多媒体通信网络在CATV中的应用

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李建华：武汉大学计算机学院
     
     周　荣：武汉诚源科技有限责任公司网管研究室
     
     李丽华：中国联通赣州分公司于都经营部
     
     
     　　世界进入了互联网时代，中国也进入了这个时代。在这个时代到来的时候有很多新的机遇，其中一个机遇就是以现有的有线电视网络为基础，建立新一代的通信网络。
     
     　　一、引言
     
     　　多媒体通信是信息高速公路建设中的一项关键技术。它是近年来出现的一种新兴的信息技术，是多媒体、通信、计算机和网络等相互渗透和发展的产物。多媒体通信的广泛应用将会极大地提高人们的工作效率，减轻社会的交通运输负担，改变人们的教育和娱乐方式。多媒体通信将成为21世纪人们通信的基本方式，是目前各国在通信、计算机、教育、广播娱乐等各个研究领域研究的前沿课题。
     
     　　二、多媒体通信的发展背景和定义描述
     
     　　1、 多媒体通信的发展背景
     
     　　多媒体通信的发展首先是由于多媒体计算机技术的崛起。自90年代开始，多媒体计算机技术就成为计算机领域的热点之一。计算机在各个领域中的广泛应用使得人类社会的信息量爆炸性地增长，当技术发展到可以方便地处理各种感觉媒体时,多媒体计算机技术自然而然地出现并迅速发展起来。 多媒体通信中的“多媒体\'一词，指的是由在内容上相互关联的文本、图形、图像、音频和视频等媒体数据构成的一种复合信息实体；计算机以数字化的方式对任何一种媒体进行表示、存储、传输和处理，并且将这些不同类型的媒体数据有机地合成在一起，形成多媒体数据，这就是多媒体计算机技术。多媒体计算机技术综合和发展了计算机科学中的多种技术，与旧有的各种技术存在着联系，如操作系统、计算机通信、数字信号和图像处理等。它是以计算机为核心的集图、文、声、像处理技术为一体的综合性处理技术。随着科学技术的迅速发展和社会需求的日益增长，人们已不满足于单一媒体提供的传统的单一服务，如电话、电视、传真等，而是需要诸如数据、文本、图形、图像、音频和视频等多种媒体信息以超越时空限制的集中方式作为一个整体呈现在人们的眼前。在这种时代背景下，伴随着多媒体计算机技术与电话、广播、电视、微波、卫星通信、广域网和局域网等各种通信技术相结合，产生了一种边缘性技术——多媒体通信。
     
     　　2、 多媒体通信的定义
     
     　　描述多媒体通信是多媒体技术和通信技术的有机结合，突破了计算机、通信、电视等传统产业间相对独立发展的界限，是计算机、通信和电视领域的一次革命。它在计算机的控制中，对独立的信息进行集成的产生、处理、表现、存储和传输。这些信息中至少包含一个时间相关媒体（如连续的视频信号）或一个时间无关媒体（如离散的数据信号）。
     
     　　多媒体通信系统的出现缩短了计算机、通信和电视之间的距离，将计算机的交互性、通信的分布性和电视的真实性完美地结合在一起，向人们提供全新的信息服务。
     
     　　三、多媒体通信网络
     
     　　多媒体要通过通信网传送文本、图形、图像、声音、视频和音频等不同媒体。这些经过数字化的媒体对通信网也提出了不同的要求。文本、图形和图像属于不连续媒体，要求的平均速率不高，可是有很强的突发性和短时的高速率。声音、音频和视频属于连续媒体；其中声音和音频信号传输速率较底，但实时要求较高，视频信号则需要极高的传输速率。多媒体通信的发展要求有适合于传输多媒体信息的通信网。目前的电话网基本上是模拟网或者是数模混合网，其用户线是模拟的，只能传送模拟信号，传数字信息必须加调制解调器。不适合用作多媒体通信。计算机局域网采用分组交换技术，很适合数据传输，例如多媒体通信中的文本、图形和图像信息。但是分组交换对于连续媒体如视频和音频信号会带来很大的延时而影响传输质量。典型的多媒体通信网应具备容量大、时延小、可变比特率。目前国内外通信发展方向为宽带化、智能化、个人化及综合化，是B－ISDN还是宽带IP网将会成为将来进行多媒体业务的理想网络是当今的争论热点之一。
     
     　　四、走向宽带多媒体网络的有线电视网
     
     　　目前席卷全国的有线电视网（CATV）也是一个可利用的网络，它有1GHz的带宽，且宽带到用户，这是利用CATV进行多媒体通信的优势；但是由于目前的CATV是单向传输，并且该网络缺乏交换机制以及网络安全管理的功能，这就使得通过CATV提供双向对称/不对称业务非常困难，所以改造现有的单向网络变成双向网络，即在原有的树形广播网络中传输双向上行的信息是利用CATV实现除电视业务以外其他多媒体业务的关键。目前人们颇为看重的混合光纤同轴电缆网络（HFC）就是基于传统的同轴电缆CATV网络的进一步 发展的结果。下面我们就来探讨在CATV网络上实现多媒体通信的问题。利用有线电视电缆线，完全可以进行通信。这项技术发展到现在，已经成为一支足以和传统电信相抗衡的新生力量。
     
     　　1、 双向HFC网络的频谱安排
     
     　　HFC采用负载波频分复用方式，各种图像，数据和语音信号通过调制解调器同时在同轴电缆上传输，合理的频谱安排非常重要，既要考虑原有和现在的应用需求，又要考虑未来的发展。有关同轴电缆中各种信号的频谱安排尚无正式国际标准，但已有多种建议方案。考虑一个可能的多业务CATV网络典型的频谱分配方案为：
     
     　　低频端的5~30MHz共25MHz频带安排为上行（从用户到CATV前端）通道，即所谓回传通道，近来，由于随着滤波器质量的改进和考虑点播电视的信令和监视信号及数据和电话等其他应用的需要，上行通道的频段倾向于扩展为5～42MHz，共37MHz频带。允许在上行和下行（从CATV前端到用户）频带之间有一保护带。
     
     　　50～1000MHz频段用于下行通道，其中50～550MHz频段留给高清晰度电视（HDTV）和传输现有的模拟CATV信号，每一通路的带宽6～8MHz，因而总共可以传输各种不同制式的电视信号60～80路。 550～750MHz频段允许用来传输附加的模拟CATV信号或数字压缩节目频道，或用于传输双向交互型通信业务。假设采用64QAM调制方式和MPEG-2图像信号，则频谱效率可5bps/Hz，从而允许在一个6～8MHz的模拟通路内传输约30Mbps速率的数字信号，若扣除必须的前向纠错等辅助比特后，亦可大致相当于6～8路4Mbps速率的MPEG-2图像信号。因此这200M带宽总共至少可传输约200路VOD信号，当然也可利用这部分频带传输数据或多媒体以及电话信号。若采用QPSK调制方式，每3.5MHz带宽可传90路64Kbps速率的语音信号和128kbps的信令和控制信息，适当选取6个3.5MHz子频带单位置入6~8MHz通路即可提供540路下行电话通路！通常这200MHz频段传输混合型业务信号。将来随着数字编解码技术的近一步成熟和芯片成本的大幅度下降，550～750MHz频带可以向下扩展至450MHz乃至最终全部取代550～750MHz的模拟频段。届时这500MHz频段可能传输约500路数字广播电视信号。
     
     　　高端的750～1000MHz频段已明确仅用于各种双向通信业务，其中2x50MHz频带用于个人通信业务，其他未分配的频段可以有各种应用以及应付未来可能出现的其他新业务。
     
     　　上行带宽分配。各种双向业务频谱可以考虑将上行频谱最低的1MHz作为网络监视载波，它们通常是慢、窄、时分复用信号，而且如果需要，能容忍广泛地重发送。网络监视通常安排在比较嘈杂的信道。交互式业务，由于其性质、差异很大，例如简单的菜单选择和交易业，能容忍重发的延时，而实时的交互活动，如某些类型的视频游戏，则绝对不能容忍拖延。所有这些业务中，电话和个人通信是最不能容忍中断的业务，因为它们主要传输的是话音，对时间和顺序都很敏感，最能容忍中断的是分组通信，如互联网Internet访问业务，因为它总是在转发集中的包数据。