基于有线电视网络宽带接入技术研究

zjol

2003-09-26 《中国有线电视》

刘元春
　　随着宽带网络的高速发展，人们对网络的带宽及速率提出更高的要求，接入网技术日益成为制约网络通信发展的瓶颈。如何结合技术发展和自身发展的需要，充分利用技术和经济资源，发展我国的接入技术是摆在大家面前的重要课题。

1 宽带接入技术

　　当今世界各国相继开发了以下几种接入技术：①基于现有铜缆的接入技术xDSL；②以ATM为基础的无源光网络(APON)；③基于SDH的接入技术；④宽带固定无线接入技术；⑤电力网接入（电力载波、副载波调制）；⑥基于有线电视HFC网络的宽带接入技术。

　　HFC是建立在目前唯一的宽带入户网——有线电视同轴网基础上的双向交互式宽带网。HFC保留了传统的模拟传输方式，可以充分利用现有的有线电视同轴电缆资源，不需重新敷设配线网，就可为用户提供电话、广播电视、视频点播、Internet接入、视频会议、数据等多种业务，是现阶段最为经济可行的宽带接入技术。CATV网采用HFC方式，从目前的广播式单向网络改造成为双向交互式的宽带用户接入网，是在现有的有线电视同轴网的基础上，将光纤逐步推向用户的一种经济的渐进策略，建设费用相对较少，网络升级十分灵活。HFC可以充分利用现有的CATV同轴网络频带宽的特点，提供宽带综合业务，将来又能顺利过渡到全数字网络，适应未来全数字化业务的需求。

2 基于有线电视的HFC网络结构

　　基于有线电视的HFC网络由馈线网、配线网和用户引入线3部分组成。HFC馈线网是指前端（光网络单元ONU）到服务区（SA）光节点之间的部分，可以采用AM-VSB 1 310 nm或1 550 nm光纤传送到光节点设备。光节点设备是HFC接入系统的关键部分，每个服务区的光节点设备可服务500多个用户。光节点设备将下行的光信号（包括话音、视频、数据等信号）进行光电变换，并将各种信号混合。光节点设备是一个双向传输设备，在上行时，光节点设备将来自同轴电缆支路的上行信号（电信号）转换成光信号，发送至前端的上行光接收机。

　　HFC配线网指服务区的光节点到用户接口单元之间的部分。配线网利用现有的CATV网，一般为树型、星型或总线型同轴电缆网结构，其带宽可达1 GHz。用户接口单元也叫网络接口单元（NIU），是一个智能射频调制解调器接口，可为用户提供各种信号。

　　HFC用户引入线是指用户接口单元到用户终端设备之间的部分，一般通过软电缆把各种信号送至用户的电话机、电视机、计算机等终端设备。

　　HFC若在前端增加一些设备用于语音和数据通信，如智能网络设备HDT（局用数字终端）、ATM交换机等，在用户端也增加一些相应的接收设备，如机顶盒（STB）接口、端对端设备Cable Modem等，就可以实现双向数据通信，从而进一步为用户提供全面服务。一种典型的基于HDT和HFC宽带接入网的网络结构图。HDT是面向HFC网络的ATM接入设备，以ATM技术为核心，具有多协议及高速数据处理能力，可通过SNMP协议对STB统一管理，支撑VTOA协议，支撑MPOA，IP Switch，支撑7号信令和中国1号信令，提供E1电话网局间中继接口等。STB提供电话、资料、数字电视等接口，用户可以通过STB有选择地开通电话、Internet接入、视频点播等服务。

　　采用HDT，STB的有线电视HFC宽带接入网，可以充分利用目前的HFC网络资源，不用重新敷设同轴电缆，相对投资少；具备语音、数据、视频等各项业务综合接入的能力，能够针对不同用户群在HFC上提供各种业务；可以提供E1语音中继和100 Base-T Ethernet接口，便于与现有通信设备连接；可以实现高速接入Internet，视频点播；可以顺应网络的发展趋势（电话网、计算机网、CATV网最终都将通达未来的目标网络：一个以ATM/SDN为基础的宽带网BISDN）；基于ATM技术的HDT可以和ATM骨干网无缝连接，不存在目前数据骨干网、骨干网与接入网的瓶颈问题。

3 HFC的关键技术

3.1 HFC网络分割

　　目前HFC网络双向传输方式主要有空间分割方式、时间分割方式(时分复用)和频率分割方式（频分复用）。空间分割方式采用两套独立的单向系统，传输干线、放大器等全部设备均为两套配置，一套传送下行信号，另一套传送上行信号。这种方式技术简单，但投资较大、成本较高。空间分割方式可用于光纤传输部分，如在大对数纤芯的光缆中单独使用少量光纤作上行，在用户分配网络部分很少采用空间分割方式，空间分割方式实际应用不多。时间分割是在相同的传输介质上对上行和下行信号进行时分复用，其成本也较高，应用也不很广泛。HFC网络双向传输广泛采用的方式是频率分割方式，其基本原理是将要传输的基带信号（模拟或数字）先调制到射频载波上，不同的基带信号通过调制到不同的射频载波而实现频分多路，将这些已调射频波合路后再调制成光波，用光纤传输这种载有多路射频信号的光信号，在接收端用光电转换器件得到多路射频信号，再通过射频滤波器和解调器恢复出所传送的基带信号。通过频分复用方式，可以灵活增加模拟电视节目的频道数，给数字信号和模拟信号分配不同的频段并且同时传输，给上行和下行信号分配不同的频段，实现双向传输，给不同的用户分配不同的频段，用于复用寻址。HFC网要支撑双向交互式业务，其信道利用必须合理，其频率分割取决于系统功能的多少、系统规模的大小、使用设备的性能指标、传输信息量的多少等，将整个频带分割为低、中、高3种形式。合理的频谱划分是十分重要的，既要考虑到历史和现在，又要考虑到未来和发展。根据GY/T106-99规定。

3.2 视频业务的QoS

　　HFC网为用户提供综合业务，涉及个人数据的传输，收费CATV网采用的加解扰技术以及Internet网、以太网的IP地址方式，只有IP地址相同的接收终端才可读取数据等，研究探索切实可行的方法，以确保信息保密和网络安全。

　　HFC中，如何确保具有很强动态特性视频业务的QoS是关键问题。HFC可以采用ATM信号传输技术及通信网中的媒介接入控制（MAC）协议来提供传输速率、最大时延、比特误码率（BER）、包误码率（PER）及抖动控制、同步控制等。

3.3 视频传输的关键技术

　　数字压缩编码技术是解决带宽问题的关键技术。HFC网传输的视频信号经过压缩和调制就可以在较窄的频带内传送较多的数字频道，如在500~750 MHz频段内，若采用64 QAM调制方式和4 Mbps速率的MPEG-2图像信号，则可以同时传送200套压缩的数字电视节目。如果采用256 QAM，则可传送MPEG-2数字图像频道800个。

3.4 噪声控制

　　双向传输目前最大的难点是如何克服上行噪声，它的噪声源来自于用户端，用户噪声主要来自于用户家中电视机的信号入口，干扰根源在终端的各类家用电器中，网络元器件电缆的蔽屏性能不好或变差，受干扰的频率范围在上行通道的5～40 MHz之间为最强，当干扰信号的强度超过用户标准电平时，上行信号将无法正常传输。用户越多，各种噪声汇聚到前端后就形成漏斗效应，它是上行通道产生噪声的主要原因之一。另外还有入侵噪声，包括窄边带短波干扰和脉冲噪声干扰两种。脉冲干扰频率很低，在60 Hz～2 MHz之间，它产生的谐波成分很大，造成的噪声干扰也特别严重。另外还有业余无线电台、有线电视的设备、各种器件接口松动、接触不良等也会形成入侵噪声。

　　为改善回传噪声，必须采用切实措施控制：采用有效的调制解调方法，如：上行信道采用S-CDMA（同步码分多址）的调制方式以及具有纠错功能的编码方式，或是利用MAC协议传送控制信息通知使用上行频带的各节点避开干扰严重的频段以确保一定的误码率；采用星型网络拓扑形式，减少每个光节点所带的用户数；提高双工的滤波质量，减少高频杂波对回传信道的影响。

3.5 用户终端设备的配置

　　用户终端设备的配置，是根据用户的不同要求进行的。用户终端设备除电视接收机外，还需配备能接收、发出指令和信息的设备，如个人计算机、电话、摄像机、数字机顶盒、电缆调制解调器等。数字机顶盒与电缆调制解调器是面向未来的两大用户数字终端，数字机顶盒可使模拟电视机接收数字信息，除了向用户提供丰富的影视点播节目外，还可向家庭提供各种数字信息服务。数字机顶盒连接在电视接收机和HFC网络接入端口之间。电缆调制解调器是把个人计算机接入HFC网络的用户终端设备，它使有线电视产业逐渐从单纯提供电视广播服务发展为可提供交互的信息服务。

4 应用

4.1 在Internet接入中的应用

　　HFC可以利用STB或Cable Modem技术实现Internet高速接入服务，用户端的接入速率高达10 Mb/s，是普通电话线拨号上网方式的近千倍，解决了用户接入瓶颈问题。网络线路是永远开放的，无需拨号，只要开机就能使用网络。不占有电话线路，打电话、收看电视、上网可以同时进行，可拥有独立的IP地址。通过HFC宽带接入Internet几乎可以享受Internet网上提供的所有服务，如电子商务、网上教育、网上购物、电子邮件、WWW服务、电子多媒体邮件等。

4.2 在交互多媒体信息接入中的应用

　　可开通多套丰富多彩的互动网络电视频道，实现高速多媒体信息的链接，如教育频道、购物频道、财经频道、旅游频道、军事频道、科技频道、医疗保健频道、网上图书馆频道等。HFC还通过STB为用户提供数字电视节目。数字电视广播采用先进的信源压缩编码和数字通信技术，除了能为用户提供优质图像的多套电视节目外，还为用户提供电子节目指南（EPG）、视频点播（VOD）和按次付费电视（PPV）等，使用户在收看时间、节目内容等方面有更多的选择。

4.3 在智能小区管理中的应用

　　根据《全国住宅小区智能化技术示范工程工作大纲》，我国智能小区管理的最基本要求是能对室内和室外部分进行智能管理。室内部分主要能对水、电、气等自动计量、收费；对住宅火灾，有害气体泄漏等实行自动报警；对住宅设施设置的紧急呼叫系统进行监控等。室外部分主要能对住宅小区封闭，实行安全防范系统自动化监控管理；对住宅小区的关键设备与设施集中管理，对其运行状态实行远程监控。