RFoG技術在網絡雙向化改造中的應用

沈 鑫，鄧志杰，方中奇

（江蘇省廣播電視信息網絡股份有限公司 蘇州分公司，江蘇 蘇州 215006）

責任編輯:許 盈

0 引言

雙向HFC網絡一直是有線電視運營商解決電視網絡雙向化的主要技術手段。但由于HFC網絡對于電纜線路和電纜接頭等施工工藝要求較高，且在網絡實際維護過程中，習慣于維護廣播方式傳輸的有線電視網絡維護人員，還較難適應維護以匯聚方式傳輸的HFC反向鏈路，這些都造成了雙向HFC網絡在中國推廣較為緩慢。

同時，隨著三網融合政策的確定，采用FTTB甚至FTTH的方式提高入戶帶寬已經成為各大通信運營商的一種戰略決策。作為急于進入寬帶通信領域的有線電視運營商來說，也不得不考慮如何將光纖不斷地向用戶端延伸，以應對未來的通信市場競爭。

在現階段有線電視運營商開展光纖推進不外乎采用劃小光站片區或者EPON+EoC等方式。劃小光站片區是一種在技術上相當成熟的方案，但對于光纖資源和機房資源提出了較高的要求；EPON+EoC是近階段比較熱門的方案，但由于EoC種類繁多，且出現時間較短，在國內市場上還沒有大規模利用EoC技術實現寬帶通信運營較為成功的范例。而RFoG是一種在原有HFC網絡架構基礎上，不需要有線電視運營商改變業務運營模式，實現FTTH網絡架構的新的網絡改造技術方案[1－2]。

1 RFoG技術

1.1 RFoG的網絡架構

圖1是一種利用RFoG技術實現FTTH的網絡架構圖，這也是RFoG在北美主要的使用模式。從圖中1可以看出，RFoG網絡下行傳輸使用1550光發和EDFA，反向由于接收光功率較低，使用了低噪聲光電路制成的回傳光接收機，野外部分借用PON的無源光網絡結構，利用單纖波分復用的方式實現上下行信號傳輸。

RFoG網絡一般可以實現單個光口覆蓋32個用戶，但若每個反向光發都連續發送光信號的話，則在分前端反向光接收機會收到多達32個光信號的疊加，其產生的疊加干擾將影響信號的傳輸。因此RFoG網絡光節點中的反向光發使用突發式激光發送機，即只在有RF回傳信號注入時，激光發送機才發出光信號，否則不發出光信號。

1.2 RFoG網絡中的關鍵技術

1.2.1 突發式回傳激光發送機

圖2是突發式回傳光發送機的框架圖。從圖中可知，在沒有RF回傳信號的情況下，激光器偏置電流關閉，激光器不發出光；當有RF回傳信號送入時，信號一方面送入信號檢測模塊進行信號功率檢測和識別，另一方面對信號進行一定的延時處理。若檢測發現是達到一定功率的RF信號，則向偏置電流模塊發出打開偏置電流的觸發電平指令，激光器發出光信號，而通過一定延遲的RF回傳信號也送入了激光器隨光信號同步輸出。

由于在DOCSIS標準中CMTS和CM之間上行鏈路可以采用TDMA方式，即任一瞬間只有一個CM向CMTS發送上行信號，因此突發式回傳光發送技術適合采用TD?MA方式的CM系統使用[3－5]。

在這個信號處理過程中，有2個關鍵參數:

1）延遲時間的控制。延遲電路的延遲時間必須與RF信號檢測和激光器打開光信號時間基本同步，否則會影響上行鏈路的延時指標，嚴重的會出現信號丟失的現象。

2）RF回傳信號檢測門限功率的設置。RF信號檢測門限功率不宜過低，否則可能導致滿足功率要求的噪聲打開激光器；而過高的門限檢測功率要求光節點后的電纜網絡反向鏈路衰減差值要小。所以RF回傳信號檢測門限功率的設置必須依據各運營商反向鏈路設計標準和實際網絡狀況確定。

1.2.2 低光功率回傳接收機

由于RFoG網絡使用路數較多的光分路器，因此回傳光接收機和光節點之間的光衰減值較傳統的HFC網絡要大很多。

若按分前端覆蓋范圍5 km計算，使用1∶32光分路器的光鏈路衰減值在20 dB左右，而傳統的回傳光接收機接收光功率在－8～－10 dBmW，不能滿足要求。低光功率接收機采用了低噪聲光電路設計，并針對RFoG網絡特點進行了優化處理，其光信號接收范圍降低到－13～－27 dBmW，能夠滿足RFoG網絡信號要求。

但由于使用了光突發技術，因此在傳統HFC網絡反向鏈路中使用比較普遍的光AGC功能在RFoG反向鏈路中無法實現。

1.3 RFoG網絡優缺點分析

RFoG技術優點:1）在不改變有線電視運營商現有業務運營模式的前提下實現了光纖到戶（FTTH）的目標。2）使用波分復用的方式傳輸，節省了分前端接入光纖資源。3）野外部分借用了PON的無源光網絡結構，簡化了網絡的維護，提高了網絡的可靠性，并且能夠與各種PON網絡進行疊加運營。4）使用反向光突發技術，可以減少用戶噪聲匯聚，提高了反向鏈路的傳輸質量。

RFOG技術缺點:1）由于每個光口只覆蓋32戶，同時必須使用1550光發射模塊和EDFA，因此在相同覆蓋用戶情況下，RFoG增加了分前端設備數量和投入成本。2）反向光鏈路沒有光AGC功能。3）傳統HFC網絡中使用的1310光發射機和回傳接收機在RFoG網絡中無法繼續使用，此部分投資無法得到保護。4）RFoG是一種光纖到戶的技術，但在現階段光纖到戶的業務模式還不成熟情況下，仍然需要一種光纖逐步推進的實施方案。

2 利用RFoG技術實現網絡雙向化改造的方案

2.1 反向光突發式雙向HFC網絡架構

在進行網絡雙向化改造過程中，可以利用RFoG技術的光無源網絡結構來實現光纖的逐步推進。可以利用反向光突發技術來減少反向鏈路噪聲匯聚。同時也需要利用傳統HFC網絡技術來彌補RFoG技術由于覆蓋用戶較少造成的投入成本較大的問題。

圖3所示是在分析和融合了RFoG關鍵技術以后形成的一種反向光突發式雙向HFC網絡改造方案。

從圖3中可以看出，分前端到野外雙向光機之間的網絡仍然沿用了傳統的HFC網絡結構，這樣設計不但可以保護原1310系統設備投資和分前端機房網絡結構，而且可以繼續使用反向光AGC功能來保證野外光機到回傳光接收機之間的長距離光纖鏈路指標。

野外雙向光機以下的小區光電分配網則使用了上下行分開設計的理念。其中下行信號完全使用單向廣播式傳輸網絡，放大器可以使用單向放大器，傳輸電纜和分支分配器在保證單向廣播信號傳輸質量的前提下可以不進行更換。在上行方面，將反向光突發式光機放置于單元或樓邊，在野外光機處使用1∶16光分路器進行光路混合，并使用低光功率接收機將回傳光信號轉換為電信號，系統可支持4個低光功率接收機的輸出電信號混合，混合后的電信號送入野外雙向光機轉換為光信號送至分前端。在樓或單元處放置的反向光突發式光機帶有下行RF信號混合模塊，下行信號通過光機內的高低通濾波器混合送入電纜無源分配網絡。也可以利用下行電纜對所有反向突發式光機進行60 V集中供電，以解決改造時的供電處理問題。

圖3中的電纜無源分配網部分沿用了傳統雙向HFC網絡架構，其中的分支分配器、電纜和電纜接頭都需要按照雙向信號的傳輸要求進行改造。由于只涉及無源電纜網部分，改造難度有很大的降低。

2.2 反向光突發式雙向HFC網絡架構的優缺點

反向光突發式雙向HFC網絡架構的優點:1）分前端至野外雙向光機之間的網絡沿用了傳統的HFC網絡架構，保護了運營商原有設備投資，網絡有較好的延續性。2）在小區光電分配網絡中，上下行信號傳輸完全分開，且下行采用傳統的單向廣播式網絡，這是所有基層維護人員都非常熟悉的一種網絡架構，便于維護人員迅速開展維護工作。3）在小區光電分配網絡中，上行信號采用光纖傳輸技術，由于光纖鏈路的穩定性和抗干擾能力優于電纜網絡，所以反向鏈路使用光纖可以大大減少上行鏈路的維護量。同時反向光突發式光發的使用可以最大程度地減少上行噪聲的匯聚。4）采用兩級光電轉換的架構，覆蓋用戶數較RFoG網絡可以有極大的增加，以光纖到單元，每單元12戶為例，反向光突發式雙向HFC網絡最多可以覆蓋768戶，同時反向噪聲匯聚量并沒有增加。

反向光突發式雙向HFC網絡架構的缺點就是在反向鏈路上增加了一級光電轉換，因此在傳輸指標上需要進行重新測算。

3 反向光突發式雙向HFC網絡反向鏈路指標測算

3.1 反向鏈路測試模型的搭建

圖4是反向光突發式雙向HFC網絡反向鏈路測試模型，其中A點是回傳接收模塊的測試口，標準是單通道80 dBμV；B點是傳統HFC網絡反向光鏈路，光AGC范圍為0～－8 dBmW；C點是低光功率接收機向野外光機注入反向電信號，標準是每通道80 dBμV；E點是低光功率接收機接收光信號，在測試模型中為－15 dBmW左右；F點是反向突發式光發的輸出光信號，經測試為1.5 dBmW；G點為反向突發式光機的注入信號，標準是反向總功率80 dBμV，同時G點也是反向噪聲的注入點；H點為用戶端注入信號，按單通道100 dBμV測算；G到H之間的反向鏈路衰減根據覆蓋用戶數的不同而變化。

首先根據系統要求測算G點的反向信號單通道注入電平，然后根據此注入電平的要求分析系統的CNR指標，同時在G點侵入噪聲變化的情況下，分析系統在各種覆蓋用戶數時的反向噪聲承載力。

3.2 反向光調制度與G點注入電平分析

圖5是一種正向電信號輸入，反向光突發式信號輸出的光機設備框圖。其中在反向ATT插0 dB情況下，G點的電平比I點低10 dB。

按照《HFC網絡上行傳輸物理通道技術規范》（GY/T 180—2001）要求，在5～65 MHz的范圍內共劃分為19個通道，每通道3.2 MHz頻寬。但在實際網絡中由于低端的噪聲較高，使用價值不大，且對于突發式光機來說，過高的噪聲容易誤打開激光器，所以在上述光機中將25 MHz以下的信號用濾波器進行了濾除，實際可用帶寬只有25～65 MHz，共12個通道。

按照IEC 60728－13的3.1.6光調制指數定義

式中:M為總光調制度；mk為每個載波的光調制度；k為通道數。

按M=30%進行測算，得出以下單通道調制度表（見表1）。

表1 反向鏈路單通道調制度表

在考慮規劃通道數時，仍然需要考慮光鏈路差異對反向電平信號的影響。使用的PLC光分路器均勻性在1～2 dB左右，如果要實現反向光機免調試安裝，就需要在光調制度上為這種差異預留指標空間。

原國家標準規劃19個通道時的單通道調制度為6.8%，將6.8%作為反向注入電平光調制度的下限。而RF激勵功率的變化對光調制度的影響可以用以下式子計算

式中:M原為電平變化前的調制度；M新為電平變化后的調制度；x為RF激勵功率變化值，單位dB。

測算各種通道數量下允許電平變化幅度，統計值如表2所示。

表2 光調制6.8%情況下單通道電平允許變化幅度

由于光功率與RF電平功率之間有1∶2的對應關系，所以選擇電平變化幅度在3～4 dB的規劃通道可以應對PLC光分路器的輸出口差異問題。為便于計算，選擇10通道模式，即G點單通道注入電平為70 dBμV。當然，各運營商可以根據自己的設計規范確定上行通道規劃數，但建議不要少于4通道。

3.3 反向鏈路系統載噪比指標分析

3.3.1 理論測算

在不考慮侵入噪聲的前提下，圖5所示的反向鏈路載噪比指標由2部分組成:A點到C點的CNR1、C點到G點CNR2，整體系統的載噪比為

其中，CNR1和CNR2的計算可以使用IEC 60728－13給出的光強度調制系統的載噪比計算式得到

式中:BN為噪聲帶寬，回傳通道取3.2×106Hz；mk為第k個載波的光調制度；R為光接收設備的光電變換效率，取0.84 A/h；Pr為接收機的接收光功率，單位W；RIN為光輸入信號的相對強度噪聲，取－135 dB/Hz；e為電子電荷1.602×10－19C；Id0為接收設備光探測器的暗電流，取1.3×10－9A；Ieq為接收機前置放大器的等效輸入噪聲電流密度，取4×10－12（A·h－1/2）；

針對圖4的測試模型，主要分析接收光功率變化對系統載噪比的影響。為了模擬CM運行環境，假設當E點的光功率降低時，H點的電平升高，但最多升高10 dB，否則會引起反向光發的非線性失真。

從圖6可以看出，由于受到光AGC的影響，B點的接收光功率在AGC范圍內對系統載噪比影響不大。而由于受到H點的電平升高的影響，E點的光功率下降引起光調制度的上升，在光功率－20 dBmW以上時，系統載噪比有所改良，但低于－20 dBmW以后由于H點電平不再升高，光調制度趨于穩定，系統載噪比隨光功率降低急劇下降。需要指出的是－20 dBmW以上系統載噪比改良是犧牲可用通道數的結果。

3.3.2 試驗網測試結果

筆者模擬了CM運轉時的信號，在接收光功率－15.4 dBmW時，H點的發射功率為100 dBμV。當接收光功率降低至－22.4 dBmW時，H點的發射功率為114 dBuV。測得結果如圖7所示。

從圖7可以看出，當光功率降低5 dB時，系統載噪比保持穩定。但光功率降低超過5 dB時，系統載噪比開始降低。整體系統能夠保證CNR≥25 dB的要求。

3.4 反向鏈路噪聲承載力分析

3.4.1 理論測算

按照圖4的測試模型，分析在H點覆蓋不同用戶數量情況下，G點能夠承載多大的噪聲，以便保證上行鏈路達到CNR≥25 dB的要求。

測算時仍然需要使用式（3），但此時CNR1表示光系統載噪比，CNR2表示G點到H點之間的電纜分配網絡CNR。

在H點覆蓋用戶數方面，分別測算了6戶、12戶、24戶、36戶和72戶，鏈路衰減值分別為10 dB，14 dB，18 dB，21 dB，22 dB和26 dB。

通過計算，得到以下2點結果:

1）由于覆蓋用戶數量的減少，使得系統對噪聲的承載力大幅提升，表3是測算的結果。

表3 系統CNR≥25 dB時G點最高侵入噪聲功率

經實際測試，在G點25 MHz以上頻譜中噪聲功率很少超過50 dBμV。

2）在系統CNR≥25 dB的要求下，光系統載噪比對于整體系統載噪比的影響較小。在覆蓋72戶的測算模型中，對于光系統載噪比分別為41 dB和37 dB兩種情況，G點噪聲功率減低到39 dBμV時，光系統載噪比對整體系統載噪比的影響才超過1 dB。

3.4.2 試驗網測試結果

進行了覆蓋12戶和覆蓋72戶試驗網測試，測試結果如圖8所示。

經過測試和計算，圖4所示的測試模型對噪聲有較好的承載力。

4 結論

RFoG技術的最大優勢是其在不需要改變原有業務運營模式的前提下，實現了光纖推進和反向鏈路優化。但對于中國的有線電視運營商來說，由于RFoG技術并不會帶來比HFC網絡更寬的入戶帶寬，所以完全利用RFoG技術實施FTTH網絡并不一定適用，然而這并不排斥利用RFoG技術中的一些關鍵技術優化現有的HFC網絡，在實現光纖逐步推進的同時，減少對反向鏈路的維護，實現現有雙向HFC網絡的品質提升，增強在寬帶接入領域的競爭力。

[1]熊承國,尹冠民.下一代廣播電視網絡接入網絡新技術[M].北京:中央廣播電視大學出版社，2010.

[2]Motorola.利用RFoG解決方案開展基于光纖的DOCSIS?和GPON業務[EB/OL].[2011－05－15].http://www.motorolahnmclub.com.cn/GPON/downloads/Leveraging－RFoG－to－Deliver－DOCSIS－and－GPON－Servicesover－Fiber.pdf.

[3]Cisco.Cisco prisma D－PON:your DOCSIS－based fiber－to－the－home solution[EB/OL].[2011－05－16].http://www.cisco.com/en/US/prod/collateral/video/ps8806/ps8862/ps10444/G1717A－DPON－whitepaper.pdf.

[4]OVADIA S.寬帶有線電視接入網從技術到應用[M].韓煜國，譯.北京:人民郵電出版社，2002.

[5]徐力恒，李建華.融合EPON與DOCSIS的EoC技術與雙向網改方案[J].電視技術，2011，35（12）:4－6.