浅谈基于有线电视网络的HFC宽带接入网.docx
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浅谈基于有线电视网络的HFC宽带接入网
浅谈基于有线电视网络的HFC宽带接入网
浅谈基于有线电视网络的HFC宽带接入网
摘要
本文对基于有线电视网络的HFC宽带接入网的技术进行初步分析介绍,对光纤同轴电缆混合网络-HFC宽带接入网络结构、双向传输的实现方式以及噪声问题进行探讨，全面分析了HFC接入网的传输系统。
关键字:
有线电视网络CMTSHFC双向传输光节点同轴电缆Cablemodem
目录
第一章有线电视网络HFC宽带接入技术简介2
1.1有线电视系统网络技术的发展2
1.2HFC技术简介2
1.3HFC网络的网络结构和主要部分组成3
1.3.1有线电视HFC网络网络结构3
1.3.2HFC网络的网络主要组成部分及CMTS与CableMode的通信机制3
1.4有线网络HFC宽带接入技术的优势5
1.4.1网络资源的优势5
1.4.2最后1千米的带宽优势5
1.5有线网络HFC网络的发展前景5
第二章有线电视HFC网络传输系统6
2.1有线电视HFC网络的传输网络结构6
2.1.1HFC网络的正向传输网络结构6
2.1.2HFC网络的反向传输网络结构6
2.1.3HFC的骨干设备CMTS的网络结构6
2.2有线电视HFC网络的前端机房传输平台系统7
2.2.1正向系统部分7
2.2.2反向系统部分7
2.3有线电视HFC光网络传输系统7
2.3.1光纤传输技术的特征7
2.3.2EDFA在光系统中的应用7
2.3.3光的复用技术8
2.3.4HFC光系统中光节点的规划8
2.4有线电视HFC同轴电缆网络传输系统9
2.4.1、HFC同轴电缆网络传输系统9
2.4.2HFC同轴电缆网络分配系统10
2.4.3用户分配网络10
2.4.4HFC同轴电缆网络双向传输的实现方式11
2.4.5HFC同轴电缆网络回传通道的噪声问题11
2.4.6HFC电缆分配网络的规划与设计12
2.5有线电视HFC网络终端系统12
第三章结束语12
中国有线电视开始于二十世纪七十年代，经过二十多年的发展，从无到有，从小到大。
今天，已经发展成为我国广播电视领域一支新兴产业。
中国有线电视技术从自力更生、白手起家，到引进国外先进设备，系统技术水平发展很快。
从VHF频段、全频道共用天线系统到750MHz、860MHz有线电视城域网系统，从同轴电缆传输到光缆、电缆、MMDS等多种传输技术的混合应用，从只传输模拟信号到模拟、数字信号的混合传输，从单向广播网到双向交互网络。
同时，先进的数据传输设备、数字传输系统以及计算机技术在有线电视系统中的成功运用，中国有线电视技术的发展日益接近国际先进水平。
今天已经确立了它在国家信息化结构框架“三网一平台”的基础网络地位。
有线电视技术先进，有良好的社会效益和经济效益，是国家的基础设施建设项目。
第一章有线电视网络HFC宽带接入技术简介
1.1有线电视系统网络技术的发展
有线电视系统的发展阶段。
充分借鉴国际上的先进技术，因地制宜地采用光纤、电缆、MMDS微波等传输技术，在省、市、县各行政区域范围内建设有线电视网。
目前．正朝着大容量、数字化、双向多功能等方向发展。
经过几年的网络实践，一个以传输广播电视节目为主的A平台和一个以传输数据为主的B平台已经取得成功。
既保证了千家万户收看高质量的广播电视节目，又为数据通信和各种信息的传输提供高速率、大容量、低资费、安全可靠的传输手段。
目前，我国大多数省市己开通采用数字技术的光缆干线，实现了全省、全市范围内的联网。
同时，全国骨干网采用先进的数字传输技术，为开展数字、数据传输业务提供了优质的服务平台。
我国有线电视进人了实现数字化、交互式高速多媒体信息网的实验阶段
1.2HFC技术简介
HFC（HybridFiberCoax混合光纤同轴电缆网）是一种发展前景广阔的通信技术。
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。
该网络是一个双向的共享媒质系统，包括前端和光纤结点之间的光纤干线，以及从光纤结点到用户驻地的同轴分配网络。
视频信号以模拟方式在光纤上传输。
光纤结点将光纤干线和同轴分配线互相连接。
光纤结点通过同轴电缆分配网为1000到500个用户服务。
这些被连接在一起的用户共享同一根线缆，并因此同时共享它的可用容量和带宽。
与传统的树形和分支形电缆网络相比，HFC大大减少了前端和住户之间的放大器数目，因此改善了信号质量，提高了可靠性（放大器故障是CATV网络上业务中断的主要原因）。
采用这种HFC拓扑结构还有其他几个优点。
光纤干线上不再需要放大器。
光纤的噪声干扰较小，同时其信号衰减也很小。
当确实出现放大器故障时，只影响很少的用户，故障定位也比较容易。
HFC采用860MHz的同轴网络它既要支持广播信息的传输，又须支持双向信息的传输。
目前广电HFC网络进行了电缆网络的无源改造，采用的是前端或分前端的光信号直接传输到光节点，然后光节点通过电缆分配网络直接直接带用户，省去了以前电缆网络中的放大器这一有源设备，大大提高了HFC双向网络的质量，每个光节点规定附带500个用户左右。
1.3HFC网络的网络结构和主要部分组成
1.3.1有线电视HFC网络网络结构
HFC网络网络结构现在一般为：
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1550nm或者1310nm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1310nm或者1550nm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。
1.3.2HFC网络的网络主要组成部分及CMTS与CableMode的通信机制
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。
在HFC网络中，前端机房的主要网络设备为CMTS，CMTS一般在有线电视的前端或者在分前端的机房，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.目前较为先进的CMTS用的是CISCO10012大型路由器，下行采用256QAM调制，带宽6M.处理能力较强。
CMTS出来的射频信号，和电视信号、DVB信号、以及用于设备网管的监控信号混合后，经光发射机调制为光信号，传输到线路的光接收机。
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10Base-T双向接口和1个承载SNMP信息的10Base-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256QAM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SNMPproxy代理模块
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.同轴电缆网络：
主要完成经光节点到终端用户双向HFC数据传输连接任务。
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。
用户终端设备主要是电缆调制解调器CableMode,此设备主要功能是接收CMTS下行载波信号，调制为数据信号，通过RG45接口与计算机网卡连接起来，提供数据的下行通道，同时将计算机上行数据信号进行射频调制,经本地网络传向前端的CMTS上，形成双向的HFC数据传输通道。
大多数广电公司目前CableMode的下行频率采用家的有线电视频率使用规定，采用573MHZ—591MHZ之间，中心频率向两边各延伸6MHZ带宽。
上行采用5-65MHZ频率。
其调制频率受前端CMTS控制，频率灵活可调,传输速率可达IOMbps.下行数据传输采用256QAM调制,6MH带宽,传输速率可达30Mbps以上,下行数据都采用前向纠错Reed-Solomon块编码技术,提高可靠性.CableModem具有安全管理功能,并支持多等级服务,可以提供虚拟局网业务。
CableModem的技术标准主要有三种：
（a）MCNSDOCSIS
美国标准，由美国有线电视运营公司成立的行业组织MCNS（多媒体线缆网络系统）起草的，ITU批准的J.112标准.目前大部分有线网络公司的HFC网络都采用此标准，下行带宽为6MHZ。
（b）DAVIC/DVB
欧洲标准，一般用在顶置盒系统中。
此种标准是将来发展的方向，下行带宽为8MHZ，目前多数广电正在向这一标准改造，这样更大的提高了用户的网速。
（c）IEEE802.14
目前市场上支持不多，但它希望能统一前两种标准，成为第三代的标准。
5.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。
（a）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。
（b）对服务类型的支持
DOCSIS1.1除了给每个CM分配一个48bit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CableModem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。
（c）CM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。
1.4有线网络HFC宽带接入技术的优势
1.4.1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。
1.4.2最后1千米的带宽优势
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64k，即使采用非对称线路环路系统（ADSL），也只能达到下行8M/上行1M。
广电网络“最后1千米”的带宽高达750MHz，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
1.5有线网络HFC网络的发展前景
传统的有线电视业务只为广大用户简单的电视业务，对网络资源的浪费比较大，当开通了双向的HFC网络后，可以提供较多的增值业务，如互动电视点播业务，Internet接入业务等等，同时对模拟电视的数字化平移提供了前期的准备工作。
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服务以及远程监控系统。
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
随着信息时代的到来，经济政治文化的发展和网络的关系日益密切，对网络的需量日益增加，而HFC技术也在不断的发展和更新，所以HFC网络的发展前景必将更为美好。
第二章有线电视HFC网络传输系统
有线电视HFC网络的传输系统比较复杂，包括使用设备的复杂性和技术的复杂型，包括了光系统的传输、也包括了电缆系统系统的传输。
不过光系统的传输主要设备都在前端机房，复杂部分在前端机房，而光传输系统的线路上较为简单。
电缆系统主要部分在线路上，传输中对信号强度分配以及连接头质量引起的噪声等问题对传输系统的要求比较高，电缆网络的质量的好坏对整个HFC传输网络的质量起着至关重要的作用。
前端系统中也有电缆系统，主要起到信号的分配混合的连接。
2.1有线电视HFC网络的传输网络结构
2.1.1HFC网络的正向传输网络结构
CMTS的下行射频信号，和电视射频、DVB信号、以及用于设备网管的监控信号经分支分配器的分配和混合，然后驱动光发射机，目前大部分采用的是1310nm波长或者1550nm波长的光发射机，也有少部分采用ITU波长光发射机，正向光发射机带宽一般为65-870MHZ。
经光发射机把射频信号转换为光信号后，经EDFA对光信号进行放大后，经过光分路器对光功率强度强度进行分配，然后通过光纤传输到线路上的光接收机，由光接收机把光信号进行光电转换，转换为射频信号，经电缆网络的分配，传输到用户终端的CableModem处，经过CableModem的解调后，把数据传输到计算机上。
2.1.2HFC网络的反向传输网络结构
计算机把数据信号传输给CableModem，经过CableModem的调制成射频信号后，经电缆分配网传输到线路上的光接收机处，经光接收机出的反向光发射机（反向光发射机带宽一般为5-65MHZ）的调制后转变为光信号，经光缆传输到前端机房，经反向光接收机把光信号转换为射频信号后，经过混合分配后，回到CMTS上行口。
2.1.3HFC的骨干设备CMTS的网络结构
CMTS一般和分前端的骨干路由器相连接，骨干路由器采用主、备环型拓扑结构和总前端的骨干路由器向连接，通过骨干路由器连接到Internet上.
2.2有线电视HFC网络的前端机房传输平台系统
有线电视HFC网络的前端机房传输平台系统主要包含两部分，正向部分和反向部分。
2.2.1正向系统部分
主要设备为CMTS、正向光发射机、光放大设备EDFA、光分配设备光分路器、光纤配纤架等。
系统连接为CMTS的下行射频信号，驱动光发射机，经过光分配设备光分路器分配光资源后，传输到线路光节点。
2.2.2反向系统部分
主要设备为CMTS、反向光接收机、射频混合分配设备分支器等。
系统连接为CM的上行光信号，经过反向光接收机接收后，转变为射频信号，经过分支器射频混合分配后，回传到CMTS上行端口。
2.3有线电视HFC光网络传输系统
2.3.1光纤传输技术的特征
（a）光纤传输损耗小，可实现电视信号的远距离干线传输，保证电视信号的技术指标。
CATV系统中用于干线的同轴电缆，即使很粗（例如美国MC750电缆），在750MHz的损耗，也要40dB／km左右。
而采用波长1310nm的光信号，其损耗约为40dB／100km。
光纤的损耗比同轴电缆降低100倍。
显然，用光纤替代每隔几百米必须设置一台放大器的同轴电缆干线，可以实现跨越几十公里的直传。
彻底解决了干线放大器级联造成传输信号技术指标下降的问题。
（b）光纤频带宽，可以保证多路有线电视信号均衡地传输到各光节点。
（c）光纤无中继传输距离长，且抗干扰能力强，系统可靠性高。
（d）光纤传输技术不仅仅局限于传输有线电视信号，它为开展宽带综合业务传输提供一个开放平台，是宽带综合业务网的重要组成部分。
2.3.2EDFA在光系统中的应用
有线电视系统传输距离不太长时，我们根据同轴电缆的特性，采用分支分配结构就能构成较为经济的电视电缆系统，而在有线电视传输距离较远、范围较大时，我们通常采用光缆、电缆组合搭建HFC网络，在HFC网络的光纤部分我们也可利用分支器件来搭建成本较低的系统。
实际应用中，我们通常采用光分支来实现同一光源带更多的光节点，同时为使光信号传输距离更远，必须对光信号进行放大，以补偿光分支损耗和光纤损耗。
解决这一问题的传统方法是采用光电中继器，而这种光/电/光的变换和处理方式已满足不了现代通信传输的要求。
掺铒光纤放大器直接对光信号进行放大，无需转换成电信号，并且具有输出功率大、增益高、工作频带宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点，因此它已成为现代光通信系统的关键器件之一。
光传输系统中，EDFA应用形式很灵活，EDFA用在前端光发射机输出端，提高发送功率，延长传输距离；用在光纤传输链路中，补偿光能量的损失，可增加传输距离；用在光接收机前，对信号进行预放，从而大大提高光接收机的接收灵敏度。
EDFA在光传输网络中应用，由于输出光功率高，所以可以分配出来许多路光信号，以带整个前端区域的光接收机，同时EDFA还可以串连。
这样以来大大简化了光系统的复杂性，同时也降低了光系统的成本。
在CATV系统中，EDFA应用形式很灵活，EDFA用在前端光发射机输出端，提高发送功率，延长传输距离；用在光纤传输链路中，补偿光能量的损失，可增加传输距离；用在光接收机前，对信号进行预放，从而大大提高光接收机的接收灵敏度。
以下图（见图一）为例简单说明光网络的传输结构，以及EDFA在光网络中的应用：
EDFA
RF
光发射机
光节点
光缆
EDFA
光分路器
光分路器
2.3.3光的复用技术
由于光的复用技术使用和光纤的复用技术使用，使光纤传输系统具有很大的传输容量，在系统中实行着多工传输。
（a）空分多工：
（SDM）。
（上下各一光纤）
（b）时分多工：
（TDM）。
（c）波分多工：
（WDM）。
（d）副载波多工：
（SCM）。
2.3.4HFC光系统中光节点的规划
（a）光节点的位置
光节点应设置在服务区的中心建筑物内，以达到尽量减少延长线电缆传输的最远距离，并减少延长放大器的级联的目的。
进而降低传输信号的噪声和非线性失真。
（b）光节点服务区的划分
应按照各建筑物内的用户数量，将相近的建筑物组成500左右的服务区。
由于不同结构的建筑物中的用户数量差别较大，因此不宜按照建筑物数量划分服务区。
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100dBμV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。
（c）FTTLA技术的应用
HFC网络应采用光纤到最后一级放大器（FiberToTheLastAmplifier，缩写为FTTLA）的结构，FTTLA结构的光节点后接无源同轴电缆网，每个光节点服务100~500户，这是因为有线电视HFC网今后将要为用户提供双向业务，HFC网目前采用的光纤到服务小区（FiberToTheServiceArea，缩写为FTTSA）结构光节点后的同轴电缆上要接2~3级射频放大器，每个光节点服务1000~2000户，这种结构由于引人的噪声较多且服务的用户多因而不适应网络的发展，虽然FTTLA的成本比FTTSA高20%，但FTTLA结构中光纤离用户最近易于升级到光纤到户，因而采用FTTLA结构将是有线电视HFC网今后的发展方向。
2.4有线电视HFC同轴电缆网络传输系统
HFC同轴电缆网络，作为HFC网络中很重要的一部分，其规划设计，从规划思路、设计标准、技术指标、施工工艺规范等方面，与传统的有线电视网络都发生了很大变化。
2.4.1、HFC同轴电缆网络传输系统
包括光节点中的正、反向RF放大模快、双向延长放大器、线路分支器、分配器、供电器、同轴电缆等。
光节点中的正向光接收机将下行光信号转换成电信号后，经置于光节点内的RF宽带放大器放大至较高电平，再由延长线上的延长放大器、同轴电缆和线路分支、分配器，将信号下行信号分路传送给各分配系统。
来自分配，系统的反向回传上行信号，从分配放大器的输入端口沿着正向传输的途径进行反向回转，经同轴电缆、线路分支器、分配器、延长放大器，进入光节点，送人回传激光器。
这部分主要由轴电缆连接，构成了HFC同轴电缆网络系统。
同轴电缆的传输特性：
（a）特性阻抗：
75欧姆
（b）衰减特性：
高频衰减大于低频衰减。
细芯径电缆衰减大于粗芯径电缆衰减。
衰减与电缆长度成正比。
（c）温度特性：
随温度的升高，电缆的衰减量增大。
一般电缆的温度系数约为0.2%／度。
（d）屏蔽特性：
优质的电缆外导体有良好的屏蔽作用，传输信号不受外界干扰，也不会向外幅射、干扰其它信号。
同轴电缆的屏蔽特性用屏蔽衰减表示，单位为dB。
（e）机械特性：
包括抗弯曲性能、防潮抗腐蚀性能和结构稳定性。
2.4.2HFC同轴电缆网络分配系统
分配系统包括双向分配放大器（即楼头放大器），分支器分配器，双向用户终端和同轴电缆等。
延长线路将下行信号传送到各分配放大器的输入端。
分配放大器将信号放大至所需电平后，经过同轴电缆、分配器、分支器，传送给每个用户终端。
来自用户的反向回传上行信号，从用户应用设备的回传发射机，通过用户电缆回送人用户终端，经过分支器、分配器和同轴电缆，送到分配放大器的输出端，经分配放大器放大到合适的电平，从分配放大器的输入端送入传输系统。
2.4.3用户分配网络
（1）住宅建筑（楼房）用户分配网的组成作为住宅小
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