基于广电HFC的宽带综合业务网

2019-11-03 10:37:40

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供稿：网友

杨丰

1我国现有广电网络概况

　　我国自20世纪80年代初开始发展有线电视，至今已形成世界最大、用户最多的集有线无线于一体、融数模光电于一身的覆盖全国的有线电视网络。

1. 1网络结构

　　我国的有线电视网由干线传输网和用户网组成，国家干线网和省市长途干线网采用环型或网状结构，有多种保护方式；地市干线网和县级干线网一般采用环型或星型结构；用户网一般采用光纤/同轴电缆混合网（HFC），即前端或局端信号经由光纤网络传输至光节点，光电转换将光信号转换成电信号，再经由同轴电缆分配网络至各个用户端。

HFC网络由下面几个主要部分组成：

（1）前端：完成信号收集、交换及信号调制与混合，并将混合信号传输到光纤。

（2）光节点：完成光信号转换成电信号的功能，并将电信号放大传输到同轴电缆网络。

（3）同轴电缆放大器：完成同轴电缆信号放大并传输至用户的功能。

（4）用户终端设备：接收并解调网络传输信号，并显示相应信息。

1.2广电网的优势

1.2.1网络资源的优势

　　我国拥有世界上最多的有线电视用户，已经成为世界上最大的有线电视用户国，电视覆盖率达到87.68%。

目前大多数广电局实现了电视信号骨干传输光纤化，每个光节点均有4～6芯光纤，网络的光纤资源比较丰富。

1.2.2“最后1千米”带宽的优势

　　作为主干网与城域网的建设，光纤是最佳的解决方案，但如同不可能将高速公路修建到每一户家庭门口一样，在未来10年内或更长时间，大部分地区由于经济条件制约而难以实现光纤到户，因此“瓶颈”就出现在驻地网这“最后1千米”的线路上。

普通电信网络的理论带宽为64 k，即使采用非对称线路环路系统(ADSL)，也只能达到下行8 M/上行1 M。

　　广电网络“最后1千米”的带宽高达750 MHz，能同时传输约60套广播电视节目，若采用数字传输技术，则可传输300套左右电视节目，但是目前仅有30套左右的电视节目可供传输，因此有大量富裕频道可进行业务多功能开发。

　　在FTTB之前，使用HFC宽带接入来开展Internet，ip，多媒体等双向宽带业务,可使运营商充分利用现有网络，迅速占领增值业务的市场，投资少，成本低。

1.3广电网的发展前景

（1）数据增值业务可以提供的服务有：

电视接收——为用户提供数十套高质量电视信号的基本服务。

Internet互联——为网内用户提供网上浏览、检索、发布信息业务。

专线接入——为集团、单位用户提供专线接入Internet服务。

图文电视——通过电视系统提供证券经济信息等服务。

会议电视——利用网络和数字视像技术实现异地会议。

IP电话——全球IP电话用户每年以239%的速度增长，发展IP电话已成为一个新的业务增长机会。

其他增值业务——远程教育、远程医疗、网络游戏、证券交易等需要双向交互的增值业务。

（2）广电网目前的收入来源

线路维护费：约100亿元（每户6～20元/月）

广告收入：约300亿豫

有条件接收（收费频道）：约20亿～30亿豫

图文电视：约2亿～3亿豫

数据服务：约1亿～2亿豫

从以上几个数字可以清楚地看出，中国有线广播电视的运营收入目前还基本上以传统服务收入为主，而最能产生经济效益的有条件接收和数据服务的收入尚不足总收入的10％，其蕴藏的巨大开发潜力是显而易见的。

2HFC的双向网络

　　传统的电视节目为单向广播方式，原有的HFC网络只具有单向传输能力，而数据应用的交互式特点要求网络提供双向传输能力。

2.1双向传输的基本方式

空分：采用不同的线路分别传输上行和下行信号，这是一种技术上最为简单的方式，在有线电视的光纤传输部分，就是采用这种方式，利用两条光纤来分别传输上行和下行信号。但在电缆部分不能这样，因为敷设两条电缆成本太高，不像光纤部分，在光缆中增加一根芯不需要增加太多经费。

频分：采用不同的上行频带和下行频带，中间留一个保护频带，以减少由于滤波器滤波特性不陡峭而造成的频带交叉影响，这是目前有线电视双向传输系统所采用的主要方式。

在前端，各种业务信号如模拟电视信号、数字视频信号、计算机数据信号、电话信号和各种控制信号等调制到下行频段的不同频道，经电光转换后用光纤传送到光节点，在光节点进行光电转换后用同轴电缆传送至用户。用户的上行信号采用多址技术如TDMA，FDMA，CDMA或它们的组合复用到上行信道，由同轴电缆传送到光节点进行电光转换，然后经光纤传至前端。

　　GY/T106-1999规定，用5~65 MHz频段传送上行信号，用87 MHz以上频率传送下行信号（其中的111 MHz~1 GHz用于传输模拟电视、数字电视和数字业务），65~87 MHz就是其保护频带。

2.2网络结构

　　主前端设置有数据库、节目库、信号处理设备、电话与数据交换设备、网络管理设备等数字设备和普通的模拟有线电视处理设备,它与分配中心组成1 550 nm的一级环型干线网。

各分配中心又同二级分配中心组成二级干线环型网。

主前端、一级分配中心、二级分配中心都可以通过1 310 nm的星型光缆直接把光信号送至光节点。光节点后面的同轴电缆网采用树型结构，每个光节点下面的用户组成一个子网，共用整个反向带宽。

2.3双向 HFC的系统结构

231 局端系统CMTS

　　CMTS一般在有线电视的前端或者在管理中心的机房，完成数据到RF转换，并与有线电视的视频信号混合，送入HFC网络中，除了与高速网络连接外，也可以做为业务接入设备，通过Ethernet网口挂接本地服务器提供本地业务。

　　作为前端路由器／交换集线器和CATV网络之间的连接设备，CMTS能维护1个连接用户数据交换集线器的10 Base-T双向接口和1个承载SNMP信息的10 Base-T接口，CMTS也能支持CATV网络上的不同CM之间的双向通信。就下行来说，来自路由器的数据包在CMTS中被封装成MPEG-2-TS帧的形式，经过64QAM调制后，下载给各CM；在上行方向，CMTS将接收到的经QPSK调制的数据进行解调，转换成以太网帧的形式传送给路由器，同时，CMTS负责处理不同的MAC程序，这些程序包括下行时隙信息的传输、测距管理以及给各CM分配TDMA时隙。

　　CMTS支持两个管理模式：一种是通过RS-232口，并利用基于专用NMS的PC进行本地管理，另一种是利用基于SNMP的网管进行远程管理，完成此项功能是在CMTS上增加一个SNMP PRoxy代理模块。

232Cable Modem

　　CM是放在用户家中的终端设备，它连接用户的PC机和HFC网络，与CMTS组成完整的数据通信系统。CM接收从CMTS发送来的QAM调制信号并解调，然后转换成MPEG-2-TS数据帧的形式，重建传向10 Base-T Ethernet接口的以太帧。在相反方向上，从PC机接收到的以太帧被封装在时隙中，经QPSK调制后，通过HFC网络的上行数据通路传送给CMTS。

3HFC双向网工作原理

3.1上行信道带宽的分配

　　MCNS（多媒体电缆网络系统合作组织）制定的通信协议标准DOCSIS1.1为目前大部分厂商所采用。

　　DOCSIS1.1把每个上行信道看成是一个由小时隙(mini－slot)组成的流，每个小时隙作为基本的带宽单位，CMTS通过控制各个CM对这些小时隙的访问进行带宽分配。CMTS进行带宽分配的基本机制是分配映射(MAP)，MAP是一个由CMTS发出的MAC管理报文，它描述了上行信道的小时隙如何使用，例如，一个MAP可以把一些时隙分配给一个特定的CM，另外一些时隙用于竞争传输。每个MAP可以描述不同数量的小时隙数，最小为1个小时隙，最大可以持续几十ms，所有的MAP要描述全部小时隙的使用方式。MCNS没有定义具体的带宽分配算法，只定义进行带宽请求和分配的协议机制，具体的带宽分配算法可由生产厂商自己实现。

311上行信道访问方式

　　CMTS根据带宽分配算法可将一个小时隙定义为预约小时隙或竞争小时隙，因此，CM通过小时隙向CMTS传输数据也有预约和竞争两种方式。CM可以通过竞争小时隙进行带宽请求，随后在CMTS为其分配的小时隙中传输数据。另外，CM也可以直接在竞争小时隙中以竞争方式传输数据，当CM使用竞争小时隙传输带宽请求或数据时，有可能产生碰撞，若产生碰撞，CM采用截断的二进制指数后退算法进行碰撞解析。

312对服务类型的支持

　　DOCSIS1.1除了给每个CM分配一个48 bit的物理地址（与局域网络适配器物理地址一样）之外，还给每个Cable Modem分配了至少一个服务标识(ServiceID)，服务标识在CMTS与CM之间建立一个映射，CMTS将基于该映射给每个CM分配带宽。CMTS通过给CM分配多个服务标识来支持不同的服务类型，每个服务标识对应于一个服务类型。MCNS建议采用服务类型的方式来实现QoS管理。

3.2CM与CMTS的交互

　　CM在加电之后必须进行初始化才能进入网络，接收CMTS发送的数据及向CMTS传输数据。CM的初始化是经过与CMTS的一系列交互过程来实现的，即检测可移去的安全模块RSM，与CMTS建立同步，获得上行信道的传输参数，校准，建立IP连接，建立时间，建立安全机制，传输操作参数，以及初始化基本保密机制等。

3.3反向噪声

　　在单向传输系统中影响系统输出口的噪声只是从前端到达该输出口的各个放大器产生噪声的总和，与到达其他输出口的放大器的噪声无关，而反向通路却不同，所有用户端口引入的噪声和所有反向放大器的噪声都汇聚在光节点和前端，形成一个巨大的噪声流破坏系统的性能，称之为“漏斗效应”。

减少反向噪声影响的措施：

①减少每个光节点的用户数。

②加接滤波器或网络接口模块滤除用户设备引入的噪声。

　　有用反向低频信号先经过一个900 MHz调制器变为高频信号，进入用户接口后经过一个高通滤波器，把所有低频噪声都滤除，再经过900 MHz解调器重新变为低频信号，即可去除低频噪声干扰。

　　除了进行高频调制以外，还可以增加BPSK的编码和解码，具有更高的可靠性。最后再进行QPSK调制，送入反向回路，在误码率要求为10-4的情况下，采用QPSK时，只需要求系统的信噪比S/N>16 dB即可，而采用256 QAM时，却要求其信噪比大于35 dB，因此一般反向通道都采用QPSK调制，其调制效率约为1.2 b/Hz。

③在上行通道中采用CDMA码分多址复用也可提高系统的抗干扰性能。

　　CDMA是将各用户发出的反向高频信号用各不相同的地址码（伪随机码）来调制，在接收端，只有用与发送端相同的伪随机码去解调才能得出相应的基带信号，而其他地址码的信号只表现为背景噪声，经过伪随机码调制后的信号所占频带大大增加，所以也称为扩频多址。

根据香农公式C=Blb(1+S/N)可知，在信道容量C不变的情况下，增加信道带宽B可以使系统对信噪比的要求降低，即提高了系统的抗干扰性能。

3.4带宽分配

　　HFC网中的频带是由接在同一个光节点上的所有用户共同分享的，为了使每个用户有足够的带宽，满足综合业务的要求，应使光纤尽量向用户延伸，以减少每个节点的用户数量（500户以下）。最好采用光纤到最后一个有源点（FTTLA）技术，例如采用有2路、3路或4路输出的光接收机，每路输出电平100 dBμV以上，可带150~300个用户，既可减少用户的相互影响，又可增加每个用户实际享用的反向带宽。

3.5系统保密性

　　虽然广播数据帧可以被所有的CM接收到，但数据帧中含有指定某个CM的标识信息，因此只有与标识信息相符的CM可接收该数据帧，其他的CM将丢弃该数据帧。CMTS与CM之间的通信数据是在MAC（媒体访问控制）层用DES进行加密。

4高速IP数据传输技术

　　由于计算机网络广泛采用TCP/IP协议作为传输和控制手段，利用有线电视网实现较大范围的计算机联网或接入Internet，需要建设一个有线电视数字光纤干线，并在其中传输遵守IP协议的高速数据信号，这些干线及其外围网络称之为IP网。IP网协议具有开放性，除了传输计算机数据信号外，还可以用来传输符合IP协议具有数字视频和数字音频信号。

　　但是，IP技术原来只是为传输计算机数据信号而设计的，用它来传输图像和话音信号存在一些致命的缺点，如：路由器采用软件交换，因而其运算复杂，交换速度慢，不能适应宽带传输的要求，不能保证端到端的服务质量（QoS）；采用分布式网络管理方式，其计费功能只能在网络接入点完成，无法进行全国统一管理。

　　为了提高IP网的传输速率，保证端到端的传输质量，可以采用以下一些宽带IP的解决方案，究竟选择何种传输技术要根据具体网络情况和要求灵活确定。

41吉位以太网

　　目前吉位以太网（GEN）技术已日益成熟，在单模光纤上的传输距离可达100 km以上，完全可以满足城域网的要求，因此，利用有线电视网来建设范围小于100 km的城域网，可以采用吉位以太网，把它作为骨干网，以快速以太网和以太网作为其外围网络，采用逐包转发的路由交换机进行交换，即可构成宽带IP网，这种网只运行IP协议，其性价比较ATM骨干网要高。

　　吉位以太网也是以长度可变的帧为数据传输格式，它与快速以太网完全兼容，是对10兆位和100兆位的802.3以太网标准的扩展，支持现有的网络应用程序、网络操作系统和网管。

　　吉位以太网的传输介质，传输距离2 km以上应使用单模光纤，550 m以下可使用多模光纤，100 m以内可使用5类线。在有线电视网上架构吉位以太网完全可以利用光缆干线中的富裕光纤。

42IP over ATM

　　QoS是ATM的显著特点，IP over ATM利用ATM来开展支持QoS的多媒体IP业务。

　　在IP over ATM中，用路由器把局域网和ATM干线网连接起来，用ATM网代替路由器间的IP链路实现IP数据在ATM网上的传输。IP over ATM可以根据用户的要求和网络的需要，把直接连接在ATM网上的某些主机和路由器组成一个逻辑IP子网（LIS），各个LIS可以独立操作和通信，在同一个LIS内，IP包可以在ATM虚通道上传送，但不同的LIS中的主机之间的通信却要经过路由器。

　　IP over ATM的主要任务有两个，一是实现IP地址到ATM地址的转换，二是完成把IP数据包分装成ATM信元的数据封装工作。当一台IP主机向其他主机发送数据时，先通过地址解析，由对方的IP地址得到的ATM地址，启动ATM信令，建立到对方的虚连接，将IP数据包组装成ATM信元，通过建立好的虚通道传送到目的终端，在接收端沿相反的过程恢复成IP包，就可实现两个IP成员之间的通信。

　　但是，IP 数据包要先转换成ATM信元然后再放在SDH中，因此内部开销大，导致传输效率降低；此外，IP广播地址和一点对多点的多播地址无法映射到ATM地址，故IP over ATM不支持广播和多播业务；同时，位于不同LIS中的主机之间进行通信仍要经过外部路由器进行转发，故无法建立这两个主机之间满足QoS的连接。

43IP over SDH

　　建设传输距离大于100 km的广域网，SDH是最佳选择，在SDH光缆网上直接运行IP数据包就组成了IP over SDH。IP over SDH将路由的计算与包的转发分开，用硬件ASIC电路来实现包的转发，可以将路由器的包转发速度提高到10 Mb/s以上，而且免去了包与ATM信元之间的转换，省去了价格昂贵的ATM交换机，同时在运行实时业务时能保证QoS。

44IP over OPTICAL

　　IP over OPTICAL（IP优化光网络）不必采用SDH的时分复用技术，而让IP数据包直接在光纤上运行，由于避免了重复的打包、拆包，减少了开销字节，传输效率也得到很大提高，同时节省了SDH和ATM设备，可以降低网络成本。

5结束语

　　广电HFC网分布广泛，其巨大的带宽具有独特的优势，尤其是在经济较发达的密集型城区，HFC网经过双向改造可以整合各种数据增值业务，形成宽带综合业务网，这是实现FTTB之前的过渡方案。我国发展基于广电HFC的宽带综合业务网应借鉴发达国家的经验，尽快缩小与世界先进水平的差距。

摘自　　中国有线电视

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