接嵌入有线电视面板内,无需其它附加设备,安装方便,免调试,无须考虑侵入噪声和汇集噪声等问题,对运营维护设备、人员的要求较低,可极大地降低运维成本、提高运营维护效益。
3.3.同轴电缆以太接入技术的相关产品
通过同轴电缆实现以太接入的主要产品包括:
a)同轴电缆网桥(EBoC):作为桥接设备安装在楼道(门栋单元),上联ONU和光接收机,下联用户或其它网络业务终端,还可级联其它单元网桥或网络业务设备。对于CATV信号而言,EBoC是标准的多端口分支/分配器;对于数据而言,EBoC是一台多端口二层以太网交换机,可为网络用户提供独享的10~100Mbps接入带宽。
b)同轴电缆交换机(ESoC):作为与EBoC配合使用的家庭网络设备,解决用户多终端、多业务问题。ESoC将数据交换、CATV信号分配功能整合,利用家庭现有的有线电视电缆构建“点对多点”的家庭宽带网络,每个EOC输出端口在传输有线电视信号的同时,还可提供10~100Mbps全双工宽带接入,可与5类线混合灵活组网。
ESoC具备基本的管理功能,通过端口加标Tag可解决多业务的管理问题。此外,为了解决实际工程中设备安装位置受电源限制、入户维护困难等问题,ESoC还支持通过入户同轴电缆和配套的终端盒从室内为ESoC供电。
c)同轴电缆网络终端盒(EoC终端盒):EoC终端盒是同轴电缆以太交换接入网络的终端连接器材,实现以太数据信号与CATV信号混合/分离,与EBoC或ESoC配套使用。
对于CATV信号而言,它与普通有线电视用户终端盒功能相同;用户的网络终端通过五类线与EoC终端盒上的RJ45口相连,即可实现10/100M以太网络连接。馈电型EoC终端盒除具有上述功能之外,还可通过同轴电缆对ESoC同轴电缆交换机进行远端馈电。
d)同轴电缆网络分离器(EoC分离器):EoC分离器的功能与EoC终端盒相同。作为同轴以太交换接入网络的配套器材之一,主要用于室内布线复杂、一室多终端、组合式面板情况,为室内提供灵活的组网方案,可在用户家中原有同轴电缆网络不做任何更改的情况下实现10/100M宽带接入。
e)同轴电缆网络分支器(EoC分支器):EoC分支器是同轴以太交换接入网络的配套器材之一,主要用于室内布线复杂或单交互终端用户,可避免室内网络改造。“EOC分支器”是一个习惯性说法,其输入为CATV和以太网络混合信号,对于CATV信号而言,它是一个2分配,对数据信号而言,它是一个“分/合波器”,其支口仅输出CATV信号,主口输出混合信号。
3.4.同轴电缆以太交换产品应用中的问题
同轴以太交换产品有两种应用模式:
采用现有的数据网络交换设备,利用“外置复用”器件将以太网络信号与CATV信号混合,利用同轴电缆实现入户;
采用集成化的同轴以太交换设备直接组网。
总结自2006年以来同轴以太交换(基带EOC)技术与产品应用中的问题,大致可归纳为三个方面:
关键技术问题:在双绞线网络中,网络环路主要是结构原因,但是在同轴以太网络中,特别出现“介质环路”-由于收、发信号被耦合到同一线对,当网络终端短路或开路时,会形成“单端口环路”,直接影响网络稳定。
系统成套问题:在“交换机+复用器”的应用模式中,不仅对交换机的环路抑制、传输性能有一定要求,还应合理配置网络线缆和网络终端,如果5类线过长、终端配置不正确或连接性能差,都会最终导致网络连接困难或稳定性差。
工程质量问题:采用同轴电缆作为网络传输介质,必须确保同轴电缆的内、外导体的良好连接,保证网络低频传输性能,这一点相对于有线电视信号传输提出较高要求。
此外,同轴电缆以太交换接入系统必须采用“1户1线”星形结构,树形结构入户网络需要改造、家庭网络中存在少量的分支器等因素,也在一定程度上影响了运营商对同轴以太交换技术的接受。
4.基于CATV同轴电缆的100M接入方案
有线电视同轴电缆网络几乎100%覆盖城市用户,而且80%以上延伸到多个房间,其丰富的频带资源、优良的物理性能,不仅为网络稳定性提供了保障,还可在不破坏家庭装修与布局前提下满足多终端要求。
同轴以太交换设备处于网络边缘,主要实现二层交换功能,设备安装在楼头、单元和用户室内。下面以“EPON+同轴以太交换”接入网络为模型,分析入户网络及其延伸方案:
4.1.入户网络
入户网络构建以FTTB为基础,ONU覆盖用户不超过50户,按30%考虑100M宽带用户比例。
100M宽带入户方案一:
在楼道单元安装基带EOC网桥,网桥的上联端口通过“超5类线”与ONU相连。
网桥输出端口实现CATV信号与10/100M带宽网络信号共缆入户;每个楼道考虑3~6个100M用户,其实际带宽从10~100Mb/s,由前端系统管理。10M用户数据频带0~65MHz,100M用户数据频带0~160MHz;由于采用“1户1线”的网络结构,频带分割既不影响相邻用户,也不涉及系统的频带规划,只对单个用户产生影响。也就是说,与10M用户相比,100M用户可能少看几套电视节目,但拥有更宽的通信资源,同一设备下,10M和100M用户可以并存。
“EPON+同轴电缆100M入户”网络系统结构如下:




如图所示,同轴电缆网桥(EBoC)是电缆网络的关键接入设备,上联接口包括CATV RF、数据和电源。数据接口支持100BASE-TX、1000BASE-T标准RJ45接口上联和级联。
网桥设备的下联(输出)接口为F型接头,一般连接-5同轴电缆,CATV RF信号和数据通信信号共缆传输,当设备掉电或关电时,网桥相当于无源集中分配器,CATV RF信号可正常传输。
100M宽带入户方案二:
对于“1户1线”结构的网络,如果需要避免100M入户对CATV规划频段的影响,可采用楼层桥接方案。以7层、1梯2户单元为例,从设备箱到每层楼都有2条同轴电缆。



将光接收机CATV输出和ONU的以太网输出分别与CATV RF分配器、100M同轴交换机的上脸口相连,RF分配器和同轴交换机的输出按“1层1线”配置,也就是说,CATV信号和以太网信号分别通过同轴电缆连接到楼层,二者在频带资源上互不影响。
每个楼层按需配置4~8输出口的“楼层EOC网桥”,CATV信号与网络信号在楼层EOC网桥中混合、桥接到用户A、用户B室内。
这样只有100M线路的电视频带减少,入户频带不变。入室线路可根据用户业务、终端安排,连接到10M、100M线路。

4.2.家庭网络
采用“同轴交换机(ESoC)”构建基于同轴电缆的家庭网络,满足多终端、多业务的需求。同轴交换机内含CATV RF信号分配器,支持2~3台电视机。此外,同轴交换机还可内置AP模块,支持WiFi无线网络,有利用运营合作和商业推广。



同轴电缆尽量安置在用户门外,便于运营维护/维修,通过“同轴电缆远端直流供电”解决取点问题。
4.3.业务支持
广电网络运营商将整体双向数字平移作为发展目标,这意味着每户一个交互终端是基础,加上宽带互联业务,就必须考虑多交互终端、多业务的支持与管理问题。
对于楼道单元设备,大多采用VLAN划分来实施用户与业务管理。
采用同轴交换机(ESoC),可以通过端口加标、结合VLAN规划进行管理1户多终端、多业务,支持同轴电缆与5类线的混合组网,满足复杂的家庭环境需求。
4.4.网络演进
宽带网络的建设是一个长期的、动态的工程。建设方案不仅要考虑与既有系统的兼容,还要考虑网络的平滑演进与发展。
本轮网改,双向接入率按100%规划施工,今后一段时间内,接入网络的演进主要是网络有效带宽的问题,主要措施包括:
EPON系统和设备具备升级的潜力;
控制ONU的覆盖用户数量50~100户;
同轴电缆接入设备具备可行的升级能力:EBoC同轴电缆网桥上联口带宽可根据业务规划选取1000M或100M带宽。业务初期可能只需100M上联带宽,业务发展后,可采用“端口聚合”配置将“上联”和“级联”端口聚合(1条CAT-5/6可做2个水晶头),使楼道出口提升到200M。
考虑融合与竞争并存的市场发展,电缆接入网路10M和100M宽带端口建议按7:3混合配置。
4.5.建设与改造成本
网络改造与建设成本,一直是运营商关注的重点之一。由于影响成本的因素很多,加上基础和目标的差异,采用不同模型分析得出的结果相差甚远。下表列出采用具备基本管理功能、按100%双向、10M和100M用户并存、每个用户标配1个10M或100M双向端口、10万户改造项目实践数据,供参考:

网络结构

集  线

分支分配

串接分支

备 注

户均

成本

(元)

EOC设备

120

120

120

包括光节点以下电缆网络、设备箱等配套

线缆等

65

75

180

施工等

60

65

120

合计

245

260

420



可以看出,对于采用可寻址集线器进行过网络改造、或采用集中分配入户的网络而言,双向化成本不超过260元/户。对于较早建设的树形网络,改造成本为420元/户。标配情况下,100M与10M入户的成本是一致的。如果考虑入户带宽,即便全部按10M带宽计算,每MB的接入成本不足5元,远远低于其它技术方案,性/价优势明显。
在业务发展初期,接入率低于25%的情况下,按100%建设会造成冗余投资,如有必要,可根据实际情况考虑采用4~8端口设备。
5.结束语
综上所述,千兆以太网技术的发展与成熟,为百兆同轴交换提供了理论依据和技术支撑。在网络融合的背景下,100M同轴以太交换技术的应用,对广电宽带“最后100米”接入网络建设、网络运营服务中,具有重要的现实意义。

参考文献:
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[2]YD/W1099-2001千兆比以太网交换机设备技术规范
[3]Andrew S.Tanenbaum著,潘爱民译,计算机网络(第4版)
[4]Gigabit Ethernet A1liance.Gigabit Ethernet lOOOBase-T Whitepaper,http://www.109ea.org
[5]千兆以太网技术及千兆以太网交换机实现,黄春芳(论文)