[转帖]广电接入网中双向HFC和以太网的比较

HT-BEYOND · 发表于 2006-7-20 15:22:02

广电接入网中双向HFC和以太网的比较(上) 
 
 
作者：周东，周学文 如何建立一个高性能价格比的数据网络，在骨干层上业界的意见趋向一致，但是在接入网上争论很多。现有的广电网络数据接入网基本有两种形式，一种是双向HFC方式，另外一种是以太网方式。贝尔实验室最先提出了HFC（光纤同轴混合系统）的概念。 以太网作为一种局域网技术存在和发展已有20多年了，技术非常成熟，原来基本上用于楼宇内部的计算机网络，直到最近才将其应用于接入网。原因有以下几个：一是最近几年来，以太网技术本身有了长足的发展，端口速度不断提升，功能也不断加强；二是近年来光节点到用户的距离比以往缩短了很多，在一定程度上弥补了以太网覆盖范围较小的问题；三是近几年新建楼字大量采用了综合布线系统，为采用以太网技术的接入提供了部分媒质条件；四是以往的以太网作为一种局域网技术，各用户之间的信息是以共享为目的，因此用户之间是没有信息隔离的，这对于提供公众电信服务的接入网来说，是致命的危害。最近出现的基于以太网的接入技术是通过改进克服了以太网用于接入的不利因素而发展起来的。它可以基本上解决接入信息安全、流量控制、网络管理和计费等困扰运营的问题。 下面从网络安全性、数据速率、投资成本、承载业务和运行维护这4个方面对双向HFC网和以太网接入方式进行比较。 1．网络安全性 ⑴．数据安全性 有一种模糊的认识认为双向HFC是共享型的网络，安全性差。实际情况并非如此,1999年发布的DOCSIS 1.1标准大大增强了双向HFC网络的QoS，使CATV网络能够提供较高质量的服务。在DOCSIS标准中，CM用户想要上网需要和CMTS有一个握手的过程，具体过程如下。 第一步，CM搜索下行频道，获取上行通道的参数，检测SYNC信息，初始测距。 第二步，CMTS对CM发来的信息进行自动调整，分配一个SID（Service ID）并为之分配相应的带宽。然后开始Adminssion控制。CMTS为CM分配一个临时的SID，并将CM放到Forwarding Tables中，CMTS发出MAP信息（MAP是由CMTS在下行传输通道中发出的短MAC信息，这个信息对每个CM在传输资料时采用什么频点，何时可以传输资料进行了规定），CM根据新的设置与CMfls进行新的测距，CM根据这次测距的结果通知CM Admission是否成功。 第三步，开始IP连接过程，CM向DHCP（动态地址分配服务器）服务器发出请求，DHCP服务器返回IP地址和子网掩码，CM配置文件的名称和TFTP（文件传输服务器）服务器的地址，TOD（时间服务器）服务器的地址。CM再分别向TOD和TFTP服务器发出请求，时钟同步完成和拿到TFTP，给的配置文件后开始注册。CM向CMTS发出注册请求，CMTS认证后就可以通信了。 双向HFC实际上是一个物理层的结构，同一个CMTS卡的用户共享一条总线，是在HFC这个物理层上承载IP数据流，在RF-MAC层上，CM和CMTS之间的通信要通过以上3个步骤的握手过程，因此双向HFC的网络数据安全性能够满足家庭用户要求，对少数安全性要求高的用户可以采用加密方式。 以太网接入方式也是共享总线型的结构，存在同样的安全性问题。为了解决这个问题，现在实际使用的以太网交换机基本上都支持IEEE 802.1Q协议，将每256位或者128位甚至64位用户划为一个VLAN（虚拟子网）,不同子网间的用户需要经过上一层路由器才能相互访问，同时交换机的端口都是相互隔离的。在这种情况下,以太网的数据安全性和满足DOCSIS标准的双向HFC基本相同。 ⑵．物理网络安全稳定性 双向HFC网络是星树形／总线型结构，目前一个光节点下面带500～2000个用户，上行信道是500～2000个用户共享,存在汇聚噪声的问题。经过这些年的发展，在国际和国内的实践中已经证明了只要合乎设计标准，加强施工工艺，汇聚噪声是完全可以克服的。 在北美和国内上海，青岛，深圳等地都可以看见HFC的成功范例。在经调查已经成功进行双向HFC网络改造的地区，网络的安全性，稳定性都很好，极少出现用户投诉。双向HFC的缺点是星树形网络结构,有一点出现高电平上行噪声可能会影响网络内其他用户。 以太网接入方式在网络中传送的是数字基带信号，是点对点的方式，不存在汇聚噪声问题，也不会因为一点故障影响网络内其他用户。但是以太网中有源器件过多，每一个交换机、光纤收发器都要单独供电、散热、防尘，这些有源部件对网络的影响比较大。笔者在实际工作中碰到过好几次由于上一级交换机供电地点停电断电而导致下一级交换机的用户上不了网。如果交换机和光纤收发器质量不太稳定，在热天散热不好，可能会死机。五类电缆的另外一个缺点是，由于五类线缆比较柔软，施工时很容易被拉伸扭曲，破坏五类电缆的扭绞密度，导致数据信号传不了l00m或者大大降低传输速率。整体比较而言，只要实施了整体的双向HFC改造，双向HFC网络的物理层安全稳定性和以太网比较接近。 2．数据速率 我国在双向HFC最有可能采用的是EuroDocsis标准，下行通道带宽为8MHz，频率范围是108到862MHz,调制方式为64QAM或者256QAM，最大数据速率为41.71或者55.61Mbps。上行通道带宽为0.2、0.4、0.8、1.6、3.2MHz，频率范围5～65MHz，调制方式为QPSK或者16QAM，数据速率为320Kbps～10Mbps。 假设一个CMTS上插4块CMTS卡(一个CMTS能够插多少CMTS卡要具体看是哪个厂家、哪种型号，GI的BSR64000配齐是13块CMTS卡),如果采用256QAM调制方式,这个CMTS能够支持的最大下行数据速率为55.6×4＝222.4Mbps，假使一个分前端总共带了15000个用户，其中申请了双向业务的为10％（以中国的现有情况，城市个人用户申请双向业务的一般不会超过总用户数量的30％，在众多的ISP竞争中，广电最理想也难以超过50％的市场份额），这样双向业务用户数量为1500户,我们再假设同时在线的双向用户比例为30％，则每个用户分配到的下行速率为222.4M÷（15O00×l0％×30％）＝494kbps 这个速率表面上看起来和现在电信推广的ADSL的速率一样，但因为并不是每个在线的用户都在以最大的速率传输数据，绝大部分的用户大部分在网上时间是浏览网页、收发邮件、网上聊天。以上的这些业务对带宽的需求非常少，因此，实际上每一个用户能够分配到的突发带宽在正常情况下能够达到2M～10M。现在以RM格式压缩的视音频码流的速率达到500kbps的时候，清晰度已经超过了普通电视信号，以MPEG-4格式压缩的视频信号码率达到700kbps时的清晰度已经达到了普通DVD盘片的清晰度。 因此，双向HFC的数据速率应该是能够满足宽带网络的要求的。 以太网接入基本上是汇聚层千兆带宽共享,每个楼栋100M带宽共享,用户端接入带宽10M。传统以太网由于采用的是CSMA/CD机制，在用户量比较多的情况下会造成网络拥塞，利用效率降低，据有关研究统计，以太网的利用效率一般是40％。现在由于交换机在楼栋的使用，在全双工状态下不会产生冲突碰撞，同时VLAN的划分减小了广播域，因此现在千兆以太网的实际带宽大概在400M～900M之间，同等条件下比配4块CMTS卡的双向HFC系统速率要高。 在这里要强调一个很现实的问题，即全国广电网络目前没有一家建设了非常完整的本地信息平台，用户80％的访问量都是去公网的。目前全国绝大部分的有线网络运营商的出口带宽只有10～100M。因此，真正网络带宽的瓶颈并不是在人们激烈争论的接入网部分，而是在骨干网部分。即使给用户100M的带宽，用户也仅仅是在争夺这些有限的出口资源。在笔者实际工作中试过10M和100M的线路同时访问某些国内著名网站,但由于公网出口限制，两者速度基本上没有多大差别，因此现阶段过分追求高接入带宽值得商榷。(未完待续)

HT-BEYOND · 发表于 2006-7-20 15:22:39

3．投资成本 ⑴．全网进行双向改造 成本是大家最关心的问题，由于组网的方式不同，对网络性能要求的不同，网络建设的成本差别很大。为给出一个比较客观的结果，我们假设用两种方法建设性能基本相同的网络，具体配置如下：双向HFC中采用经调查了解已成功进行HFC双向改造地区的数据，采用某国外公司符合DOCSIS标准的CMTS，采用国产CM，电缆网络反向放大模块全部采用GI公司产品。反向光发射模块和光接收模块全部采用GI公司产品。以太网接入部分采用某一地级市有线电视网络的数据，采用国产单模100M光纤收发器，国产支持IEEE 802.1Q协议带远程网管功能的100M以太网交换机，国产光配件，国产五类电缆，普通PVC管材。假设一个分前端下面15000个用户，500户一个光节点，每个光节点下两级延长放大器、10%的用户开通双向业务。我们进行两个比较,一个是用两种方式对所有用户都进行双向改造，另外一个是仅对已开通的用户进行双向改造。 
 
 表1具体分析如下：一个分前端使用一个CMTS，每个CMTS上插4块CMTS卡，或者用4个单一下行频道的CMTS,每个CMTS为17万，总价格为68万。1500个双向网络用户使用1500个CM。假设一个光节点总共使用两级延长放大器，30个光节点总共60个反向模块，每个反向光发射机需要一个反向电放大模块共30个，这样延长放大器反向模块和反向光发射机的反向电放大模块总数为90个。假设每个楼栋放大器带40个左右的用户，楼栋放大器总数为650个，每个楼栋放大器使用一个反向模块，共650个反向电放大模块。每个光节点使用一个反向光发射机，到前端后要对应一个反向光接收机，总共需要30个反向光发射机和30个反向光接收机。每个光节点需要多增加两根光纤跳线，将一根SC／APC光纤跳线从中间剪成两段使用，总共需要30根跳线。 
 
 表2具体分析如下：每个楼栋交换机24个端口，扣除1个级联端口，可用端口为23个，15000个用户总共需要653个楼栋交换机。653个楼栋交换机需要30个高端的百兆位以太网交换机进行级联。由于具体地形的差异,一些地方级联以太网交换机和楼栋交换机之间距离超过100m，需要以太网光纤收发器来延伸距离，另外一些地方并不需要光纤收发器，在这里考虑有一半交换机需要光纤收发器，两端各一个，合计600个。因为每个用户家中和小区楼栋中基本都需要重新敷设五类电缆,每户需要的五类电缆长度为40m（这是实际施工中平均计算出来的数据）。600个光纤收发器需要600个光纤接续盒，同时需要600根光纤跳线，每根跳线从中剪开使用。600个光纤收发器，每个光纤收发器需要熔接2个接头,总共需要熔接1200个接头。PVC管材统计比较复杂，每栋楼用的材料和数目都不一样，这里根据实际的施工统计情况取平均数，每户成本20元。每个用户在交换机端口处需要一个RJ45接头,门口用户盒处需要两个RJ45接头,家中计算机以太网口处需要一个RJ45接头，每个用户总共需要4个RJ45接头，15000个用户需要60000个。每个楼栋交换机需要一个铁箱和一个普通电源，每个铁箱和电源合起来的造价是150元,总共需要683个铁箱和电源。每户施工费用是25元，总共15000户。 从表1和表2的对比来看，如果将全部网络改造成能够传输双向业务，双向HFC的改造投入2,678,000元，双向用户1500户，平均每户1,785元。全部使用以太网接入费用为7,503,450元，双向用户1500户，平均每户5,002元。两者之间的差别非常大,这主要是双向HFC的费用很大一部分在CMTS和CM上，网络其它部分改造费用相对较低,以太网接入费用集中在交换机和光纤收发器上，只要有一个用户使用就要全部安装。在实际应用中以太网接入不会一次性把所有的楼栋交换机和光纤收发器全部安装完，基本上是在有用户申请的地方安装交换机等设备。这样在实际使用中以太网接入的成本并没有表2中统计的那么高,因此需要完全针对1500个开通双向业务的用户来计算。 在表1中并没有统计双向HFC网改中的光节点到楼栋单元之间分支分配器，电缆接头，电缆的投资费用和施工费用。这是因为这些设备投资都是传统有线电视网中所必须的，不应该算到双向改造中。 另外，在表1中也没有统计楼栋单元到用户之间的分支分配器,电缆的投资费用和施工费用等。这是因为现有的有线电视电缆网用户单元部分已经基本都用了将近10年，现在这些东西都已经到了淘汰期,需要大面积更换。同时对HFC进行双向改造后网络可以很好地承载数字电视等其它扩展业务，因此这部分费用我们倾向于不算入双向HFC改造投资中。 为了更好和更全面地进行比较，我们仍然列出楼栋分配网的改造费用。采用两种方案，一种是传统的树形分配结构，另外一种是用户集中分配方式。 
 
 表3具体分析如下：共15000个用户，每两个用户一个二分支器，总共7500个二分支器。每个放大器输出端使用一个防雨过流型三分配器，共390个。每户平均使用20m四屏蔽-5电缆，总长300000m。每户平均施工费用10元，总共15000户。 
 
 表4具体分析如下：防雨过流型分配器和树形分配的数量一样。平均每个楼7层，每层两户人家，这样每14户一个双向网管集线器，总共1080个集线器。每个集线器一个外箱，总共1080个集线器外箱。由于集中分配，很大程度上解决了汇聚噪声的问题，用户汇聚网汇聚均衡，控制了分配网的路由增益差。所以使用双屏蔽-5电缆，不需更换用户室内电缆，在四层集中对用户分配，平均每个单元电缆长度80m，总共长度86400m。施工费用每户10元，总共15000户。由于放大部分放到了集线器内，实际上取消了楼栋放大器，因此总成本里面应该减去楼栋放大器反向模块，这样总造价为1,744,860-253,500=1,491,360元。 从表3和表4中可以看出，双向HFC用户分配部分的改造成本15000户在70万到150万之间，即平均每个用户47～100元。按照标准进行施工和设计，网络质量有了很大提高，改造完成后可以提高客户端的节目质量，减少网络故障率。如果采用网管有源用户路权管理集中分配的方法，还可以远程对用户进行管理，防止非法接入，基本解决收费难的问题。另外，可以快速对用户故障进行判断，减少网络维护量，使有线电视网络真正成为可运营可管理的网络。这也就是为什么我们一再强调楼栋分配网改造费用计算入双向HFC改造成本中并不是很合理的原因之一。 ⑵．对开通双向业务的用户进行改造 仅对开通双向业务的用户进行改造，其中HFC网络电缆干线仍然是全面改造，60％的楼栋放大器加反向模块,开通数据业务的用户安装CM。在以太网方面,由于双向用户是分散在15000个用户之中，根据笔者的实际工作经验，大致统计出每个楼栋开通双向业务的一般不超过40％。由于l00BaseT以太网l00m的传输距离限制和以后用户发展的需要，1～2个单元要放一台交换机，因此有很多楼栋交换机端口还是会闲置。根据在网络建设中的实际情况，假设每个24口交换机连8个用户。在楼栋施工时，虽然不是整个楼栋都是双向业务用户，但是在布线时一般要把整个楼栋一次性全部施工完成。 双向HFC部分改造费用大致为2,761,600元。其中CMTS，CM，延放和反向光发电放大模块，反向光发射机，反向光接收机，光纤跳线和表1中的数目相同。由于60％的楼栋放大器改为双向，楼栋放大器反向模块数目为234个。这里，我们同样没有计算楼栋分配网的投资成本，如果采用传统树形分配仅对1500个双向用户改造，参照表2可以看出投资成本大约在9万左右。如果采用网管功能有源用户路权管理集中分配造价和表3相比不会下降很多,这是因为如果一个单元有一个双向业务用户就需要对整个单元都进行改造。 以太网部分改造费用大致为2,182,160元。平均每个以太网交换机连8个用户， 1500个用户需要188台24口以太网交换机。188台楼栋交换机需要9台高端百兆以太网交换机级联。同样考虑188个交换机一半需要光纤收发器，两端各一个，总共需要180个光纤收发器。所有安装了交换机的楼栋全部布线,188个楼栋交换机,每个交换机可用23口,要布线的用户数量为188×23=4324户。每户需要五类电缆为40m，总共需要172690m。180个光纤收发器需要180根光纤跳线,180个光纤接续盒，熔接360个光接头。4324户施工需要4324户的PVC管材，4324×4=17296个RJ45接头，4324户的施工费用。 在部分网改的情况下，双向HFC的每户平均成本为2441600÷1500=1,628元,以太网的平均每户成本2182157÷1500=1,455元，双向HFC投资成本要高一点。这两个成本的前提是双向HFC用的设备基本上是进口设备,如果采用国产设备双向HFC总的投资可以下降30万。以太网用的都是国产设备，如果采用进口设备，例如CISCO的交换机和光纤收发器，总投资还要增加。 综合来看，两种接入方法的成本在1500元每户左右，这个数字可能比我们平时看到的一些文章上写的成本统计要高。高出的原因,是我们把将来用户的成本平摊到了现在开通的用户成本上,例如，在双向HFC中反向光发射机、反向光接收机的本该500户分摊的成本用50户分摊，以太网中24口交换机的成本用8户分摊等等。从表面上看这样并不合理,但是在实际情况下只要有少数用户有双向业务需求，整个光节点和楼栋可能就都需要双向改造，而本地居民收人情况和市场竞争情况很可能导致这片地区其他用户的发展潜力不大，因此网络的投资成本有部分闲置是很正常的。这部分闲置的成本，我们个人观点应该算入已开通双向业务的用户投资成本中。 由于以太网的基带数字信号传输100m距离的限制，需要把大量光纤从光节点向用户端延伸。在上面的成本统计并没有把以太网接入每个光纤收发器需要的两根光纤成本计算进去，虽然光纤现在价格比较低，但是光缆管道、杆路和施工费用比较高，购买一根光缆管道的成本至少每公里1万元，还有每年每公里上千元的维护费用。相比之下，双向HFC仅仅在光节点以上需要一根反向光纤，在光节点以下就和有线电视信号一起在同轴电缆里传输，因此就整体成本而言,双向HFC要比以太网低一些。以太网接入的优势在于用户非常密集，如在已经结构化布线了的写字楼或者每个用户都有宽带接入需求的高档小区。这种情况下每个交换机的空闲端口很少，每户的平均投资成本会下降很多。 现在有一些地方在进行以太网改造时统计出来的成本非常低廉，这是因为大量采用低端楼栋交换机的结果。例如，采用一个普通的Hub（集线器）仅需要几百元，采用低端的不带网管功能,不支持802.1Q协议的国产24口交换机只要1000元左右。如果用这样的楼栋交换机建设网络，投资成本可以下降几乎一半。但是我们不支持建设这样的网络，我们的目标是要建设一个可运营可管理的网络，如果使用这样低端的产品，网络的安全性、可靠性低，未来的发展受到很大的限制，广电网络仍然会被对手称为需要用户监督管理的网络。因此，在这里我们并不详细讨论这种方案的投资成本。 4．网络承载业务和运行维护 ⑴．网络承载的业务 双向HFC可以承载的业务比较丰富，有基本电视节目、付费电视节目以及双向数据通信。以太网承载的业务相比双向HFC要少一些，主要是双向数据通信。现在以MPEG-2方式压缩的视频信号的码流速率一般是2～4M,以太网以广播方式传输最多也就传5套节目，相比HFC能够广播数百套节目而言，以太网并不适合宽带视频的广播流传输。在视频点播方面，上下行码流速率是不对称的，TVOD的实现因为成本太高变得非常困难，现阶段适合于实际发展的是NVOD和VVOD。NVOD和VVOD两种技术都是基于广播流的基础之上，最适合的网络仍然是HFC。因此，上下行速率对称的以太网不太适合承载上下行速率不对称的视频业务。 ⑵．系统运行维护 双向HFC在网络设计和施工中要求比较高，双向HFC一定要严把施工工艺。如果施工工艺不好，日后维护工作量就大，施工质量良好，日后的维护量就少。同时在把双向搞好了后，对传统的广播流业务质量也是一个大的提高，可以省去很多维护工作。以太网的线路和施工要求相对双向HFC来说要简单一些，但是以太网的设备安装和调试对技术人员的要求比较高,网络中的有源器件很多，设备对运行条件要求也高，日后的系统维护工作量相比双向HFC要大一此。 最后，要着重指出HFC网络是广电系统的基础网络,任何一家网络运营商都不应该丢弃自己的基础网络去另外建设一个新的网络，除非原来的基础网络已经不能适合网络业务的发展了。现在国际上真正主流的宽带接入技术就是ADSL和CM，2001年的全球CM运营收入已达61亿美元。广电网络已经有了一个很好的HFC网络基础，更为重要的是，双向HFC的改造不仅仅是对开展双向数据业务有利，对广电的其它业务也是一种促进。目前广电网络的主要收入来源于基本业务，这一块是独家经营，随着社会的发展，有线电视基本业务这个领域也有可能面临市场化的竞争，搞好了双向HFC的改造可以极大地提高有线电视的服务质量,牢牢地抓住有线电视基本业务。广电未来的主要收入应该来自于扩展业务，目前在西欧和北美数字电视发展得很快，2001年机顶盒的销售数量达到3000万台，是同年度CM销售量的2.4倍，中国数字电视的市场份额预期有2万亿元,潜力非常大。HFC网络是最适合承载数字电视的网络，在搞好双向HFC改造后，网络不需要其它方面的改造就完全能够满足数字电视的要求。因此,相对于以太网接入仅仅用于双向数据业务而言，建设双向HFC网络是一件一举三得的好事情。 经过以上分析，我们认为在广电网络接入方式中，并不排斥以太网接入方式，在用户密集上网率高的小区，已经进行了综合化布线的楼字,可以采用以太网接入的方式,但在整个城市接入网建设中我们应该首先选择双向HFC。 (全文完)

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