有线电视HFC网双向改造的难点及解决方案探讨

有线电视HFC网双向改造的难点及解决方案探讨2008年赵云军摘要：有线电视双向化改造已成为未来数字电视业务发展的必经之路，但在如何改造、采取哪种技术、怎样滚动投资建设等方面还没有很多可借鉴的经验。本文通过双向改造技术的比较，指出目前大多数运营商面临的困惑，得出综合考虑各种因素，FTTN＋Cable方式将是目前最符合中国有线电视网现状的双向改造解决方案：既可满足未来业务发展，又能够兼顾短期投入产出和长期建设需求之间的平衡，将能够为广电运营商提供一种完整覆盖、快速建设、滚动投资的最佳建设方案。关键词：HFC双向改造双向化双向改造技术1、现状概述中国的有线电视经过二十多年的发展，现在已经形成了巨大的规模，全国有线模拟电视用户达到1.3亿户堪称世界第一。随着数字电视发展时代的到来，欧美日韩等发达国家和地区已经启动了数字电视的实施计划，在2002年我国也启动了数字电视发展战略，国家广电总局已制定了我国数字电视的实施计划和试点城市，有线数字电视整体转换成为电视数字化的首要任务和目标，数字化和信息化技术引发了电视传输技术和方式的革命，有线电视数字化使广播电视向双向交互电视的演进成为可能，有线电视网络的双向化更是提供了全面提供电视、数据和语音等综合业务发展的新机会，实现有线电视网络的价值充分提升。在我国有线电视数字化进程中，2004年10月杭州数字电视首创以双向网络为基础的广播交互电视业务的成功运营，引领了数字电视走入交互电视的新阶段。发展交互电视的基础是有线电视网络具有双向数据传输能力，但是我国大部分城市的有线电视网络是单向广播网，上海、深圳等经济发达城市的部分网络采用CMTS构建了双向HFC网，杭州等城市采用LAN接入方式构建了市区的双向宽带数据网，总体上看有线电视网络完成双向化改造的规模非常小，面对有线电视数字化和双向化的发展趋势，亟待解决的问题是全网覆盖的有线电视双向化改造解决方案。有线电视双向改造传统的方式是采用DOCSIS技术的CMTS系统的双向HFC网络，以美国有线电视运营商在全美成功应用，但由于CMTS技术对HFC网的线路改造成本较高、运维成本高、不适应中国密集用户的城市住宅小区，在中国没有被有线电视运营商普遍采用推广。FTTB+LAN宽带接入方式采用了双网异构方法解决有线电视双向改造同时提供了宽带数据的接入能力，但FTTB（光纤到楼）的施工周期、工程成本、五类线入户对运营商而言都是相当大的问题。面对全国有线电视网普遍双向改造的需求，一种基于OFDM&QAM调制/解调技术的BIOC（BroadcastingandInteractivityoverCable）技术的同轴电缆双向传输产品有效地解决了有线电视双向改造的难题，融合了有线电视网传输和宽带以太网的优点，以低成本、高性能、集成化的理念提供灵活、快捷的工程实施方案，全面解决基于有线电视HFC广播网双向改造。综上所述，有线电视双向化技术起始于DOCSIS提出的双向HFC来计算已经发展了十年之久，并不能完全满足有线电视网络综合业务的需求，LAN接入技术和BIOC技术提供了新的解决方案，因此有线电视双向全网覆盖的设计需要根据投资、性能、业务、工程、维护等若干方面去考虑进行比较，本文重点分析比较几种主要的双向改造的技术特点，讨论运营商在双向改造遇到的困难以及解决原则，最终通过某城市10万用户双向设计实例分析供大家参考。2、双向改造技术2.1、双向HFC网的CableModem接入CableModem接入网方案是基于双向HFC网的数据传输系统，系统包括前端设备CMTS和终端设备CableModem（CM），采用DOCSIS1.0/2.0技术标准，利用有线电视网下行频段和上行频段分别提供数据回传和下载通道，下行通道的频率范围为88～860MHz，每个通道按频道带宽8MHz设定，采用64QAM或256QAM调制方式，下行数据传输速率最大为40Mbps。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5Mbps或10Mbps。CableModem在组网方式上，很适合于原先的有线电视网络，光节点以下采用树型总线结构。CMTS输出端的CABLE电缆通过分配器和分支器输入到用户家庭的CableModem的RF输入端，完成视频与数据的接入。CABLEMODEM在实际应用中的组网架构如下图：图2-1CABLEMODEM组网架构示意图基于CableModem的双向有线电视网络具有的优势是充分利用了HFC网络已有的接入网资源，对入户线路没有安装工程，但这种方案存在着一定的限制，主要的问题在线路双向改造成本较高、带宽共享不能满足多用户高带宽的应用、不易扩容升级、低频端的回传噪声积累不可避免。*线路的改造成本较高现有的用于CATV的HFC网络是单向传输网络，而数据传输系统是双向的，这就需要对现有的网络进行改造，在线路上增加反向传输模块，将原有链路中的单向放大器改为双向放大器，因此，在线路上要有一定的改造成本。*带宽瓶颈的限制CABLEMODEM所组成的HFC宽带接入系统的拓扑结构是分层的树状总线结构，其终端用户将共享连接段线路的带宽，CMTS下联的CABLE总线越多，用户数越多。按照一个光节点覆盖500用户计算，若按实际并发用户20%计算，用户平均使用带宽为40Mbps/500/0.2=400Kbps。事实上，在实际应用中，由于用户的增多，线路上插入损耗增加，CMTS达不到理论上的40Mbps的速度。在平均速率300Kbps的速率下，用户用CABLEMODEM接入Internet仅适用于浏览网页，诸如高速下载、流媒体以及视频通信等一般需要持续速率达到300～700Kbps以上的应用，就不能满足应用需求了。*扩容升级成本高为提升用户带宽，使视频通信等新业务不会因为速率的限制无法开展，缩小光节点是CABLEMODEM在现阶段唯一可行的办法。我们以下行速率达到1Mbps为设计带宽，理论上，一路CMTS输出可以支持40个并发用户，按照实际并发用户为20%，则光点覆盖用户数要控制在200户，即光点的数量提高2.5倍，CMTS设备投资要增加2倍以上。面对宽带应用的用户需鞋样设计要更高的速率，用户增长同时造成并发用户的增加，当网络向FTTB过渡，CMTS采用继续升级系统扩容业务是不现实的，因此CMTS系统实际进一步扩容的能力有限。由此可见，CABLEMODEM接入方式可以解决HFC双向数据传输的问题，但性价比不占优势，尤其业务一旦开展，后续的扩容需要很大的投资。2.2、基于IP的LAN接入有线电视网络双向改造另一种方案是利用现有的光纤资源和拓扑构建独立的双向网络，采用以太网数据交换方式光纤延伸到楼幢，形成了HFC网络和LAN接入组合的城域网同时支持广播和交互业务。LAN接入网一般采用光缆＋五类线的方式对社区进行综合布线，即FTTB+LAN的网络架构，采用了光纤到楼、五类线入户。每一个楼幢用户通过集线器/交换机组成以太网的接入层，然后通过光纤上联汇聚节点，汇聚节点光纤上联骨干层，归纳起来，基于IP的LAN方式的宽带接入一般是千兆光纤到小区、百兆光纤到楼、10/100M五类线到户的模式。基于LAN接入的双向组网方案是充分利用了HFC网络骨干光纤和管路资源，并把数据网络光纤延伸到楼幢，在是双线（同轴电缆和五类双绞线）入户的组合网络，全网是HFC和以太网叠加的城域网，双向组网示意图如图2-2所示。这种双向网络改造较好地综合HFC单向网和以太网的优势，并对未来的业务发展提供非常良好的环境图2-2基于IP的LAN接入方式在有线电视网络应用组网在图2-2中可以清楚地看到在FTTB+LAN接入方式下，CATV网络独立于LAN网络之外。CATV视频信号与IP数据信号在两张不同的网络内传输，分别完成视频与数据功能的接入。这是具有创新的方案，发挥了HFC网络和IP宽带网的优势，为应用以及扩展提供了良好的基础，通过探索获得了扩展性很强的有线电视双向网络。基于IP的LAN接入是目前用户接入带宽最高的方式，特点在于技术和设备相对成熟，用户侧不需要有附加设备接入而直接通过网线连接设备的网络端口，10/100M端口速率升级主要是扩充汇聚层的带宽，网络升级扩容容易，可操作性强。适应业务的需要，未来网络十分容易演进到FTTH全光纤网络。2.3、同轴电缆混合双向接入同轴电缆混合接入双向技术结合了FTTx和OFDM&QAM调制/解调技术，采用PON（PassiveOpticalNetwork）将交互数据通道延伸到用户分配网络处，并且仍保留原来用户分配网络中同轴电缆的入户方式，经局端设备调制后的数据信号占用860MHz以上的高频频段，与现有860MHz以下的有线电视广播信号混合后接入到同轴电缆中，在用户端再将数据信号和有线电视信号相分离，传输给相应的接收终端，双向对称最大数据传输速率达到100Mbps。根据信号的混合点位置不同，主要有以下三种情况：（1）FTTN＋CableFTTN+CABLE方式如图2-3所示，数据网光节点与有线电视网的光节点重合，光纤到节点（FiberToTheNode）并通过同轴电缆提供双向数据网入户。在光节点有线电视光接收机输出端插入易线宽局端设备CP-N2000，将数据信号混入有线电视光接收机输出覆盖的电缆分配网，实现光节点以下用户的宽带接入全覆盖。接入用户通过终端设备CP-T2000分离有线电视信号和数据信号，完成双向网改造。对于有放大器的有源分配网，要在放大器跨接中继设备CP-R2000解决数据信号中继和双向传输。图2-3FTTN+CABLE方式（2）FTTP＋CableFTTP+CABLE方式如图2-4所示，数据光纤分布到干路放大器后面，光纤到杆（FiberToThePost）并通过同轴电缆提供双向数据网入户。在干线放大器的输出端插入CP-N2000系列局端设备，即可实现干线放大器以下用户的宽带接入全覆盖，接入用户通过终端设备CP-T2000分离有线电视信号和数据信号，完成双向网改造。图2-4FTTP+CABLE方式（3）FTTB＋CableFTTB+CABLE方式如图2-5所示，数据光节点布设到楼栋，光纤到楼（FiberToTheBuilding）并通过同轴电缆提供双向数据网入户。由于宽带接入设备设在楼幢，覆盖用户数进一步减少可以满足用户更高的宽带需求。图2-5FTTB+CABLE方式综上所述，FTTx＋Cable采用数据信号与电视信号在同轴电缆混合同缆传输，双向改造不需要新增线路，并提供双向对称100Mbps数据传输带宽满足综合业务和宽带应用需要。随着“光进铜退”日益成为趋势发展，大量的交互业务对带宽需求的增加，IP数据网接入光点向用户推进到FTTB/FTTH（FiberToTheBuilding/Home），进一步提升接入带宽，同轴电缆混合双向接入技术仍然适应各地HFC网络改造的进度，由于产品安装方便，调整网络也很容易，未来网络十分容易演进到FTTH全光纤网络。3、双向改造方式选择有线电视运营商在双向化改造上由于原有网络基础的不同、应用需求的不同、技术设备的不同以及投资回报预期的不同面临着技术选择的困惑，一方面有线电视双向化的目标明确，但怎样实施在技术、资金和业务是否相互匹配缺乏判断的经验，本节就这方面的问题进行探讨，以供借鉴。3.1、网络拓扑的多样性HFC由光纤干线和同轴电缆分配网通过光节点结合而成。一般光纤干线采用星形拓扑，同轴电缆分配网则具有树形结构，这种结构已广泛用于广播电视信号的分配，称为光纤到节点（FTTN）模型。目前设计光节点以下同轴电缆网覆盖范围的典型值为500户，同轴电缆分配网采用无源、一级或二级线路放大器补偿线路衰减。由于用户住宅楼幢分布的不同，同轴电缆分配网拓扑可能存在不同的结构，如农村与城市的不同、高层住宅楼与排屋、别墅的差别以及不同时期建设的网络也不尽相同，形成各地有线电视网络结构的多样化。归纳起来可以分为树枝型结构、星型结构、星－树型结构和环型结构。3.2、技术的多样性目前