城域双向有线数字电视网设计.docx

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城域双向有线数字电视网设计

现代城域双向有线数字电视网设计

焦方性

1、整体思路

1、1基本要求

1、1、1十一五规划是建设有线电视网的根本大纲

2006年3月14日，十届四次人大批准的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》第十五章积极推进信息化，第三节完善信息基础设施，全文如下：

“积极推进“三网融合”。

建设和完善宽带通信网，加快发展宽带用户接入网，稳步推进新一代移动通信网络建设。

建设集有线、地面、卫星传输于一体的数字电视网络。

构建下一代互联网，加快商业化应用。

制定和完善网络标准，促进互联互通和资源共享。

”

纲要的解释权在人大。

为了利于贯彻执行，必须首先正确理解。

以下仅是个人的理解，可能会有偏差，应以人大的解释为准。

纲要中总共提到四种网络：

宽带通信网；

移动通信网；

集有线、地面、卫星传输于一体的数字电视网络；

下一代互联网。

纲要中对各种网络的统一要求是：

三网融合、互联互通、资源共享。

纲要确定了有线电视在信息基础设施中的地位，同时指明了发展方向。

三网融合，从强调建设四种现有网络的角度看，显然不是指这些物理网络的合一，而是指在四种网络之中，数据、声音、电视三种业务的融合；

互联互通，显然是指要打破各种物理网络之间的相互封闭状态。

有线电视网要做到互联互通，基础是信号数字化、协议基于IP、编码采用和其他网络相容的方式；

资源共享，显然是强调充分发挥各种媒体资源的社会效益。

有线电视网，既可以使用其他网络的数据、声音资源，也可以把自己的电视资源提供给其他网络。

当然，都应该是市场化运作。

1、1、2知己知彼、扬长避短

各种宽带网络开展三网融合、互联协议电视IPTV业务各有优劣势：

电信网的非对称数字用户线ADSL、ADSL2+、甚高速数字用户线VDSL，用户多、能交互；但是，设备配置需升级、线路老化需更新、点击反应速度慢、电视清晰度差。

以太网是最集约化的网络；但是需全线更新为更高级别的线速路由交换机，才能适应大流量的互动电视业务。

移动网是最方便的随身网络；但是流量小、价格高。

有线电视网是最佳大容量透明传输网、是最佳广播网、是唯一兼容模拟和数字信号的网络、是目前唯一可传输高清晰度电视HDTV的现实网络。

但是，数字信号为适应有线电视频分复用FDM传输，必须使用大量调制解调器；信号幅度小，容易被干扰。

四种网络之间既是共存关系，又是竞争关系。

当前，有线电视网受到的最大挑战，一方面是来自广电外部的IPTV，另一方面是来自广电内部的卫星直播电视。

我国采用先进的卫星广播系统ABS-S编码的，卫星直播电视的优点是接收方便、节目量大；缺点是没有用户喜闻乐见的当地节目、难以交互。

有线电视网应该充分认识其他宽带网络和卫星直播的优劣势，充分认识自己的优劣势，知己知彼、扬长避短，方能立于不败之地。

建议：

应该及时增添HDTV广播电视节目；

应该尽可能多地传送各地标准清晰度电视SDTV广播电视节目；

应该尽可能多地传送当地喜闻乐见的SDTV广播电视节目，以及面向不同人群的广播信息服务业务；

应该尽快开展准视频点播N-VOD、分时段时移电视的业务。

以上四项都是广播业务，单向网络、双向网络都可以开展。

应该在双向网改造的基础上，尽快开展基于IP、H.264编码、SDTV的真视频点播T-VOD、自选时移电视、以及面向不同人群的双向信息服务的业务；

因地制宜、审时度势开展数据接入、IP电话的业务；

严把调制器、电缆调制解调器、机顶盒的选择采购关；

用户机顶盒的切换速度不得慢于1秒，智能化程度应尽量高。

尽快完善MPEG-2和H.264解码兼容、SDTV和HDTV兼容、HDMI接口、个人视频录像机PVR功能等，并努力提高性价比；

网络建设过程中，先培训后上岗，严格执行规范，严格专业分工，边分段施工、边分段验收，层层严把质量关。

尽最大努力消除连接隐患，各分段工程验收的一次合格率必须达到99%以上。

2004年之前，美国有线电视业收入远远落后于电信业；经过2000~2004年的交换式数字广播加双向光纤电缆混合网SDB+HFC改造，2004年开始，有线电视业的收入反超电信业，而且逐年增长。

美国有线电视业的成功，证明了SDB+HFC的强大生命力。

美国人能做到的，我们一定也可以做到。

我国双向HFC改造成功、双向业务收入稳步增长的城市，公认比较突出的有：

直辖市上海、计划单列市深圳、省会市太原、广东地级市江门、云南地级市曲靖等。

这些城市的成功，证明了双向HFC在我国也是可行的、是稳定的、是有生命力的、是可以增值的。

但是，我国已延续十年的双向HFC改造，总体情况很不理想：

实践改造的少，徘徊观望的多；

改造成功的少，改造失败的多。

认真研究解决阻隔、屏蔽、接地、腐蚀问题的少，大轰大嗡地上、稀里哗啦地下的多；

改造失败了，认真追根朔源、总结教训的少，武断地认为双向HFC行不通的多。

应该大力宣传美国的成功经验，大力宣传推广我国成功城市的经验，坚定双向HFC改造的信心。

1、1、3双向是生存发展的基本出发点

建设现代城市双向有线数字电视网，应以开展双向交互式业务为基本出发点。

只有双向才能交互；只有双向才能把广播系统变成通信系统；只有双向才能满足不同人群的个性化需求，才能使用户感到需要、离不开。

严酷的现实是，其他宽带网络天生就是双向的，只有有线电视网，以前是单向的，没有交互业务的功能，越来越不适应人们日益增长的个性化需求。

在各种网络三网融合激烈竞争的大潮中，有线电视网犹如逆水行舟，不进则退，倒退是没有出路的。

只有建设一个好的双向网络，有线电视网才能继续生存，才可持续发展。

1、1、4可靠性决定命运

现代城市双向有线数字电视网，必须具备实用性、先进性、规范性、可靠性、冗余性、管理性、发展性、性价比。

网络应可提升现有业务、适应未来需求。

现代城市双向有线数字电视网，是一个集数据、声音、电视于一体，三网融合的通信系统，欲使用户切身体会到需要、离不开，系统运行的可靠性是第一要务。

可靠性决定成败，可靠性决定命运。

必须按电信级的标准要求可靠性，年无故障工作时间，必须达到≥99.99%，即，任一用户年有故障时间必须≤52分33.6秒。

网络可靠性的相关因素：

设备的平均无故障工作时间MTBF尽量长；

设备散热好、工作温升低；

设备数量尽量少；

关键设备应可热插拔；

关键设备应可主备切换；

关键设备应可网元管理，网管可靠性比被管设备高一个数量级；

电缆调制解调器、双向机顶盒应可报告工作参数；

主干网络双路由；

串行环节尽量少；

尽量不停电供电；

施工工艺严格；

调试设置准确；

维修养护及时。

1、1、5NGN与IPTV

未来的有线宽带网络，是国家信息基础设施的智能光纤网，光纤到户，将替代目前所有的有线宽带网络，在此之前重点是发展下一代网络NGN。

下一代网络NGN，是一个分阶段演进的过程。

基于分组交换技术和IP互联协议，网络具有分布性、开放性、标准性、可管理性，功能的实现与各种保证QOS服务质量的宽带传送技术相对独立，提供数据、声音、电视各种服务，用户可以自由接入不同的业务提供商。

NGN包括：

下一代互联网NGI，以IPv6及网络技术为中心，改进TCP/UDP等协议；

下一代电信网NGT，以软交换技术为核心，向IP多媒体子系统无缝演进；

下一代移动网NGM，以3G及3G演进为中心，全IP网络结构；

下一代有线网NGC，DVB-IP及IP软交换，交换式数字广播SDB。

综上所述，IP无所不在，IP必由之路，IP众网所归。

IPTV是流媒体业务的一种，是各种NGN的典型业务。

IPTV集互联网、多媒体、通信、广电、NGN等技术于一体，提供数据、声音、电视三重播放TriplePlay、三网融合的业务，可利用各种互联互通的宽带网络设施运行，终端可以是电视机、计算机、移动终端如手机、车载机顶盒、笔记本电脑等。

1、1、6IPTV、MPTV及EPON

1、1、6、1IPTV和MPTV

三网融合的网络，占用网络资源的比例：

数据≤1%、声音≤9%、电视≥90%。

所以，宽带网络今后面临的主要问题是：

大容量、高质量的互动电视。

也可以说，今后的宽带网络就是互动电视网络。

IPTV有两个不同的含义：

IPTV1.0（InternetProtocolTV）互联网协议电视，从信息导向的计算机网络转变为娱乐导向的电视网络尚需时日，难以应付大规模互动电视通信，安全性（信息安全已解决、网络安全未解决）、QoS、可管理性至今仍然是难题；

IPTV2.0（InteractivePersonalTV）个人互动电视，使用类似电话网络的结构和现代计算机技术，提供安全、质量保障和可管理，可用于多媒体、娱乐、和高质量互动电视。

IPTV2.0的核心技术在网络本身，其中包括创新网络架构、创新服务协议和创新交换原理，以保证单次呼叫的服务契约为基础，达到在重载网络负荷下完全的QoS。

MPTV（MediaProtocolTV）多媒体协议电视，就是典型的IPTV2.0系统。

宽带网络提供互动电视服务，IPTV用数据包，采用多层网络转发；MPTV用流媒体，只有在呼叫开始和结束时才需要处理，处理的复杂程度简单得多。

MPTV比IPTV成本低、效率高。

但是，MPTV还在初始阶段，还只有一些中小型的实验网络，标准还有待完善和成形。

1、1、6、2上EPON还是上双向HFC

A、光纤到户和无源光网络PON

一根光纤必然要取代三根铜线。

光纤到户FTTH，是各种有线通信方式最后一公里殊途同归的最终解决方案。

人们对于高速数据和高清电视的向往，以及数字芯片每18个月性能提高一倍、价格降低一半的摩尔定律，加快推动着光纤到户的进程。

2004年，美、欧、日、韩等发达国家均已启动光纤到户。

2005年，武汉市政府规定，新建小区必须采用光纤到户的方案，费用计入建设成本，截止到2007年8月，武汉已有3万多个光纤到户的用户；上海电信、杭州电信，已经验收了光纤到户的试点工程；天津网通、青岛网通、广东电信、深圳电信等，正在规划实施光纤到户。

一些具有经济实力的大企业，也开始施行光纤到户，如青海油田。

由于我国幅员辽阔，各地经济文化发展水平不尽相同，近期，还不可能全部实现光纤到户。

必须清醒地认识到，光纤到户来势凶猛。

不久的将来，一旦光纤到户的户均总体价格，接近于铜缆到户的户均总体价格时，有可能出现雪崩效应。

一根光纤到户，具有排他性。

现在进入家庭的信息线是三根不同的铜线同时并存，同轴电缆、以太网组合线、双绞线，都在做着三网融合的业务，各有千秋、相安无事。

光纤到户，一根光纤取代了三根铜线，是名符其实的三网合一。

不能想象会有三根光纤到户；光纤到户了，也就不需要任何一根铜线了。

因此，有线电视必须随时关注光纤到户的发展，尽最大努力，争取光纤到户的主动权。

人们努力寻求光纤到户的网络形式，最终确定了PON。

PON的概念最早是由英国电信1987年提出来的。

光纤到户的最佳选择：

不是点对点的无源光网络（室外无有源设备，长光纤多）；

也不是点对多点的有源光网络（长光纤少，室外有有源设备）；

而是点对多点的无源光网络PON（长光纤少，室外无有源设备）。

PON的标准结构：

光线路终端OLT，连接光纤分配网ODN，通过无源光分路器POS分为若干路光纤，每根光纤连接一个用户的光网络单元ONU。

光纤到户，一户一根光纤，采用三波长稀疏波分复用CWDM技术：

起初是双向、双波长的数字基带信号，下行使用1490nm，上行使用1310nm；后来又增加了下行调制的数字或模拟广播信号，使用1550nm。

增加了1550nm电视调制信号的PON，有时又称为电视无源光网络VPON，不过，一般仍称为PON。

B、三种PON

异步转移模式无源光网络APON，始于1995年，2001年改名为宽带无源光网络BPON，源自国际电联ITU-T和全业务接入网FSAN，规范号G.983，基于异步转移模式ATM。

业务适应范围广；但是，传输速率较低，传输IP数据效率低，结构复杂，价格高。

千兆位无源光网络GPON，始于2001年，源自ITU-T和FSAN，规范号G.984，基于ATM，使用GPON压缩方式GEM。

传输速率最高，传输IP数据效率高，桌面速度高，适应未来业务；但是，结构复杂、价格高。

以太网无源光网络EPON始于2000年，源自美国电器和电子工程师协会IEEE和第一英里以太网EFM，规范号802.ah，基于Ethernet/IP的多点控制协议MPCP，在互联协议上传送声音VoIP、传输声音采用电路仿真业务CES，传输电视采用IPTV。

传输速率较高，结构简单，价格最低；但是，业务质量QoS低，开销大、传输效率低，桌面速度有待提高。

各种PON各有利弊，用那种PON各执己见。

不过，权衡利弊，实际新上的PON，大都采用EPON。

三种PON的比较

项目

BPON

GPON

EPON

下行线路速率Mbps

155/622/1244

1244/2488

1250

上行线路速率Mbps

155/622

155/622/1244/2488

1250

线路编码

NRB

8B/10B

分路比

64/128

32/64

最大传输距离KM

时分复用TDM

支持能力

TDMoverATM

TDMoverpacket

TDMoverEthernet

下行传输效率%

上行可用带宽Mbps

500（622时）

1100（1244时）

760~860

下行数据加密

搅动或AES加密

AES加密

待定义

业务质量QoS

高

低

产业链

被GPON取代

不完整

完整

成本

高

低

应用

技术复杂应用少

欧美原ATM处多

新建多选

C、目前的光纤到楼、铜缆到户

a、三种半EPON

由于光纤到户目前需每户几千元，造价太高，难以全面推广。

现在推广的EPON，演变成了光纤到楼、铜缆到户，只能算是半EPON。

ONU不是一户一个，而是多户一个。

铜缆到户部分有三种方式：

单向有线电视分配网+另铺以太网组合线；

在同轴电缆上运行以太网EOC，在光节点以下，数字基带信号经线速路由交换机，分出每户一根以太网组合线；调制信号经集中分支器，分出每户一根同轴电缆线；每一对以太网组合线和同轴电缆线，混合成一户一根单独的同轴电缆线，在用户端再分离出以太网组合线、同轴电缆线。

在混合时必须解决好以太网组合线转换为同轴电缆的三个问题：

平衡/不平衡转换、100/75Ω阻抗变换、相互隔离≥80dB；

双向有线电视分配网，光节点处加电缆调制解调器终端系统CMTS、边缘调制器EDGEIP-QAM，也有在ONU中加简易CMTS的廉价组合产品。

b、半EPON还是双向HFC

除非直接上光纤到户，否则，采用任何方案，都不可能一劳永逸。

采用半EPON的方案，当交互业务用户较多时，平均每户造价不算太高；当交互业务用户少时，平均每户造价较高。

只有已经具备以太网组合线的地方，才比较划算。

采用双向HFC的方案，光节点也可以到楼，光电网络都是宽带透明的，无论是不是交互业务的用户，双向通路已经到达所有的用户；只是多一个交互业务用户，多一对CMTS、CM配置。

较低的双向网络建设费用，和较高的交互业务建设费用，两部分平均每户造价几乎都是固定的。

而且，随着DOCSIS3.0的应用，CMTS的平均每户造价，将降低到目前的1/3~1/4左右，更具价格优势。

上半EPON，还是上双向HFC，应因地制宜、权衡利弊。

但是，无论如何，双向HFC是成熟的技术、有绝对成功的把握；而现在的铜缆到户的半EPON，毕竟不是光纤到户的全EPON。

1、2系统指标

1、2、1下行通路

频率范围，87~862MHz（GY/T106）。

1、2、1、1下行系统末端

载噪比C/N≥43dB（GY/T106）、

载波复合二次互调比C/CSO≥54dB（GY/T106）、

载波复合三次差拍比C/CTB≥54dB（GY/T106）、

信号交流声比HUM≥46dB（GB6510）、

噪声功率比NPR≥26dB（GY/T221，64-QAM）、

误码率BER≤10-11（GY/T221，24h、RS解码后，或15min无误码）；BER≤10-6（GY5075，STB输入前）、

调制误差率MER≥24dB（GY/T221，均衡关闭）。

1、2、1、2下行单级光链路部分

C/N≥50dB（GY5063）、C/CSO≥60dB（GY5063）、C/CTB≥65dB（GY5063）；

BER≤10-8（GY5075）。

1、2、1、3下行两级光链路部分

C/N≥48dB（GY5063）、C/CSO≥58dB（GY5063）、C/CTB≥63dB（GY5063）；

BER≤10-7（GY5075）。

显然，两级单级光链路指标的简单叠加，是达不到两级光链路叠加后的指标要求的。

为了保证两级光链路叠加后的指标，有两种方法可以做到，由于第二级光链路的数量远多于第一级，对第二级光发射机指标要求的高低，就决定系统造价的高低。

A、两级光链路均为直接调制

两级均应：

C/N≥48+10lg2≥51dB、

C/CSO≥58+15lg2≥62.5dB、

C/CTB≥63+15lg2≥67.5dB。

这种方法，对两级光链路的指标要求都很高，系统造价高。

B、第一级光链路外调制、第二级光链路直接调制

先令噪声按两级相同计算C/N≥48+10lg2≥51dB、第二级非线性失真按单级光链路C/CSO≥60dB、C/CTB≥65dB执行，则第一级光链路的非线性失真指标应为：

C/CSO≥-10lg〔10（-58/10）-10（-60/10）〕≥62.3dB、

C/CTB≥-10lg〔10（-63/10）-10（-65/10）〕≥67.3dB。

这种方法，只是对第一级光链路的非线性失真要求高，外调制光发射机很容易做到；第二级光链路用普通直接调制光发射机，非线性失真就能满足要求，系统造价低。

1、2、2上行通路

频率范围，5~65MHz（GY/T106）。

NPR≥26dB（GY/T180）。

1、3并发流

并发流的数量，决定网络的广播能力和交互能力，决定HFC双向交互群体的结构。

双向有线电视网，是一个不对称的通信系统，下行通带是上行通带的（862－87）/（65－5）=12.9倍，上下行比例，基本适应三种业务的需求：

数据和电视对网络上下行流量要求不对称，下行远远大于上行；

声音对网络上下行流量要求对称，但是，与电视比，业务量很小；

由于每个CMTS（或其相应的一组捆绑的边缘调制器）的下行调制器可以对应多个上行解调器，只要保证下行流量，整个系统的交互能力就不成问题。

1、3、1频道、通道容量

1、3、1、1下行

按中国电视频道配置，每一个频道都是8MHz。

64-QAM时，每频道38Mbps；256-QAM时，每频道51Mbps；1024-QAM时，每频道64Mbps。

中国下行8MHz频道速率表

每Hz基本速率：

0.8bps/Hz

每频道基本速率：

r=6.4Mbps/8MHz

M（M-QAM点数）

128

256

512

1024

m=10logM/10log2

频道实际速率R=mr（Mbps）

25.6

32.0

38.4

44.8

51.2

57.6

64.0

C/N门限（dB）

17.7

20.7

23.7

26.7

29.7

32.7

35.7

有些地区，下行87~750MHz，共可容纳82个下行频道，数字信号的最大容量：

64-QAM时，82×38=3.1Gbps

256-QAM时，82×50=4.1Gbps

1024-QAM时，82×63=5.2Gbps

按照行业标准，下行87~862MHz，共可容纳96个下行频道，数字信号的最大容量：

64-QAM时，96×38=3.6Gbps

256-QAM时，96×50=4.8Gbps

1024-QAM时，96×63=6.0Gbps

2004年以来，一些国际大公司，已经将下行带宽上限扩展至1000MHz，下行又可以增加17个频道，变成了最多113个频道，数字信号的最大容量：

64-QAM时，113×38=4.3Gbps

256-QAM时，113×50=5.7Gbps

1024-QAM时，113×63=7.1Gbps

以下，均以目前行业标准的87~862MHz为准。

1、3、1、2上行

上行频道的信号速率，依不同的频道宽度、调制方式而不同：

最低的是0.2MHz、QPSK0.32Mbps；

现行最高的是6.4MHz、64-QAM30.72Mbps；

将来最高的是6.4MHz、256-QAM40.96Mbps。

上行频道速率表

0.8bps/Hz

信号速率（R=mr）Mbps

M（M-QAM点数）

QPSK

128

256

m=10logM/10log2

频道宽度

MHz

0.2

0.16

0.32

0.48

0.64

0.80

0.96

1.12

1.28

0.4

0.32

0.64

0.96

1.28

1.60

1.92

2.24

2.56

0.8

0.64

1.28

1.92

2.56

3.20

3.84

4.48

5.12

1.6

1.28

2.56

3.84

5.12

6.40

7.68

8.96

10.24

3.2

2.56

5.12

7.68

10.24

12.80

15.36

17.92

20.48

6.4

5.12

10.24

15.36

20.48

25.60

30.72

35.84

40.96

每一个解调器，只能解调一个选定的频道。

所以，上行通道的信号速率，依一个CMTS（或其相应的一组捆绑的边缘调制器）对应的上行解调器的数量有关：

1下2上时，0.2MHz、QPSK0.64Mbps，6.4MHz、64-QAM61.44Mbps；6.4MHz、256-QAM81.92Mbps。

1下4上时，0.2MHz、QPSK1.28Mbps，6.4MHz、64-QAM122.88Mbps；6.4MHz、256-QAM163.84Mbps。

1下6上时，0.2MHz、QPSK1.92Mbps，6.4MHz、64-QAM184.32Mbps；6.4MHz、256-QAM245.76Mbps。

1下8上时，0.2MHz、QPSK2.56Mbps，6.4MHz、64-QAM245.76Mbps；6.4MHz、256-QAM327.68Mbps。

1、3、2数据

电缆调制解调器终端系统CMTS，既是在有线电视网络中实现数据通信的设备，又是在有线电视网络中实现双向业务的桥梁。

下行接口速率应符合CMTS的能力，如不足，应采用代理服务器；上行接口速率，一般不成问题。

已知，电缆系统的数据业务接口规范DOCSIS有三类版本：

DOCSIS1.0/1.1。

时分多址TDMA上行，抗噪声能力差，需C/N≥25dB。

上行最大频道带宽3.2MHz，难以开展更高速率的数据业务。

已过时，不用；

现在主用DOCSIS2.0。

同步码分多址S-CDMA、先进的时分多址A-TD

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