有线电视网络宽带资源的利用

zjol

2003-04-07 中国有线电视


从20世纪末开始，信息电子和网络技术的飞速发展已成为现代通信及传播产业巨变的主要推动力。媒体的竞争与变革、现代社会对信息的需求、Internet的飞速发展和商业化、大量免费的电子资源、PC成为信息家庭的必需品等，这些因素都导致了信息的存储空间和网络通信量的增加，同时由于人们的生活、工作节奏的加快，很低效的信息载体和网络通信已经不能满足人们的需求，人们开始呼唤信息高速公路时代的到来，作为3大公用网络之一的有线电视网在经历了发展和逐步完善的过程以后，如何利用自身特点，加强宽带频道的利用，加快综合业务的开发，成为向综合信息传播媒介过渡的一个重要课题。

1有线电视网络资源的概况

有线电视网是指以同轴电缆、光纤为主要传输媒介的电视广播系统，这是一个集节目组织、节目传送及分配于一体的区域型网络。现有的有线电视网一般都是星树型拓扑结构的单向光纤同轴混合网（HFC） ,它采用单模光纤作传输干线 ,同轴电缆作接入介质 ,在有线电视前端用模拟光发射机（一般采用AM-VSB调制）将CATV信号转换成光信号后传输到服务小区的光接收机（光节点） ,由光接收机将光信号转换成电信号后再经同轴电缆分配网络传送到最终用户。

在我国有线电视网的建设中，最早的共用天线只是为了改善接收条件，一般是一个单位或一个小区有自己的一个内部网，慢慢发展到几个单位互联，这样就越联越大。原广电部从1995年底起，就开始了全国网络建设的统筹规划，截止1998年底，总投资已达2 000亿元的各省市有线电视网已经建成，有些地区和省市已实现互联，广播电视网络干线光缆总长已达25万千米，已经超过中国电信全网干线光缆总长17.7万千米，覆盖了50%的国土和70%的城市，用户数已达8 000万，并以每年500万户的速度增长，中国即将建

成世界最大的有线电视网络，目前广电总局只需再投入几亿元，广电光纤主干网就可以实现全国联通，这将带动计算机联网、交互式电视等相关信息产业的迅速发展。

一般有线网传输的仅仅是几十套模拟电视节目，这些只占用了有线网大约1/3的带宽资源，约2/3的带宽被闲置浪费，在这个网络上发展除基本业务之外的其他业务和增值业务应成为中国有线电视网络发展的必然选择。

有线电视宽带综合业务的种类很广泛，功能也很齐全，在不久的将来，互动电视、远程医疗、远程教学、网络学院、VOD（视频点播）、AOD（音频点播）、可视电话、IP电话、网上炒股、电子报刊、E-mail（电子邮件）、电子商务、网上购物、浏览网站等都会展现在人们面前。

2CATV网的优劣势

CATV网络与电信网相比，是一个高效廉价高带宽多功能而且抗干扰能力强的综合网络，它采用SDH（同步数字系列）和ATM（异步转移模式）相结合的方式构筑，这个光纤环网将成为我国第二大公用网络。

CATV网最大的特点和优点就是用光纤和电缆传输，它的带宽最高可达1 GHz，其中国家主干网的传输速率为10 Gbps，大部分视口实现计算机联网、上互联网以及电信服务等，有线电视的增值业务也将以收费低廉和省时高效的优势迅速为大众所接受。有线电视的受众80%是个人用户，因此使多媒体电视机以及计算机的迅速普及成为现实，也为我国加速进入信息时代奠定了良好的基础。目前世界范围内已有大约1.5亿个家庭使用有线电视，并且在将来的10年内还要成倍增长，有线电视在21世纪无疑将成为重要的信息媒体。

但不容忽视的是有线电视网在各城市是各自为政的，有750 MHz系统、550 MHz系统，甚至还有一些是450 MHz和300 MHz系统，这种情况不利于今后的城域网互联。另外更重要的是，有线电视网在最初建设的时候采用单向传播技术，而综合业务与Internet访问服务却是基于双向条件的，这种不统一将成为CATV网发展的障碍。

3CATV网的改造及其相关网络技术

为了充分利用有线电视网的带宽资源，各级广电部门正在高起点、高标准、高质量地对城域HFC网络进行升级改造，最终建成集视频、话音和数据于一体的具备综合功能的信息业务网。

（1）IP技术（网络互联协议）

IP是由计算机网演变而来的，它位于网络分层参考模型OSI（open system interconnection开放系统互联）的第三层（即网络层N），是一种无连接的通信协议。IP包是不定长的，通信时它在分组中携带了包括信源和信宿在内的路由信息，并在每一节点进行路由寻址。

它采用TCP/IP（传输控制协议/网络互联协议）网络协议，TCP/IP技术是一种适用于不同传输技术和传输媒体的广域网技术，它采用的底层接入网络协议是一种资源共享的方式，可以采用的底层接入协议有Ethernet(以太网)，PPP，X.25和Windows NT，且支持点到点连接，也可支持多点到多点的连接，采用分布式网络控制方式，没有全网统一的控制结构，这就导致TCP/IP技术不能为业务传输提供可靠的QoS（服务质量保证），在交换节点处，TCP/IP只能以简单的调整数据分组结构的方式来区分优先级。

在网络计费方面，目前TCP/IP计费功能只能在网络节点处完成，无法实现全网统一管理。IP技术从一开始就不是用来解决诸如物理信道可靠性（像SDH技术）和物理信道的统计复用以及信道的质量（带宽）保障（像ATM技术）这类问题的，IP网络无法提供带宽保障，这就是IP技术在当前整个通信网络中的局限性。但是IP技术因其设计思想的简捷实用和应用产品的丰富多彩，加上Internet（尤其是WWW环球网技术）的迅猛发展,而成为一统天下的计算机网络互联协议。在数据业务领域中，目前增长率最高的是IP业务，IP是大量商业和住宅应用的基础，IP已渗透到市场的所有领域和应用中，现在绝大多数桌面网络系统都采用了IP技术，可以说当前广电宽带IP网的建设已成大势所趋。

IP网之所以有如此强大的生命力，从技术上讲，主要得益于它的3大特点：一是分布式结构，二是端到端原则，三是IP over everything(IP网可以建立在任何传输通道上)，这为Internet的发展带来了极大的灵活性，IP业务即将成为未来发展的主流，我们在综合业务网建设的技术选型中必须充分认识到这一点。

（2）ATM技术（异步转移模式）

ATM是一种快速分组交换技术，它对应OSI的第二层（数据链路层DL），通过采用定长度信元（cell）和不同的虚通道或虚电路组合进行负载的传送。ATM具有包括语音、图像、数据在内的综合业务传送能力，通信时它需要建立、保持和拆除虚电路这样的过程。ATM技术具有与公用电信网兼容的信元和地址编码方式，它采用集中控制方式，所有通信连接均由网络进行统一管理，能提供良好的计费功能和完善的服务质量保证。ATM的网络扩展能力超过目前任何一种网络层的路由寻址协议，且具有完善的接口功能，供选用的传输媒体可以是光纤、同轴电缆和双绞线。

除ATM技术外目前还没有另一种技术可以将其他各种通信网络融为一体一并传输交换，因为要做到这一点，就一定要做到信道的统计复用和业务的质量保证。

（3）SDH技术（同步数字系列）

SDH技术基本处于OSI的第一层（物理层PH），它可以灵活地支持多种电路层业务，它不具备动态链路建立和交换功能，只拥有静态的电路交叉复用和交叉连接功能，SDH网络在通信中起着公共的物理传输平台的作用，它所特有的自愈环保护功能可以保障网络的安全可靠运行，它更适用于广域网或骨干传输网，能支持ATM或IP的传输。

综合以上这3种网络技术，SDH通常作为物理传输平台为各种业务提供透明的传输通道；IP是一种基于路由交换的技术，各种业务打包发送；ATM可以完全保证服务质量和完善的网关体系，但传输效率低，造价高。

目前有线电视常用的综合业务网技术模式

目前，在有线电视综合业务网的建设中存在着3种具有代表性的技术模式：

①IP over ATM（ATM承载IP业务）

IP over ATM是当前广电综合业务网建设中的重要技术模式，有相当一部分规模较大的有线电视网络采用，而采用这种ATM承载IP业务必须解决两个问题：一是需要解决诸如呼叫建立时间、连接接续期等问题；二是需要解决地址格式的转化问题，亟需解决IP地址（３２位）和ATM地址之间的映射问题。IP over ATM的优点是ATM作为面向连接的网络，可以提供IP业务的QoS；其次ATM参与IP网的寻址后，由于ATM的寻找路径及其他指标均优于普通路由器，因此提高了IP网的性能，提高了传输速率，缩短了传输时延。但IP over ATM也有缺点：一是内部开销较大，效率低，二是设备复杂昂贵，因此这种技术模式主要用于多种业务同时传输以及对服务质量要求较高的环境，故目前ATM网主要是作为电信级网络及广域网的骨干，对接入网不太适合。

②IP over SDH（SDH承载IP业务）

IP over SDH是将IP数据包通过PPP（点到点协议）直接映射到SDH帧上传输，它在本质上保留了IP网的无连接特征。鉴于SDH的网络特点，IP over SDH易于实现IP组播和兼容不同的技术体系，实现网间互联。IP over SDH的优点之一是提高了传输速率，但由于SDH仅仅是作为链路支持IP网，不能参与IP网的寻址，其作用只是将路由器以点到点的方式连接起来，提高点到点的传输速率，其本质仍然是个路由器网，因此IP over SDH不可能从总体上提高IP网的性能。SDH技术作为公共物理传输平台，随着密集波分复用DWDM技术的进一步发展，它应用于超长距离、大容量、宽频带、高速率的国家或氏为合适的，而用于现在的接入网则有点浪费。

③IP over optical/DWDM（光路上直接承载IP业务）

IP over optical最典型的应用是吉位以太网，它采用线速路由交换机和密集波分复用技术相结合的方案，省掉了中间的ATM层和SDH层，使IP包直接在光路上传输。这种方式的优点是显而易见的：一是简化了层次减少了设备，降低了网管复杂性，从而降低了成本；二是降低了系统的额外开销，提高了传输效率。其缺点是网络带宽有限，不能提供完全的服务质量保证，但是这个问题随着以太网技术进一步发展已基本得到解决，目前吉位以太网主要应用于局域网主干和数据传输领域。

4“最后1 km”问题的解决——宽带接入技术

目前比较成熟的宽带接入技术主要包括HFC，ADSL，LMDS，光纤直接接入和视网通等。

（1） ADSL（非对称用户数字线）是一种在普通电话线上利用“离散多音频”（Discrete multi-tone）的编码方式将Internet与用户连接起来的方式，ADSL在一对铜质电话线上支持的上行速率可达640 kbps~1.54 Mbps，下行速率达到1.5~8 Mbps，远远高于普通Modem的数据传输率，因此ADSL技术也是基于Internet的视频点播（VOD）应用、高速冲浪、远程局域网访问的理想技术。但ADSL信号在从服务商所在地发送到用户家庭的途中会迅速衰减，有效传输距离只有3~5 km，而国内ADSL服务商还远未达到星罗棋布的水平，因此偏远地区和乡村地区就无法享受ADSL带来的好处，甚至在许多大城市也是如此。

(2)LMDS（本地多点分配系统）是一种新兴的宽带无线接入技术，采用蜂窝式结构，由客户端设备、基站/节点和网络3部分组成，采用20~40 GHz的毫米波直线传输覆盖，每个基站覆盖半径约5 km。LMDS的可用带宽为1 GHz，下行传输速率可达155 Mb/s，它具有带宽高、通信质量好、可靠性高等特点，可提供多种宽带交互式数据及多媒体业务。LMDS的灵活快速建网为新的网络运营商快速打入市场带来了方便，不过它的发展没有在统一的标准基础上进行，且成本较高，尚处在起步阶段。

(3)光纤直接接入的“全光网”可以说是最稳定、最快、最宽的有线接入网，它的出现主要得益于PON（无源光网络）技术的发展，这种光网络不要求安装光收发机，因此降低了光纤网的成本，然而现阶段光纤接入的成本对个人来说仍然过于昂贵，即使在发达国家也很难迅速普及。

(4)HFC宽带接入是利用传输有线电视信号的同轴电缆，将视频信息传送到电视机的同时将数据传输到用户的计算机中，信号一般是在两个平台上传输，即A平台——广播电视传输平台， B平台——数据传输平台，模拟广播电视信号与数据信号采用同缆异芯方式分别在这两个平台上传输。实际应用中通常采用非对称速率型Cable Modem作为接入设备，下行速率高于上行速率，为3~10 Mbps，上行速率在200 k~2 Mbps之间。现有的城市HFC网络已初具规模，完成双向改造后就能实现诸如视频点播、视频会议、访问Internet等业务，并具有覆盖范围广、频带宽和持续时间长等优点。

5基于HFC网络的宽带接入方案

（1）Cable Modem技术原理

为使用户通过HFC网络高速接入Internet，Cable技术成为最被看好的接入技术,它在理论上可以提供极快的接入速度（下行速率最高可达36 Mbps，上行速率最高可达10 Mbps）。Cable Modem不单纯是个调制解调器，它也是一个协调器，负责数字信道与模拟电视信道的分离，是加密设备，同时还起到一部分路由与网卡的作用，是永久连接。服务商的设备与用户的Modem建立了一个VLAN（虚拟专网）连接，大多数的Modem提供一个标准的10 Base-T以太网接口，与用户的PC等设备相连。

在HFC网络的前端有Cable Modem前端控制器和管理工作站，前端控制器通过10 Base-T，100 Base-T或ATM，OC-3等接口与前端交换网络相连，作为Cable Modem系统与外界网络连接的桥梁。前端控制器负责为各个用户端的Cable Modem分配带宽，解决信道竞争问题。管理工作站作为集中管理工具，完成对Cable Modem系统的管理、计费、监测和错误诊断。管理工作站可以管理几十个前端控制器，它与前端控制器可以通过局域网相连，也可以通过广域网进行远程控制。用户端Cable Modem的基本功能就是将上行数字信号调制成RF信号，将下行的RF信号解调为数字信号。从整个网络来看，虽然HFC网是频分复用的，但某一频率上的信道则是被数以百计的用户共享，因此向同轴电缆网上的用户分配带宽和对信道争用进行仲裁就成为Cable Modem系统的关键技术之一，从这个意义上讲，Cable Modem是一种计算机网络设备，物理层和数据链路层的媒质访问控制子层（MAC）协议是它的关键部分。物理层的功能主要是数字信号的调制解调、前向纠错编解码等，调制方式主要有QPSK，16/64/256QAM等，通过对数据流进行FEC编解码，实现错误校验，最常用的FEC码是Reed Solomon码。MAC层的主要功能是在共享的单一信道中向多个竞争站点分配带宽，由于同一个信道有数以百计的用户竞争，为了保证效率，大多数厂家的产品都采用了划分时间槽的方式，每个时间槽作为基本的带宽单位，由前端控制器负责分配给用户。

Cable Modem下行传送数据一般是占用一条从550~750 MHz的电视频道中分离出来的6 MHz信道，采用64 QAM或256 QAM（正交调幅）调制方式，最高速率可达36 Mbps。Cable Modem采用一种视频信号格式来传送Internet信息，视频信号表示在同步脉冲信号之间插入视频扫描线的数据，数据是在物理层上被插入到视频信号的，数据流由一组4~5个复用子通道、一个控制信道和一些控制信息组成，数据流在被调制之前先按交织方式进行排列并经过扰码处理。每一条子信道经过格式化之后，分割为长度可变的数据块，每一个数据块分配一个独一无二的ID识别码。Cable Modem能够不用软件而只凭ID识别码来识别IP地址，对数据块进行筛选。每一个数据块采用RS码进行纠错编码，以确保无误码传输。Cable Modem采用幅度键控（ASK）突发解调技术对每一条视频线上的数据进行译码，形成以太网的数据，通过标准的10 Base接口输出到用户的PC设备。

根据上行传送方式的不同，Cable Modem主要分为双向Cable Modem和电话返回式Cable Modem两种。双向Cable Modem的上行数据一般通过5~42 MHz之间的一段频谱进行传送，为了有效抑制上行噪声积累，一般选用QPSK调制，QPSK比64 QAM更适合噪声环境，但速率较低，上行速率最高可以达到10 Mbps，而电话返回式Cable Modem则需要额外占用一根电话线进行上行传送，上行速率较慢，是对有线网络不做双向改造的无奈之举。Cable Modem技术基于IP协议，因而很容易扩展开通基于IP的业务，如IP电话、VOD业务等。

①IP电话

随着Cable Modem设备的推广，在有线电视网传输语音成为新的热点，目前很多Cable Modem产品预留有VoIP标准接口，增加一定的软件和硬件后，就可实现电话业务。在头端，CMTS从本地有线电视网络中接收解调射频信号，并将这些信号转化成一般形式的数据传输至主干网，同时还可以从主干网接收信号并加以调制，再发送到本地有线电视网络。在用户端，Cable Modem将模拟电话信号转化成数字信息包，再将数据调制到有线网的某个频率范围内进行传输，接收时将数字信号解码并发送到指定的终端设备（电话、计算机等）。目前，Cable Labs已经成立了专门的工作组来从事VoIP研究。

②ITV（交互式有线电视）

在对原有的CATV网络进行双向化改造后，HFC网成为可进行数据传输的交互式系统，因而可以开展多种交互式电视业务，用户可以利用现有的家庭信息终端如电视机、电话机及家庭计算机等，通过有线电视网与有线电视台的节目库或Internet相连，根据需求点播网络中的节目。

③DTV（数字电视）

在Cable Modem系统中，物理层的数字调制和解调技术符合DVB的要求，只要在有线电视前端和用户端增加视频编解码设备，就可以让用户收看到数字电视节目，同时避免数字电视广播的重复投资，减少用户端设备的成本。

（２）视网通技术

视网通接入技术是根据我国有线电视网络特点研发的一种基于有线电视同轴电缆的宽带传输系统，该系统的主要设备有：视网通头端设备、路由器设备、中继器设备及用户端设备等，因为它利用光纤的富裕纤束来收发数据信号，所以不必对现有的网络进行大的改造，就可以利用有线电视电缆传送以太网信号。

视网通系统小区接入点的MCBASIC10/100 M自适应光收发模块与机房的MCBASIC10/100 M自适应光收发模块中间用有线电视HFC网络光节点富裕的两芯光纤（收发数据信号分开）相连，然后通过该光收发模块的以太网口的五类线与视网通系统的头端设备相连，头端设备出来的数据信号与模拟的有线电视信号混合，通过同轴电缆与跨接在放大器两端的视网通路由器相连，路由器通过同轴电缆与视网通的中继器相连，中继器再与用户端的视网通用户盒相连，视网通用户盒输出一根五类线与用户终端计算机相连，一根同轴电缆与电视机相连。视网通系统的参数规定，信号传输过程中，任何两个视网通设备之间的电平损耗不得超过37 dB,实际应用中不能超过26 dB，否则将会影响到数据信号的传输，甚至无法联通。

6结束语

随着我国有线电视网络覆盖率的逐步提高与产业化改造步伐进一步加快，可以预见，有线电视将成为新兴的ISP，有线电视网将把我们带入一个无比广阔的宽带时代。