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：

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：