改造CATV网 实现三网合一

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杨赞　毛云琪
     　　CATV网已走过了半个世纪的历程，由于它具有得天独厚的宽带资源，令信息产业界巨头们对其刮目相看，并纷纷进入领域，于是在国际上掀起了一阵收购有线电视网的热潮。在国内，也是各路兵马各显神通，分别在CATV网上描绘未来信息高速公路的蓝图，一时间有线电视网成为国内乃至国际热点。本文将先容改造CATV网络，实现三网合一的技术措施、关键技术，及国内外有相关情况。
     
     　　改造CATV网的技术方案
     
     　　改造CATV网的技术方案很多，如国内清华大学设计的“宽带多媒体数据广播系统”、中国工程物理研究院开发的“YH2000高速信息电视系统”都可实现在现有的CATV网上传送图象、数据、话音，实现三网合一。但目前使用较多的较为广泛的是光纤同轴混合网（HFC），因此本文将主要先容HFC技术。
     
     　　HFC首先由贝尔实验室提出，是基于传统的CATV网发展起来的一种新型宽带用户接入网。HFC网主干部分采用光纤，光节点到配线盒使用同轴电缆，配线盒到用户端使用分配型同轴引入线。HFC实现双向传输的方式是在其光纤系统中采用空间分割法，分别用两根光纤传送上行和下行信号，而在同轴电缆中采用频率分割法。HFC技术将数字信号调制成QAM信号，并以频分复用方式把话音信号、数据信号、按需视频点播、模拟有线电视信号综合在一起，再调制到激光器上，以模拟方式在光缆和同轴电缆系统中传输，在接收端解调恢复为原来信号。
     
     　　与传统的网络相比，HFC光纤干线采用星型或环型结构，同轴电缆部分采用树型或总线型结构，从本地局到路边或小区光节点采用光纤星型结构，从小区光节点到用户树型同轴电缆，在小区光节点内进行光电转换或电光转换。在HFC网络中传输数字信息时，必须轻过宽带调制，将数字信息调制到模拟信道中传输。为使各种图象、数据和话音信息在HFC网络中传输，HFC网络采用副载波频分复用方式，将频谱资源进行合理分配。对于频谱资源的划分，目前还没有统一的国际标准，但有多种建议方案，HFC网络系统的标称频带有750MHz、860MHz、1GHz,用得较多的是750MHz，而1GHz是未来的发展方向。在国际上，大多数HFC网采用频谱分配方案。其中5-42MHz的频带用于传输上行电话、数据和电视信号；50-550MHz的频带用于传输80个NTSC制式（每个频道占用6MHz）或59个PAL制式（每个频道占用8MHz）的下行模拟电视通道；550-750MHz的频带用于传输下行电话、数据和压缩数字视频信号，采用VSB（残留边带）或QAM（正交调器）调制技术可以容纳200-800个基于MPGE2的视频信道；750-1000MHz频带预留给双向数字个人通信系统（PCS）.
     
     实现HFC的关键技术
     
     　　1.存在的问题
     
     　　在HFC网上开发双向高速数据业务，多数是采用带宽不对称方式，下行宽、上行窄。由于上行带宽窄且处于各种干扰频带之中，故噪声与干扰较大，造成系统可靠性差和传输质量降低。
     
     　　2.采用新的多址技术
     
     　　目前采用的多址方式有TDMA和FDMA，TDMA是为不同用户分配不同的时间位置，它存在对噪声敏感和争用的问题；FDMA是为不同用户分配不同频段，其效率低、设备复杂。目前提出了新的多址方式----SCDMA，可以解决HFC存在的问题。
     
     　　（1）SCDMA的原理
     
     　　传统的CDMA技术是在通信系统的发送端将每个用户信号与各自分配的伪随机码相乘得到扩频码，码字之间具有正交性，然后把扩频后的各种基带信号相加，再去调制射频载波，形成通带扩频信号进入下行信道传输。接收端根据各信号码型之间的差异分离出需要的信号，利用各信号码型之间的正交性来实现信号分割。上行传输过程为相应的逆过程。
     
     　　而在HFC双向传输中，条件不同，要求也不同，故需要改异步CDMA为同步CDMA(SCDMA)，其技术特点是：
     
     　　*在物理层，6MHz信道带宽是由多个数据流组成，这些数据流采用格栅编码并交错编织组成，每个数据流使用自己的扩展三而互相区别，并通过一定的保护带与其他通道隔离，消除对邻频信道信号的干扰。
     
     　　*在媒体访问控制层（MAC）采用同步技术，确保上行信号的相互正交和同步。这样可使所有用户信号同时到达网络前端，由于保证了所有用户数据间的同步性和正交性，可消除相互干扰和自干扰。
     
     　　*采用前向纠错和交错编织技术，加强了信号扩展，提高了数据流抗脉冲噪声、窄带干扰和高斯噪声的能力，从而降低了对系统载噪比C/N指标的要求，SCDMA要求C/N不低于10dB即可，而其他调制技术要求不低于20dB。　　*采用测距和均衡来保证扩频码的正交。即通过不断地测试前端和用户之间的距离，可确定信号在信道上的时延，以调整信号在时间上对齐，使所有的码字能同时到达前端。通过对信号的通道响应进行测量，以便前端根据通道响应的变化进行预编码来校正畸变，确保信号正交。
     
     　　*采用速率自适应调节技术，通过改变调制等级和动态调节发射功率来自动适应通道的动态噪声特性。
     
     　　（2）SCDMA的优点
     
     　　SCDMA技术解决了光纤同轴混合网（HFC）的几大难题：
     
     　　*对有限的上行带宽充分利用；
     
     　　*克服了上行噪声、干扰和非线性失真；
     
     　　*能动态仇配带宽和IP地址；
     
     　　*提高了双向传输业务的可靠性和保密性。
     
     　　3.消除回传通道噪声的方法
     
     　　噪声分为内部噪声和外部噪声两大部分。内部噪声主要是热噪声和散弹噪声，是无法消除的，只能尽量在设计上减少而已，它与网络实际结构、制造工艺有密切关系。外部噪声称为“侵入噪声”，这里主要谈入侵噪声的消除办法。
     
     　　入侵干扰噪声指侵入有线电视系统中、特别是回传通道中的任何干扰信号。入侵干扰的3个主要来源是：脉冲噪声、感应噪声和辐射噪声。入侵干扰有线电视系统类似于天线的性质而被接收，并与所需要的回传信号一起传输，导致回传频内产生电磁干扰。
     
     　　这3项入侵干扰是客观存在的，是不可避免的。最好的解决办法是尽量将噪声“拒之门外”，不使噪声进入反向通道，可在反向通道端口上利用无源设备消除噪声，使有用信号畅通无阻。目前主要的方法有高通滤波器、窗口式滤波器和传衰减器，一方面能清除回传通道的大部分噪声，另一方面允许反向信号传入系统。这些滤波器均是圆柱状，其体积小、密封焊接好、寿命长、隔离度高、且不影响系统指标，很受用户欢迎。
     
     　　在HFC上架构宽带ip网
     
     　　在城市HFC光缆网上采用带有光端口的吉位路由交换机，可直接在单模光纤上架构1000/100/10Mbit/s以太网，构成宽带城域网。计算机网络在发展过程中，由于采用不同的网络交换设备、集线器、路由器而分成局域网、城域网、广域网。随着吉位以太网的出现，原来划分的局域网、城域网和广域网的界限也将随之消失，吉位以太网可以用于局域网、城域网甚至广域网，只是采用不同速率的以太网而已。并且这些以太网具有相同的并与IP数据报一致的帧格式，中间不需要任何格式转换，实现无缝连接，IP数据报直接在光缆上传输，设备简单，效率高。
     
     　　基于HFC的宽带IP网的应用
     
     　　在有线电视网上架构IP网，可提供数据、话音、视频等多媒体综合业务，供企事业单位宽带接入因特网，并保证QOS。其主要应用如下：
     
     　　1.为ISP提供传输线路；
     
     　　2.出租端到端数据通信专线，保证带宽的QOS；
     
     　　3.实时音频、视频广播；
     
     　　4.传输数字电视、可视电话、IP电话、传真、会议电视；
     
     　　5.为企事业单位建虚拟专用网（VPN）；
     
     　　6.为企事业单位宽带接入因特网；
     
     　　7.开展电子商务、网上银行业务；
     
     　　8.开展远程教育、远程医疗；
     
     　　国内外CATV网的改造和建设
     
     　　1.国外情况
     
     　　2000年，AT&T企业计划在美国建设总额达160亿美金的HFC综合网，覆盖1470万用户。美国第二大CATV企业----时代华纳企业，已在美国加州圣地亚哥市建成了拥有480个光节点的HFC网络，其CATV网的50％已具有双向功能。美国太平洋贝尔企业决定投资160亿美金，建设能提供电视、电话和数据综合服务的HFC网络。
     
     　　随着光纤设备的降介，对原有同轴电缆系统宽带化的要求日益迫切，促进了日本HFC网络的发展。根据日本的调查，近年来新开通的有线电视系统中的HFC网络已占主流。HFC网络建设起步较早的范围，早在1996年每个月就发展4万多HFC电话用户。泰国、菲律宾、马来西亚等国也在建设或试验HFC网络。
     
     　　2.国内情况
     
     　　近年来，深圳、上海、大连、青岛、苏州、南京、广东等地有线电视台也都进行了双向CATV业务试验。现已实现开通的业务有高速Internet接入、计算机联网、视频点播、音频点播、网上购物、可视电话、电话、电视会议等内容。试验验证了有线电视网的关键技术，如何传噪声的克服、Cable Modem应用等的可行性，为各种功能的全面推广积累了经验。
     
     　　北京目前已建设有线电视光缆网3000多km，光接收机为2500余台，接入用户超过100万，可接收33个电视频道，其宽带IP网已于1999年2月开通运行，将各部委信息中心连通，市政府、各部委间信息快速交换已成为现实。北京有线广播电视网还将逐步向社会提供视频点播、电视会议、电子商务、高速数据广播和视频广播等多种信息服务。
     
     　　上海市正在进行“三网合一”工程试点，上海有线电视网在国内最早采用HFC结构，并已开始在有线电视网中试验电话和上Internet网等。广东有线电视台以750MHzHFC为市内传输平台，以2.5Gbit/s光纤干线网为省内传输平台，采用Cable Modem用户接入设备，于1997年建立了广东视讯宽带网。目前主要为用户提供电子邮件、因特网、企业虚拟专网等服务。
     
     　　深圳有线广播电视台采用星型结构，已建320多km的光缆，该台承担国家“九五”重点科研项目“深圳通信与有线电视综合业务网试验小区”，1997年通过国家验收，1998年投入运行，已开发了常规电视、会议电视、视频点播、电缆电话、股票交易、上网等功能。
     
     　　近年来，因特网的迅猛发展和TCP/IP协议的改进，使HFC越来越适用于提供多媒体和宽带实时业务。基于HFC网络建立一个宽带IP网，开展多媒体业务，将是未来的发展方向。