HFC网络技术

HFC网络技术第1页第一章HFC网络概述1.1HFC网络1.1.1HFC网络的概念和发展HFC是HybirdFiberCoax的缩写，及混合光纤同轴网。光纤同轴混合网是这样一个网络：在局端有前端设备进行有线电视信号处理和数据信号的桥接，主干线路使用光纤或低损耗同轴电缆传输模拟和数字载波信号，在用户小区使用同轴分配网络分配下行载波信号，汇聚上行数据载波信号。按流向，HFC网络上存在上行和下行两种信号，下行信号以广播的形式从前端传输到各用户家中，上行信号则是点对点的形式从用户回传到局端。下行信号也叫正向信号，上行信号也叫反向信号。HFC网络是从有线电视网络发展而成，在有线电视出现时，网络规模较小，称作共用天线系统，网络线路一般由纯粹的同轴电缆组成。后来网络规模扩大，由于信号在电缆中得损耗较大，一般要每隔200-300m得距离上加入放大器中继，由于在加入放大器得同时也引入了噪声，经过多级放大器后，信号的载噪比下降到使用户的收视质量不能接受，因此靠纯粹的同轴电缆不能将信号送得太远，后来随着光纤技术的成熟，光纤被引入到有线电视网络，光纤具有损耗小、不受电磁干扰、传输带宽宽等优点。有线电视网络上原承载的业务一般只有电视和调频广播，这些业务都是单向的，只有从局端（前端）向用户的信号，而没有从用户到前端的信号，用户处于被动接受的位置。随着数据通信的发展，以及对承载网络的数据传输速率要求越来越高，人们自然想到了有线电视网络，因为有线电视网络在我国已进入了千千万万的用户家中，具有广泛的接入基础，而且网络具有很高的带宽能力，十分有利于开展高速数据接入。但原HFC网络是单向结构，也就是说信号只能从局端向用户广播，用户不能向局端发送信号，无法实现交互式业务，因此HFC网络需要进行改造，使之具有双向通信能力。目前我国一些地区的HFC网络已开始进行了网络双向改造并实现了宽带的数据接入。1.1.2HFC网络结构有线电视网络上传输的电视和调频广播是模拟信号，行业内人士称承载模拟信号的系统（网络和设备）为A平台，承载数据业务的系统为B平台。今后这两个平台在同一个HFC网络上面。HFC网络一般有前端、光传输系统和用户分配网络组成。图2-1是个典型的HFC网络。下面分别简单地介绍HFC网络各组成部分。HFC网络技术第2页调制器调制器调制器调制器解调器解调器混合器光发射机光接收机反向光发射机TVCMPCLAN反向光接收机CMTS上变频器GSR录像机摄像机天线卫星电视接收系统放大器放大器模拟前端设备传输系统数据前端设备用户分配/汇聚网络SERVEROSSSERVERSWITCH图1-1典型的HFC网络1.1.2.1前端前端一般包括演播室、监控电视墙和设备机房，机房设备完成信号处理和发送，设备大多是19”的宽度。A平台设备完成电视信号的处理，从各种信号源（天线、地面卫星接受站、录象机、摄象机等）解调出视频和音频信号，然后将音/视频信号调制在某个特定的载波上，这个过程称为频道处理。被调制的载波占用8MHz的带宽，载波频率有国家标准规定，一路电视信号就是一个频道。在前端多个这样的不同频率的载波被混合，混合的目的是为了将各信号在同一个网络中复用（频分复用）。HFC网络技术第3页B平台设备指数字网设备，完成数据的交换、路由，还包括HFC网络与数字网的桥接。在前端的数字设备一般有路由器、交换机、CMTS（CABLEMODEMTERMINATIONSYSTEM）等，还有各种服务器，如DHCP、DNS、等。为了能利用HFC网络将数据信号传输得更远，需要将数据信号进行调制，以利于在HFC网络上传送，CMTS就是完成桥接功能的设备。它将下行的数据信号调制在某个空闲的频道载波上，与有线电视模拟信号混合后一同送入HFC网络，广播到每个终端；同时将用户上行的数据载波信号进行解调，还原出数据信号，送入数字网设备处理。1.1.2.2光传输系统/干线正向信号（有线电视信号载波和下行的数据载波）在前端混合后送往各小区，如果小区离前端的距离很近，直接用同轴电缆就可以传送，在主干线路上的同轴电缆线路叫作干线。干线一般采用低损耗电缆，但一般300m左右的距离就需要加入放大器，干线上使用的放大器噪声系数较小。如果小区离前端较远，如5-30Km，这样的距离传送就需要采用光传输系统。请注意这里所讲的光传输系统不是指PDH或SDH，而是模拟的光传输系统，模拟光传输系统相对于数字传输系统，要求光端机有较高的发射或接受功率，以保证长距离传输后仍能使信号具有较高的载噪比。光传输系统的作用是将射频信号（RF）调制到光信号上，在光缆上实现远距离传输，在远端光节点上从光信号中还原出RF信号。光传输系统中的光发射机一般放置在前端机房，光接收机放置在小区。对于传输距离特别远的线路，可以在线路中加中继，将光放大后在续传。有些HFC网络为了节约资金，在光传输系统或主干线下还使用支干线传输，支干线用的同轴电缆一般较主干线同轴电缆稍小，损耗稍大，但成本要低。反向信号（上行的数据载波信号）的传输路径与正向信号相反。各用户的上行数据载波信号在远端光节点上汇聚后，调制到激光器上，从反向光发射机传送到前端机房，在前端机房从反向光接收机还原出RF信号，送入CMTS解调。正向信号和反向信号可以采用空分的形式在不同的光纤上传送，也可以在同一根光纤上采用波分复用的方式传送。反向光发射机与正向接收机可以构置在同一个机壳中，称之为光站。光传输系统结构如图1-2。HFC网络技术第4页光发射机反向光发射机光接收机反向光接收机分光器光接收机光接收机反向光发射机反向光发射机反向光接收机反向光接收机A小区C小区B小区前端图1-2光传输系统1.1.2.3用户分配网络用户分配网不仅完成正向信号的分配，还完成反向信号的汇聚。正向信号从前端通过干线（光传输系统或同轴电缆）传送到小区后，需要进行分配，以便小区中各用户都能以合适的接收功率收看电视，从干线末端放大器或光接收机到用户终端盒的网络就是用户分配网，用户分配网就是一个由分支分配起串接起来的一个网络。如图1-3。TVCMPC图1-3用户分配网络HFC网络技术第5页各用户的上行数据信号在CM中被调制，上行数据载波信号沿着正向信号相反的路径汇聚到光站上，分支分配器具有互易性，对正向信号起分支分配的作用，对反向信号起混合汇聚的作用。尽管上行数据载波信号从用户端到光站的线路与下行载波信号从光站到用户的线路相同，但由于下行信号工作在高端频率，上行信号工作在低端频率，在同轴电缆上的损耗不同而使两者在同样的线路上损耗不一致。1.1.3HFC网络的业务在原来的有线电视网络上开展的业务只有电视和调频广播，国家标准规定了频道的划分。不同的电视信号被调制在不同频道的载波上，这些载波混合后以广播的形式送到各家各户。目前在HFC网络上逐步开展起来的数据业务是交互式业务，不但有从前端送往用户的下行信号，还有从用户上传的上行信号。数据信号需要被调制到RF载波上才有利于在HFC网络上传输，上、下行载波信号以频分的方式在HFC网络中复用，按照DOCSIS标准，上、下行信号采用低分割的方式，即上行信号的载波频段是5--42MHz，而下行信号的载波频段是65--860MHz，而按照euroDOCSIS标准，上、下行信号采用中分割的方式，即上行信号的载波频段是5-65MHz，下行信号的载波频段是87--860MHz。我国采用的标准接近euroDOCSIS，但目前网上有许多设备是采用DOCSIS标准。下行数据被调制在空闲的频道载波上，与模拟电视信号载波一同广播到各家各户，因此数据载波与模拟载波也是频分复用。下行RF信号频谱（部分）如图1-4。图中频谱由2个模拟的电视信号频道和一个数据载波组成。每个模拟频道占8MHz带宽，模拟电视频道频谱低端是图象载波，高端是伴音载波。2个频道间是数据载波，占6MHz带宽。8.0MHz幅度dBmV8.0MHz6.0MHzHFCDSQAMDATA伴音载波伴音载波图像载波图像载波频率MHz0-10-20-30-40-50图1-4频道频谱HFC网络技术第6页用户的上行数据载波频率由CMTS上的设置决定，在5—42/65MHz的频段内，根据网络的噪声情况，挑选固有噪声小、突发噪声少的频带作为上行通道，CMTS定时下发这些通道的参数，某个CM（CABLEMODEM）上电时随机地选择某各上行通道作为自己数据上行的通路。在这个上行通路上可以存在多个CM的上行信号，上行通路在时间上被分割成许多段，各个CM分占这些时间段，时间段占的越多上行带宽越宽。同一通道中不同CM的上行信号是时分复用。上行RF信号是从千家万户的终端回传，是从多点汇聚到一点，存在噪声累积的问题。根据一些测试结果，大部分的噪声来自用户家中的电器，其次线路上由于电缆和接头屏蔽不良，也会引入外界噪声，设备本身也会产生噪声。如果线路设计或或改造不好，回传噪声过大，可能使CMTS不能从噪声中分辨出信号，或者解调出的信号错误较大，引起大误码甚至根本不能解调信号。由于上、下行通道的特性不一样，上、下行数据信号的调制方式也不一样。下行通道有载噪比高、下行数据量大的特点，下行数据需要采用较高频谱利用率的调制方式，而抗干扰能力不强调，一般下行数据信号采用256QAM或64QAM的调制方法；而上行通道由于存在漏斗效应，前端噪声累积严重，要求上行数据信号采用抗干扰能力强的的调制方式，一般采用16QAM或QPSK，这两种调制方式频率利用律较低，数据速率小。系统的主要性能分为上行通道和下行通道两部分。上、下行数据载波信号采用了不同的调制方式、不同的载波带宽，因而上下行信号的数据传输速率也是不同的。下行通道的频率范围为87～860MHz，每个通道的带宽为6MHz，采用64QAM或256QAM调制方式，对应的数据传输速率为30.342Mb／S或42.884Mb／S。上行通道的频率范围为5～65MHz，每个通道的带宽可为200、400、800、1600、3200kHZ，采用QPSK或16QAM调制方式，对应的数据传输速率为320～5120kb／s或640～10240kb／s。一个6MHz带宽的下行数据载波采用256QAM的调制方式，其数据传输速率可达40Mb/s；而一个3.2MHz带宽的上行数据载波采用16QAM的调制方式只有约10Mb/s的数据速率。这种非对称的数据传输速率与上网、点播等业务是相适用的。系统的每一个下行通道可支持500～2000个CableModem用户，工作时每个CableModem用户实时分析下行数据中的地址，通过地址匹配确定数据的接收。当用户数量较多时，下行数据量增大，每个用户的平均速度下降。例如，一个下行通道中有1000个用户，平均速度为40Mb／s/1000=40kb／s。这个速度是指每个用户同时下载数据的情况，实际传输中，系统可以动态地分配带宽，使某个用户在很短的时间内，占用一切可用的带宽完成数据的下载。因此，平均速度只是一个最小数据。在前述情况中，每个用户的实际传输速度应为40kb／s--40Mb／s。在上行通道中，数据传输速率比下行通道低，整个通道被分成多个时间片，每个CableModem根据前端设备提供的参数，确定使用相应的时间片。上行通道的带宽可根据所需的数据传输速率设定。在同样的带宽内，QPSK调制的速率比16QAM调制方式低，但其抗干扰性能好，适用于噪声干扰较大的上行通道，而16QAM调制适用于信道质量好且要求高速传输数据的场合。HFC网络技术第7页在CMTS设备中，为了减小上行通道的干扰，一个下行通道一般对应有多个不同频率的上行通道，CMTS根据信道的噪声状况自动跳频到干扰较小的通道，而用户察觉不到跳频的过程。1.2HFC接入技术的发展对大多数人来说，对通信网络的直观认识可能就是家里的电话接口和有线电视接口。确实如此，有线电视网和电话网是连接千家万户的两大网络，但是这两个网络的运行机制却是完全不同，在表1-1中对电话网与有线电视网进行了一个简单的比较，以加深对有线电视网络的认识：表1-1电话网与有线电视网对比电话网有线电视网传输信号形态二进制基带信号射