1、1有线电视城域光纤网系统升级改造的探讨云南视通电子信息产业有限公司 刘正清 王大庆地址：昆明市二环西路 220 号云南软件园 A 座 9 层电话：13608712443 13308850055前言：为保证有线电视信号的优质传输并发挥有线广播电视传输网在今后我国信息高速公路建设中的优势，适应三网融合的发展趋势，提高竞争力。广电业必须十分重视和尽早实施有线广播电视城域网的传输升级改造。作者结合我国大多数有线电视城域网的网络现状，对我国的有线电视城域网的网络升级改造提出了可行性方案。笔者认为：1550nm 光传输系统相比 1310nm 光传输系统其优势就在于 1550nm 光波长的损耗 0.17-0
2、.25/km,1310nm 光波长的损耗 0.32-0.4/km。在 1550nm 光系统中可以使用光放大器对光信号放大，且光放大器输出光功率特别大是长距离传输和光节点分布密集条件下的最佳选择。所以在目前的网络升级改造中应采用 1550nm 光传输平台方式使用光接收机直接覆盖用户，每个光节点覆盖用户 3090 户（主要从数据接入因数考虑：因为一个 ONU 满配数据用户 32 个，一般情况下考虑一个 ONU 接入 30 个数据用户留有一定余量，一个光节点最多安装 3 台 ONU 设备）。有线电视城域网传输部分不采用 1550nm 与 1310nm 光系统的光电转换中继传输方式，或者1310nm
3、与 1310nm 的光系统的光电转换多级中继传输方式，而是采用一级 1550nm 光系统传输，来减少传输过程中的多次转换环节，从而达到减少传输过程中的技术指标的损失（劣化）和降低故障率及减少运维成本。 一、国内大部分有线电视城域网传输的现状 1、早期建成的现行光纤网络90 年代中期，一场“光”的革命将有线电视自共用天线系统模式以来的同轴电缆传输方式，采用光纤传输手段替代电缆传输成为以光缆主干的传输网络后，无论在传输距离还是传输技术指标上都有较大的改善为当时的网络提供了很好的传输保障。但也正是当初出于光缆对同轴的简单取代，没有做好一次性长期规划，而光缆的寿命长达二三十年，很多网络一直在发展过程中
4、大都是保留现状或者光路延伸的方式，造成目前广电网络在应对“三网融合”中显得底气不足或者脉络不畅。早期建设的光网主要存在以下问题：2a.早期的光纤及传输设备贵，大都为 1310nm 光传输，光主干线缆短、光节点少，最后“一公里”仍为同轴；b.部分规模较大的网络虽采用了 1550nm 光主干传输，后端依然用 1310nm 的光中继，单个光节点覆盖用户在 500-2000 户。c.进入 2000 年后，随着有线电视系统功能和业务不断增加，数字电视业务迅猛发展和互动点播、数据宽带等的需求，原有的网络架构和传输模式难以支撑下去。在此情况下，很多网络运营商为了少投入、见效快，大都采用在原有骨干的基础上，延
5、长光纤扩建网络，大量密集增加光节点，即“头疼医头，脚疼医脚”的方式来达到传输的要求。2、目前大多网络的技术传输方式：目前国内的有线电视城域网大多采用中继传输方式来完成传输任务，主要形式有以下两种。1550nm 与 1310nm 光系统中继传输以及 1310nm 与 1310nm 光系统的中继传输如下图：3、传输网络的结构：目前国内的有线电视城域网大多采用“星型+树形”的网络结构没有光传输和光分配的概念，其光网络结构如下图：34、传输网络的缺陷：a、无法或很难以建成光缆自愈环形网，大面积中断信号的概率较高，传输可靠性差。b、网络投资成本相对较高，包括两个方面：一是 1310nm 光系统的光发射机
6、输出功率每 mW 成本高于 1550nm 光系统的 EDFA（光放大器）的每 mW 成本。二是光接收机的失真增大造成输出电平降低最终造成使用效率低一半以上，如需达到同样的失真指标，对光接收机的技术指标要求就非常高，所以光接收机的成本就很高。c、网络传输的技术指标低，当光网络系统采用一次光中继时系统的 C/N 将要劣化10lg2=3dB，CSO 将要劣化 15lg2=4.5dB，CTB 将要劣化 20lg2=6dB。当光网络系统采用两次光中继时系统的 C/N 将要劣化 10log3=4.8dB、CSO 将要劣化 15lg3=7.2dB，CTB 将要劣化20lg3=9.5dB。5、目前现有光网络传
7、输技术指标分配如下按国家广电总局现行政策规定 2015 年以前，不能停播和传输模拟电视节目。因为模拟电视系统对 C/N、CSO、CTB 的要求远比数字电视系统要高，所以为了保证模拟电视收看效果，系统的技术指标 C/N、CSO、CTB 分配如下表 1表 1（模数混传）：前端 1550nm 干线 1310nm 干线 分配网项目 系统指标 dB比例 指标 dB 比例 指标 dB 比例 指标 dB 比例 指标 dBC/N 44 1/10 54 3/10 49.2 3/10 49.2 3/10 49.2CSO -55 - - 3/10 -62.8 3/10 -62.8 4/10 -61CTB -55 -
8、 - 3/10 -65.5 3/10 -65.5 4/10 -634当 2015 年以后可以取消模拟电视节目的播出和传输时数字传输系统技术指标分配情况如下表 2： 上表的 CCNR=-10lg10-（C/N）/10 +10-（C/CSO）/10 +10-（C/CTB）/10 ,其中 64QAM 的C/N=28dB,256QAM 的 C/N=32dB MER=-10lg10-（CCNR/10） /(1+),其中 CCNR 为复合载噪比， 为滚降系数取值 0.15。从上表 1 和表 2 技术指标分配计算结果可以看出，模数混传系统的 C/N 技术指标要求远高于数字系统技术指标的要求。根据表 1 的技
9、术指标分配及计算结果看以看出，1550nm和 1310nm 两级光干线的 C/N 均要求在 49.2dB 以上。目前市场上光接收机在光接收功率在0dBm 接收时，其 C/N 为 51dB,据此计算，在实际应用中，光接收功率最低要求在-1.8dBm 以上；而 CSO、CTB 在表 1 和表 2 中基本没有变化，所以对接收设备失真指标的要求都非常高，市场上常规设备难以达到此一要求。同样，从上表 1 和表 2 技术指标分配计算结果可以看出，对于数字电视系统前端的CCNR 要求为 38dB，换算成 MER 为 38.6dB，而目前市场上最好的 64QAM 调制器 MER 也只有40dB，只高于设计要求
10、 1.4dB。表中对光干线系统 CCNR 要求为 33.2dB，而实际网络传输中的 1550nm 和 1310nm 的光接收机在 0dBm 功率接收时其 C/N 为 51dB,按此条件计算该设计方案要求 C/N 为 33.2dB，那么光接收机的输入光功率可以做到接近-17.8dBm 接收极限值，当然要保证光接收机与 0dBm 光功率接收时相同的输出电平对光接收机的放大增益要求很高。另外从技术指标分配表中还可以看出该方案对 1550nm 和 1310nm 光系统的失真指标 CSO 和CTB 的要求为-62.8dB 和-65.5dB，而目前市面上指标最差光接收机的 CSO 为-61dB,CTB 为
11、-63dB，两项技术指标中其中 CTB 失真指标不符合设计要求，因此不能使用该类指标差的光接收机，而应选择失真技术指标较高的的光工作站（CSO-73dB 和 CTB-73dB）才能满足系统要求。系统指标 dB 前端 1550nm 干线 1310nm 干线 分配网项目C/N MER 比例 指标 dB MER 比例 指标 dB MER 比例 指标 dB MER 比例 指标 dB MERCCNR 28 28.6 1/10 38 38.6 3/10 33.2 33.8 3/10 33.2 33.8 3/10 33.2 33.8CSO -55 - - 3/10 -62.8 3/10 -62.8 4/10
12、 -61CTB -55 - - 3/10 -65.5 3/10 -65.5 4/10 -635d、光传输网络的运维成本高:一是 1310nm 光系统网络光分配机房的电费是 1550nm 光系统网络的 7 倍以上，因为一台 EDFA 光放大器耗电 25-30W 输出的有效光功率为250mW（24dBm）甚至更大可达 500mW（27dBm），而一台 1310nm 系统光发射机耗电 15-20W输出的最大有效光功率为 20mW(13dBm)。二是使用了大量有源光设备故障概率高，增加了维护人员、车辆、油耗等成本。三是光传输网络采用中继方式占用了大量的系统C/N、CSO、CTB 指标使得光接收机工作动
13、态范围小受外界环境影响明显，也会增加了电缆分配网维护的概率从而增加运维成本。二、进行 1550nm 城域光网络改造的必要性和紧迫性 随着网络电视、直播卫星、移动电视、地面高清电视和网络流媒体等新型信息媒体的诞生、特别是国家要求在 2010 年开始在全国部分省级城市进行“三网融合”的试点，接下来的几年进行大范围推广以便逐步实施三网合一。中国的有线电视网络将由独家垄断经营局面逐步走向和国内实力强大的三大通信运营商全面竞争的劣势环境，要想在和通信运营商的竞争中求得生存，广电有线网络在未来网络市场信息服务业中的发展，就不能仅靠传统的有线电视基本业务来和通信运营商同台竞争，只有在有线电视基础网络上下功夫
14、，建设一个网络投资成本低、运营成本低、服务质量高的有线电视网络。目前在数据接入的问题上通信运营商和广电运营商在网络最后一公里的问题上大家都不约而同采用了 EPON 技术，不同的是在网络最后一百米的地方通信运营商以 LAN 接入的技术为主，而广电运营商则是以 EOC 接入技术为主。这两种技术从物理链路上看大家都采用了星型线缆敷设方式，可见其故障率和可靠性是旗鼓相当，但是从物理性能看 LAN 接入带宽最多 100 兆，而 EOC 接入带宽可达 1000 兆以上，相比之下具有较强的竞争优势。 三、1550nm 城域 HFC 双向网络的核心竞争力 1、1550nm 城域 HFC 双向同轴网络最后 10
15、0 米具有卫星通信、无线电视网络、通信网络无法比拟的带宽资源优势。 2、有线电视网络的入户率之高具有庞大的客户资源优势。3、1550nm 城域 HFC 双向接入网络建设成本比较低,无需敷设双绞线电缆网。 四、改造的基本思路和技术方案 1、1550nm 城域 HFC 双向网络的基本思路 6a、除保留原有城域光干线的功能外，新改造的 1550nm 城域传输主干可以建设成为环形自愈网。b、光传输部分采用一级光纤直接到楼栋，中间不允许有任何光电转换环节。每个光节点覆盖用户 30-90 户同轴电缆最长距离不超过 100 米。C、从主干环网引接光缆支干线为星形、树形结合的结构方式。 d、光传输部分要有光干
16、线部分和光分配部分的区分，光干线放大器的使用要考虑 SBS影响其输出功率不允许超过 19dB，而光分配部分的光放大器则尽量采用大功率的光放大器比如：24dBm (250mw)甚至更大 27dBm (500mw)。e、1550nm 传输系统最大的缺陷就是色散问题，当模数混传系统传输距离超过 120KM 或纯数字系统传输距离超过 200KM 时就要考虑使用色散补偿器进行色散补偿，补偿原则按照 G.655（非零色散位移光纤）的色散要求进行补偿。f、对于传输距离单跨超过 100 公里时则使用参铒光纤放大器（EDFA）与拉曼放大器（RFA)级联实现传输。2、1550nm 城域光网络改造的技术方案 在综合
17、各方面因素的基础上考虑，我们采取如下技术方案：见下图。7图例：光接收机1550光发射机光放大器 光自动开关 光分路器主干光放大器19dB1550光发射机主干光分路器主干光分路器光自动开关分配光分路器分配光放大器右环路光分配机房1去左环路分配机房右环路右环路光分配机房2 主干光分路器主干光分路器光自动开关分配光分路器分配光放大器主干自愈光分路器主干自愈光分路器光自动开关分配光分路器分配光放大器主干光放大器19dB主干自愈光放大器19dB主干光分路器分配光放大器右环路光分配机房4光自动开关分配光分路器主干自愈光分路器主干光分路器右环路光分配机房5光自动开关分配光分路器分配光放大器主干自愈光分路器分
18、配光分路器分配光放大器分配光分路器分配光放大器分配光分路器分配光放大器分配光分路器分配光放大器右环路光分配机房6右环路光分配机房8右环路光分配机房9城域1550nm光传输系统改造升级方案图主干光放大器19dB右环路光分配机房 3右环路光分配机房78现针对上面的 1550nm 城域光传输系统改造升级方案图做以下的详细分析。a、网络结构及自愈的工作原理：该 1550nm 城域光传输改造升级方案是以主前端与 5 个光分配机房建立的右环网，其中从右环光分配机房 1 至右环光分配机房 5 构成了一个完整的主干环网。然后从光分配机房 5 引出光分配机房 6，再从光分配机房 6 的一端引出光分配机房 7，另
19、一端依次引出光分配机房 8 和9，从而组成主环外的一个星树混合干线网。可以看出图中由右环光分配机房 1 至右环光分配机房 5 构成环网，其中黑色（线条）部分（为环网中的顺时针方向环，而红色部分为逆时针方向环，两个环独立正常工作，遇到紧急情况通过光自动切换相互替换，从而达到自愈功能的目的。另外，该方案中光干线和光分配概念明确，光干线主要承担将光信号传送到光分配机房并解决传输过程中的光色散、SBS 处理，所以光干线放大器一般采用输出功率 13-19dBm 的EDFA。光分配部分只承担楼栋光接收机的覆盖，所以分配光放大器一般考虑 24-27dBm 的光放大器，这样一来可以很大程度的提高设备的利用效率
20、，同时又降低了建网和运营成本。一台24dBm（250mw）的光放大器相当于 12 台 1310nm13dBm (20mw)光发射机,而一台 27dBm (500mw)的光放大器相当于 24 台 1310nm13dBm (20mw)光发射机。下面对自愈环网的工作原理进行简单的分析，上图黑色部分和红色部分分别为两条完整且正常工作的光干线,各自将光信号由顺、逆时针的两个方向加到每个环网光分配机房内设置的光自动开关上。正常情况下各个环网光分配机房的光信号由上图黑色部分光干线通过光自动开关将光信号加到光分配放大器上，使得分配光器放大器正常为各个光接收机服务。当黑色部分光干线提供的光功率低于光开关设定的光
21、功率值或无光信号时，光自动开关就会自动将红色部分光干线的正常光信号通过光自动开关切入到分配光放大器中使其正常工作。比如：上图右环路光分配机房 4 到光分配机房 5 之间黑色部分光干线的光缆损坏（或在它之前的光放大器损坏），此时黑色部分光干线已无法提供右环路光分配机房 5 的正常工作所需光功率，这一状况就会被光自动开关检测到并自动将红色部分光干线提供的正常光信号切换到分配光放大器上，从而使系统正常为用户提供服务而不会被投诉。b、网络传输的技术指标高由于改造后的 1550nm 城域光传输网络采用光接收机直接覆盖用户的方法，中间没有任何光电转换环节所以技术指标相当高，其技术指标分配应按下表分配。9模
22、数混传系统技术指标分配情况如表 3：表 3前端 1550nm 干线 无源分配网项目 系统指标 dB比例 指标 dB 比例 指标 dB 比例 指标 dBC/N 44 4/10 48 6/10 46.2 - -CSO -55 - - 10/10 -55 - -CTB -55 - - 10/10 -55 - -对于纯数字传输系统技术指标分配情况如表 4：表 4上表的 CCNR=-10lg10-（C/N）/10 +10-（C/CSO）/10 +10-（C/CTB）/10 ,其中 64QAM 的C/N=28dB,256QAM 的 C/N=32dB。MER=-10lg10 -CCNR/10/(1+),其中
23、 CCNR 为复合载噪比，是滚降系数取值 0.15。从上表 3 和表 4 技术指标分配计算结果可以看出，模数混传系统的 C/N 技术指标要求远高于数字系统要求的技术指标。根据表 1 的技术指标分配及计算结果看以看出，1550nm 光干线的 C/N 均要求在 46.2dB 以上。目前市场上光接收机在光接收功率在 0dBm 接收时，其 C/N 为51dB,据此计算，在实际应用中，光接收功率最低要求在-4.8dBm 以上；而 CSO、CTB 在表 1 和表 2 中基本没有变化，所以对接收设备失真指标的要求都较低，市场上常规设备都很容易达到这一要求。对于数字电视系统前端的 CCNR 要求为 32dB，
24、换算成 MER 为 32.6dB，即使目前市场上指标最差的 64QAM 调制器 MER 也有 35dB，也远高于设计要求 2.4dB 以上。表 2 设计中对光干线系统 CCNR 要求为 30.2dB，而实际网络传输中的 1550nm 光系统光接收机在 0dBm 功率接收时其 C/N 为 51dB,按此条件计算该设计方案要求 C/N 为 30.2dB，那么光接收机的输入光功率可以做到接近-20.8dBm 接收极限值。当然要保证光接收机与 0dBm 光功率系统指标 dB 前端 1550nm 干线 无源分配网项目CCNR MER 比例 指标 dB MER 比例 指标 dB MER 比例 指标 dBC
25、CNR 28 28.6 4/10 32 32.6 6/10 30.2 30.8 - -CSO -55 - - 10/10 -55 - -CTB -55 - - 10/10 -55 - -10接收时相同的输出电平，对光接收机的放大增益要求就很高。另外从技术指标分配表中还可以看出该方案对 1550nm 光系统的失真指标 CSO 和 CTB 的要求为-55dB。而目前市面上指标最差光接收机的 CSO 为-61dB,CTB 为-65dB，此两项技术指标分别比设计要求高出 6dB 和 10dB。因此采用此方案改造就大大降低对设备采购的要求，从而降低建网和改造的成本。c、网络投资成本相对较低而实际网络传输
26、中包括两个方面：一是 1310nm 光系统的光发射机由低档到高档其输出功率每 mW 成本大约从 150 元/mw 到 800 元/mw，而 1550nm 光系统的EDFA（光放大器）的每 mW 成本大约从 50 元/mw 到 300 元/mw。二是在改造升级后的系统中光接收机的失真减少，可将输出电平提高最终达到使用效率提高一倍以上，如达到同样的失真指标，对光接收机的技术指标要求就非常低了，所以光接收机的成本大大降低。d、光传输网络的运维成本低一是 1310nm 光系统网络光分配机房的电费是 1550nm 光系统网络的 7 倍以上，因为一台EDFA 光放大器耗电 25-30W，而输出的有效光功率
27、为 250mW（24dBm）甚至更大可达500mW（27dBm），而一台 1310nm 系统光发射机耗电 15-20W，输出的最大有效光功率为20mW(13dBm)，光接收机部分由于采用普通光接收机替代光工作站也可以节约用电 50%。 二是减少了大量有源光设备的使用，故障概率显著降低，同时也可减少一定量的维护人员、车辆、油耗等成本。三是光传输网络系统 C/N、CSO、CTB 技术指标非常高，使得光接收机工作动态范围非常大，受外界环境影响可不予考虑，从而减少同轴电缆分配网维护的概率，最终将在很大的程度上降低运维成本。e、1550nm 城域光网络的缺点1550nm 城域光网络的缺点主要是由于采用普
28、通 G.652 单模光纤加上其传输距离很远目前国内报道最远可传输 1000km 积累的色散而引起的 CCNR 劣变，给设计和施工调试带来一定的不便。但是一般来讲，城域网络光传输干线半径应在 200KM 以内，所以此时光传输的色散问题可以不予考虑；如果个别链路超过 200KM 以上的，采用分布式拉曼放大器+光色散补偿的方式非常好的解决。五、1550nm 城域光网络升级改造前后各项指标（优劣）综合对比以下对 1550nm 城域光网络升级改造前、后各项指标（优劣）分析列表如下： 1、技术指标对比分析11序号 对比项目 改造升级前 改造升级后 说明1 主干环网自愈功能 没有 有2 传输技术指标 差 高
29、 升级前设备工作状态在指标极限边缘3 传输中对设备技术指标的要求 高 低 指达到相同的系统技术指标的情况下4 系统运行可靠性 低 高5 色散控制 较为简单 可以很好解决 在光干线超长距离情况下6 设备管理 比较繁杂 很简单7 网络升级到 FTTH 较难 容易8 支持数据接入程度 困难 容易 平均每台光机用户数少、侵入噪声小9 支持单跨距离 30km（1310 中继） 130km 以上2、经济指标对比分析（以一个光分配机房 50 台 1310 光发为例）序号 对比项目 改造升级前 改造升级后 说明数量 单价(万 元) 金额(万 元) 数量 单价(万 元) 金额(万 元)1 机房光设备数量 50
30、1.0 50.0 2 4.5 9.013dB 的 1310 光发机27dB 的 1550 光放数量 单价(万 元) 金额(万 元) 数量 单价(万 元) 金额(万 元)2 机柜配置3 0.35 1.05 1 0.35 0.35数量 单价(万 元) 金额(万 元) 数量 单价(万 元) 金额(万 元)3 机房供电配置 1 5.0 5.0 1 1.0 1.0年耗电 单价 金额(万 元) 年耗电 单价 金额(万 元)4 光设备年电费支出 7000 度 0.5 元 0.32 518 度 0.5 元 0.026机房光发送设备年耗电费用数量 单价(万 元) 金额(万 元) 数量 单价(万 元) 金额(万
31、元)6 新增光接收机配置 500 0.3 150.0 500 0.1 50.0年耗电 单价 金额(万 元) 年耗电 单价 金额(万 元)7 光接收机功耗 86400 0.5 4.32 43200 0.5 2.168 维护人员工资、维护材料成本、维护车辆费用等费用将会相应减少根据上表统计数据可以算出，按本方案新建网络建设成本可节约 95 万，年运营成本可节约电费 2.45 万。按此方案，一个城域网按 10 个光分配机房计算，年节约电费 24.5 万元，其它费用包括维护人员工资、材料成本、车辆等费用也将会大幅减少。9综合以上全面分析，采用本方案改造建设运营，不但可以在系统传输技术指标得到大幅提高，系统的可靠性也得到很大增强，为将来与通信运营商的竞争提供了非常好的保障；通过改造升级特别是运营费用相应减少，在国家当前电力资源紧缺的情况下，通过我们的网络改造降低了单位能耗，完全符合国家倡导的节能减排政策。
