HFC网络技术教程

有线电视双向网技术中国传媒大学宽带网络争论所金立标博士1总前端IP网络核心路由、交换、传输分前端IP汇聚路由交换光节点OLT/分光器/其他设备用户电缆分配网CPE设备/终端设备广播STB交互STB/PC/智能终端接入分配网单向HFC网有线电视双向网用户端ONU/交换机/其他设备回传电缆网络双向光站CMTS分前端总前端广播STB一二级传输网光节点用户分配网城域网接入网用户端有线电视网络基本结构2一、有线电视网络的构造从功能上划分，我国的有线播送电视网络构造分为两大局部：干线网〔含国家级播送电视干线网和省级播送电视干线网〕城域网〔含地区级播送电视网以及县级播送电视网〕。31.干线网干线网分成两个平台：播送电视传输平台〔A平台〕和数据传输平台〔B平台〕。播送电视传输平台承受DVB〔HDTV、SDTV〕overSDH技术体制。干线网上的接口标准为符合ITU-TG.703标准的DS3〔45Mbps〕接口。数据传输平台主要为基于IPoverSDH的传输体制。4使用MPEG-2压缩技术，每套节目一般常压缩到4.5Mbps，6-8套节目信号复用适配成一个DS3〔45Mps〕，3个DS3复用成一个STM-1，用SDH的STM-16〔2.5Gbps〕可传输300多套MPEG-2压缩的数字电视信号。承受DS3适配器完成数据格式和接口的转换。DS3适配器与SDH网之间承受DS3接口，上传或下载数据信号；与广电网络的前端设备之间承受ASI接口，完成数据信号与TS流的转换。DS3适配器的形式可以是单独的设备也可以作为一个功能部件集成到其它的设备中。5B地市电视台机房A编码器DS3网络适配器SDH设备市到县光缆干线A地区县回传模拟信号V解码器DS3网络适配器SDH设备再编辑处理区县机房A地机房62、城域网广电宽带城域网是广电网络的重要组成局部，在地理位置上位于同一城市行政区划范围；在网络层次上位于广电骨干网之下，是广电骨干网在城域内部的延长和扩展；在网络功能上主要实现用户业务的接入、传输与会聚；起着广电上下网络互连和根底效劳平台的作用，不仅是我国广电事业进展的根底，也是我国广电产业开发的根底。广电综合业务城域网承载模拟电视、数字电视、模拟声音、数字声音等播送业务和交互数字电视业务以及互联网接入效劳、专线数据通信业务、IP等数据通信业务。72.1根本构造模型通常它由一个总前端〔HE〕和假设干分前端〔SE〕、一级和二级光链路干线、用户安排网络三大局部组成。一级光链路承受“路由走向环型、物理连接星型”拓扑构造；二级光链路一般承受星型拓扑构造，按需也可组成环型拓扑。892.2骨干网的A/B平台多中心的城域骨干网是一种A/B双平台构造。A平台为播送平台，将总前端收集到的无论是来自于卫星，还是来自于国家干线/省级干线的信号，以模拟的方式或数字的方式，分发到各个分前端。播送平台的总前端〔HE〕和分前端〔SE〕之间的连接的光传输也叫做“一级光链路”，承受的技术多以AM的模拟1550nm技术为主，也有较小的城域网络承受1310nm传输技术。10承载数据业务的平台是人们常说的B平台。目前多数城域网络大都承受IP技术组成宽带数据骨干网。骨干网是由主中心〔MC〕和多个分中心〔SC〕组成的能完成宽带城域网核心层加会聚层功能构件的集合。骨干网通常承受环型拓扑构造，也可承受双星型、网状拓扑构造。B平台的主中心〔MC〕和分中心〔SC〕与A平台的总前端〔HE〕和分前端〔SE〕的物理位置往往是全都的。11InternetInternet信息信息中心中心核心网络SC无线接入CMOUHFC接入（公众用户）

图2城域网交互信道结构模型

（骨干环型，多种接入方式）无线接入（公众用户）LANLAN接入（集团用户）LAN接入（公众用户）SCSCMC

MC：主中心

SC：分中心

CM：线缆调制解调器OU：光接收单元122.3城域网的接入网无论是A平台还是B平台，分前端，或分中心与用户家里的设备之间的接入还要依靠一个接入网络。这就是广电宽带城域网的接入网。对A平台的信号而言，该接入网络需要将从总前端过来的播送信号网络优质高效地传送到用户家里的电视机或机顶盒上。对B平台而言，接入网的功能是指从分中心〔SC〕至用户数据终端之间完成宽带城域网接入层功能构件的集合。13由前端设备、光节点和同轴安排网络组成的双向HFC网络，可以同时完成上述A平台和B平台的接入功能。是一种具备广电特征的宽带接入网络和多业务应用网络。从分前端至光节点的这局部光链路通常也成为“二级光链路”，以星型拓扑构造为主。同轴安排网络则以树枝型构造为主，放大器的级联不超过三级。最近，广电网络的接入除了双向HFC的方式以外，还消逝了“单向HFC”+PON+五类线或EoC的方式的方案。142.4广电城域网的实际构造不同的城市，由于掩盖的区域大小不同，实际网络分为以下几大类：a〕主前端/主中心+一级光网+同轴安排网/双绞线网+CM(STB)/网卡b〕主前端/主中心+一级光网+分前端/分中心+二级光网+同轴安排网/双绞线网+CM(STB)/网卡c〕主前端/主中心+一级光网+分前端/分中心+二级光网+三级光网+同轴安排网/双绞线网+CM(STB)/网卡152.5广电城域网的核心技术〔1〕IP〔InternetProtocol〕技术基于IP的宽带城域网技术有：千兆以太网技术GE〔GigabitEthernet〕、基于裸光纤的POS技术POS〔PacketoverSDH，orIPoverSDH〕技术〔2〕IPoverATM技术在异步转送模式ATM〔AsynchronousTransferMode〕上传送IP包16二、HFC网络根底

1、根本定义国际上标准化组织对HFC网络有三种建议：DVB建议、DAVIC建议、MCNS建议。a〕DVB建议：单向安排系统，以MPEG-2传送数据流〔TS〕为根底，不包括上行传输。b〕DAVIC建议：双向HFC网络，以MPEG-2为根底的HFC网络和以ATM为根底的HFC网络。c〕MCNS组织建议:HFC网络上的CMTS/CableModem系统。172.HFC网络存在的问题上行带宽过窄，只能够使用5MHz-65MHz，由于外界因素的干扰，一般只能使用20MHz-65MHz，因此，上行带宽实际可利用的频带只有45MHz。回传通道会聚噪声，形成漏斗效应。网络噪声的来源有三个方面：用户家庭的噪声：70%电缆接入：25%设备：5%183.HFC网络的拓扑构造3.1、“星－树”型一般小型城镇可承受这种构造。3.2、“多星－树”型一般中小型城市可承受这种构造。3.3、“环－星－树”型一般大中型城市可承受这种构造。194.HFC频率配置205、HFC光链路设计HFC网络光链路中的光纤都承受G.652单模〔SM〕光纤，光链路的工作波长有1550nm和1310nm两种波长可供选择。其次、三级光链路中应承受1310nm波长，在第一级光链路中可承受1550nm或1310nm波长；在地域掩盖较大的城市可优先承受1550nm波长，在地域掩盖较小的城市可优先承受1310nm波长。216、HFC共享带宽依据现有HFC网络分析，一台下行光放射机经分光后大致可以效劳2023到3000个用户，上行可用45MHz频段共享的用户数不超过500户。目前在数据业务缺乏的状况下，承受一台下行光放射机经分光后带多个光节点，承受“一下四上”或“一下六上”方式开展数据业务。随着反向业务量增加，下行光放射机的分光路数应渐渐削减，直至承受“一下一上”方式，以增加用户可用带宽。227、HFC光节点规模为了更好地开展交互业务，建议新建网络可承受500或250户建立一个光节点。假设仍承受2023户建立一个光节点，承受多端电输出口，承受星形安排，每个电平输出口效劳用户数尽量相等，以便利今后平滑升级到每光节点500或250户。这样做一方面可以削减反向噪声的会聚，另一方面也可以增加每个用户的平均可用带宽。238、HFC电缆安排网构造建议光节点用户数在200至300户的承受光节点输出高电平的电信号，然后通过分支、安排器无源送到用户。但是，要留意承受相应方式将回传电平损耗把握在确定范围之内，如30dB以内，以保障回传通道满足要求。也可以承受低输出电平的电信号，再加上1至2级安排放大器送到用户。249、数字电视与HFC网络HFC网主要是为模拟射频信号的传输设计的，它的主要技术指标是C/N、CSO、CTB。这三大指标是衡量网络能否传好模拟信号的检验标准。数字电视信号是离散的信号，衡量其质量的标准有误码率、载噪比、MER等指标。〔1〕技术指标2526〔2〕HFC网络系统消逝的故障现象也不同模拟信号的故障，一般是雪花点，网纹干扰等。数字信号消逝的故障是码赛克或黑屏。有时模拟信号还可以看，而数字信号是黑屏。造成这种现象的主要缘由是，HFC网络系统反射波，时延、抖动等引起数字信号严峻误码，C/N下降产生黑屏。这些故障对模拟信号影响不大，对于数字信号则影响比较大，且查找起来很困难。27三、CTMS/CableModem系统

HFC

Internet

常规模拟电视

数字电视

CMTS

本地服务器

Router

混

合

/

分

离

PC

TV

Phone

CM

宽带数据网络28CMTS与CM的通信过程为：在下行方向，来自路由器的数据包在CMTS中被封装成MPEG2-TS帧的形式，经过64QAM调制后与有线电视模拟信号混合输出RF信号到HFC网络，下载给各CM；在上行方向，CMTS将接收到的经QPSK调制的数据进展解调，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、测距治理以及给各CM安排TDMA时隙。29系统参数30四、CM的接入1.接入业务对带宽的要求在HFC有线电视网上，不同的业务运行会有不同的带宽需求，致使每个CM对网络有不同的接入要求。〔1〕网上扫瞄业务倾向于非对称的带宽要求，致使每个CM要求有一个上行和一个下行信道的支持，这正好与HFC有线电视网的非对称带宽特性相适应。〔2〕IP业务倾向于对称的带宽要求，致使每个CM要求有多个上行信道的支持。在一个地区有大量的CM通过同一个光节点接入时，为了供给足够的带宽和防止呼叫堵塞，需要供给CM能接入到多个上行中的一个信道的支持。31〔3〕IP流媒体视频业务倾向于特殊大的下行带宽的要求，致使每个CM要求有多个下行信道的支持。在一个地区有大量的CM通过同一个光节点接入时，为了供给足够的带宽和把多路IP视频流传送到多个CM，就需要供给CM能接入到多个下行中的一个信道的支持。〔4〕上述业务的组合应用业务带宽需求的状况就相当简洁，就可能需要有多个上行和下行信道的支持。该状况下，CM要能在多个上行之间和多个下行之间移动，CMTS的作用是治理与其相连接的全部CM的流量负载，即依据各CM的带宽资源需求和可用的资源，通过动态地移动CM，在多个上行和下行之间平衡流量。322.CM接入单个下行信道和单个上行信道例如假设CMTS有1个下行输出和4个上行输入端口，即有1个下行信道和4个上行信道；1个下行信道为共享信道，4个上行信道则分别位于独立的4根光纤上，并分别为4个社区的CM供给效劳。CMTS接入到一个下行光放射机和4个上行光接收机，而每个CM则经电缆安排系统接入各自所在社区的光节点〔双向光放射/光接收机〕，即每个CM共享一个下行信道和惟一的一个上行信道。前端CMTS与社区光节点之间承受了空间分隔的两根光纤〔上/下行各一芯〕连接，而社区光节点以下则是树枝型构造的同轴电缆安排系统连接各CM。如以以下图：33343.CM接入多个下行信道和多个上行信道例如每个CMTS均有2个下行输出端口〔fD0/fD1〕和4个上行输入端口〔fU0～fU3〕；构造见以以下图：35〔1〕构造1将CMTS的两个下行输出端口混合后接入到一个下行光放射机；将每两个上行输入端口也混合分别接入上行光接收机。这样，每个CM都可查看2个下行信道。〔2〕构造2将CMTS的2个下行输出端口和4个上行输入端口混合后分别接入下行光放射机和上行光接收机。这样，每个CM都可查看2个下行信道并使用与2个下行信道相关的全部4个上行信道。〔3〕构造3CMTS的下行输出和上行输入端口的混合方式类似方案1，但CMTS的上行输入端口承受了穿插连接，即每个上行光接收机分别与不同的下行信道相关。这样每个CM都可查看2个下行信道及每个下行信道相关的一个上行信道。36五、DOCSIS2.0DOCSIS1.0/1.1AdditionalCapabilitieswithDOCSIS2.0调制方式频道带宽(MHZ)数据速率(Kbps)调制方式频道带宽(MHZ)数据速率(Kbps)QPSK16QAMQPSK16QAM1.61.63.23.22,25605,1205,12010,24032QAM64QAM16QAM32QAM64QAM3.23.26.46.46.412,80015,36020,48025,60030,72037六、DOCSIS3.01、基于多个上、下行通道的绑定技术a〕DOCSIS3.0承受四个或四个以上的有线电视频道带宽绑定在一起的方式进展数据传输，固然这种绑定并不是简洁的组合。如以下图，120Mbps的数据被使用“信息包绑定〔Packet

bonding〕”技术分成四个30Mbps的数据流〔不能大于30Mbps〕，通过四个绑定在一起的电视频道进展传输，在接收端通过使用“信息包绑定〔Packet

bonding〕”技术把四个30Mbps的数据流整合复原成120Mbps的数据。这样它的传输力气将是原来使用单一电视频道传输的4倍以上。3839DOCSIS3.0标准规定绑定在一起的频道不能低于4个，DOCSIS3.0的下行速率起点规定为160Mbps，而上行速率为120Mbps，并且还可以通过增加绑定的频道数量来提高上、下行的传输速率。DOCSIS3.0标准在传输通道中承受的多个频道的绑定技术，在数据传输中则承受的信息包的绑定技术，这些新技术无疑为DOCSIS3.0标准的传输速率带来了飞跃的进展。402、承受了先进的IPv6技术：目前随着互联网的飞速进展，原有的IPv4技术已经不能满足应用的需要，所以承受了更新的IPv6技术。DOCSIS3.0标准也顺应时代进展的需要，将IPv6技术融合到标准之中。DOCSIS3.0标准不仅支持原有的IPv4技术，而且还能支持新一代的IPv6技术，在前不久进展的相关测试中，DOCSIS3.0标准的设备在这方面的测试结果是令人满足的。41七、系统设计1、CMTS设计考虑问题：CMTS调制方式：64QAM、256QAM供给应用户的带宽，是否高于ADSL上网用户比例〔同时上网〕；网络使用比例〔同时下载〕42举例：下行每信道8M带宽，承受64QAM调制方式，每个下行信道实际数据率36Mbps；估量供给应用户的最低并发数据速率BW在1Mbps以上；使用状况以顶峰期上网用户比例RB为50%，网络使用比例UF为20%估量。依据1000户计算：1000*50%*20%*1Mbps/36Mbps＝2.7,即需要3台CMTS；假设供给400kbps的速率，则需1台CMTS。432、系统指标设计1〕HFC网络传输模拟电视的技术指标安排按广电行业GY/T106-1999标准的规定，系统技术指标为：CNR≥43dB；CSO≥54dB；CTB≥54dB

通常系统设计指标定为：CNR≥44dB；CSO≥55dB；CTB≥55dB44安排比例C/N前端安排比例为40%，48dB光缆传输系统为主要网络，安排比例为40%，48dB。同轴电缆安排网承受无源器件指标较好,安排比例为20%，51dB；CSO、CTB既要考虑光传输链路到达的指标，又考虑前端不承受前端放大器，不会产生CSO和CTB。安排比例为：前端0%、光链路60%、同轴电缆安排网40%。光链路指标设计：一级光缆：C/N≥50dB、CSO≥60dB、CTB≥65dB；二级光缆：C/N≥48dB、CSO≥58dB、CTB≥63dB；452、系统指标设计计算公式C/N＝设计值－10lgA；CM=设计值－10lgA；CSO＝设计值－15lgA；CTB＝设计值－20lgA。463、回传电平设计全部CableModem的信号必需以一样的信号电平到达前端。假设其电平差异过大，即使治理CableModem的CMTS发出电平调整指令，试图使CableModem受控地调整输出电平，也难以使各用户电平上行到CMTS时全都，结果会消逝某些用户上行信号C／N很低，而另一些用户上行信号产生过载失真。为保证各支路上行路径的总损耗近似相等，要求从各用户端至光节点的回传路径损耗差值小于±5dB。474、电缆干线设计在网络的电缆干线设计时，尽量承受安排器作为分路器件，制止使用分支损耗大于10dB的分支器，以保证各支路的上行路径损耗近似相等。网络路由尽量设计为多级星型传输构造，由于多级星型由中心到用户的安排过程正是由各用户上行逐级集合的过程。只要保证了对称性，上行下行电平必定全都。对回传通道进展均衡，以减小回传路径损耗的差异。485、安排网设计承受集中安排方式。从理论上讲，楼道内承受集中安排的方式入户，既保证了各用户的下行路径损耗全都，又保证了各用户的上行路径损耗全都；同时削减了大量的电缆接头，降低了网络故障率，削减了干扰信号的侵入点，折中的方法是尽量多承受4分支、6分支等分路器件。层间线改造为四屏蔽电缆，而入户线暂不转变。496、光接收机回传输入电平设计每HZ固定功率法：首先分析激光器上究竟可以加上多大的射频功率，然后将总功率安排给各个信道；回传激光机在满载时〔一般为60MHZ带宽〕所能加载的总功率电平往往都由厂家供给的，我们以厂家供给的这个参数，再依据每个信道所要求的带宽将总功率安排给各个数据信道。首先把厂家给出的总功率以1HZ的步长划分，然后以各自信道的占有带宽安排功率。每HZ的步长电平算法如下：激光器输入的总功率-10Lg[总带宽]506、光接收机回传输入电平设计以SG2023为例，依据SG2023设备手册，它的回传光放射模块为SG2-IFPT/DFBT，建议的总输入功率为15dBmV。对于回传通道，频率范围为0~65MHz：每Hz功率＝15－10lg〔60MHz〕＝－63dBmV/Hz假设目前开展的CM业务的信号带宽为3.2MHz，则该业务对于回传激光器的输入功率为：－63dBmV/Hz+10lg〔3.2MHz〕＝2dBmV515、HFC回传链路损耗52A块：CM至楼放输出口，反向损耗一般设定为25±5db。B块：电缆干线网局部〔包括干放、延放与楼放〕至光站〔具有双向传输功能的光节点〕的输出端口，反向损耗设定0db〔承受单位增益设计〕。53C块：光站至光接收机局部，损耗与光设备的选择有关，一但光设备选定了，损耗也就确定了。D块：光接收机输出端至CMTS的输入端口局部，这块的作用是将多条光链路输出的信号混合成一路输入CMTS，此块的插入损耗按下公式计算：插入损耗＝〔业务带宽×上行通道的每Hz功率〕－CMTS要求的输入电平值54假设CM的工作带宽为3.2MHz，并且接收机输出口的总功率为108dBuV。依据每Hz功率法的公式，此时CM的实际工作电平应当为108dBuV–10log(60MHz/3.2MHz)=95dBuV一般将CMTS的端口接收电平设为0dBmV即60dBuV。这样从上行接收机的输出到CMTS上行端口的总衰减应把握为准确等于95dBuV–60dBuV=35dB55目前，CM的最大输出电平为118dbμV，为了保证系统有较高的CNR值，将CM的放射电平范围设定为100--115dbμV，动态范围15db作为CMTS的测距AGC把握余量〔CMTS的输入电平通过AGC把握被钳定在60±1dbμV〕。动态范围15dB安排如下：安排网：由于各CM的路由差异所造成的集合电平差较大，安排余量为10db，所以，在楼放的输出端口处安排网的集合电平均差不超过±5db。电缆干线网局部：在调试中按单位增益的概念调试。通过调试使网络中的每一级放大器间的增益均为0db，从而实现图中B块总增益为0db的目的。这块只需安排3db的余量作为温度所造成电缆损耗的变化和放大器增益变化的补偿。光纤链路：由于承受了归一化的调试，只需考虑设备增益变化的影响，安排2db的补偿余量。567、上行信号调整用户回传上行信号时，由于路由各不一样，各路由的上行传输损耗各不一样，必定消逝不同用户信号上行到各级会聚点的电平不全都。假设其电平差异过大，即使治理CM的CMTS发出电平调整指令试图使CM受控调整输出电平，也难以到达各用户电平上行到中心全都的目的。这就要求对上行信号电平进展会聚均衡。57传统有线电视系统是按下向需求设计的。下行信号电平：A100dBμVB73dBμV：73=100-27〔27为分支损耗〕C75dBμV：75=100-5-20D74dBμV：74=100-5-7-14E73dBμV：73=100-5-7-11-4结论:下行设计合理58对于上行信号，假设每个CM输出电平为100dBμV。上行频率的衰减分别为1.2、1.6和2.5dB。则：BA100-27=73dBμVCA100-20-1.2=78.8dBμVDA100-14-1.6-1.2=83.2d