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数字电视宽带接入技术（上）

已有 1285 次阅读 2009-09-25 16:38 标签: 宽带数字电视技术

1 数字电视宽带接入网

宽带接入网是多媒体通信网的基础，由业务节点接口(SNI)和用户网络接口(IYNI)之间的一系列传送实体所组成，用户终端通过用户网络接口(UNI)连接到接入网，接入网通过业务点接口(SNI)连接到业务节点(SN)，接入网在网络系统中的具体位置如图9-23所示。在实际应用中，接入网的物理位置如图9-24所示。由图9-24可见，接入网是指交换局到用户终端之间的所有机线设备，其中主干系统为传统的电缆与光缆，长度一般为数千米；配线系统可能是电缆或光缆，长度一般为几百米；引入线长度为几米到几十米。

目前比较成熟的宽带接入技术主要有以下几种：

(1)铜线电缆接入技术

铜线电缆接入是传统电话网与有线电视网采用的主要接入方式，传统有线电视网是一个以同轴电缆为传输媒介的单向传输的树状总线式广播网络，不能实现多媒体宽带接入的功能。而以铜质双绞线为传输媒介的电话网在网络结构与用户规模上具有一定优势，但由于受信号传输带宽的限制，影响了它在多媒体宽带接入中的应用。近年来，以铜质双绞线为传输媒介的数字用户环路技术飞速发展，铜线电缆已成为宽带接入的一种可行方式。铜线电缆接入技术主要有不对称数字用户线(ADSL)技术、高速数字用户线(HDSL)技术、甚高比特率数字用户线(VDSL)技术等。

(2)光纤接入技术

光纤具有传输频带宽、容量大、损耗低、受干扰影响小等特点，因而是适合宽带多媒体业务发展的理想传输媒体。大容量、高速率的光纤系统在长途干线与本地传输网中已经广泛应用，并形成了一个宽带、高速、安全、可靠的传输网。此后，光纤化已成为接入网的发展方向，光纤接入网就是利用光纤作为主要的传输媒体来取代传统的铜线电缆，利用光网络单元(ONU)提供用户侧接口。根据ONU向用户端延伸的位置，光纤接入网可分为光纤到户(FTTH)、光纤到路边(FTTC)、光纤到大楼(FTTB)等多种方式。

(3)光纤同轴电缆混合接入(HFC)技术

HFC是将光缆铺设到小区，然后通过光电转换节点，利用有线电视的树状总线式同轴电缆网络连接到用户，以提供综合电信业务。HFC接入方式使光纤接近用户，减少了同轴电缆的级连放大器，因而提高了系统的可靠性，同时利用同轴电缆带宽可达1GHz的特性，可作为宽带综合业务的接入平台。HFC技术通过采用频分复用方式，将业务调制到各自频段，从而实现了广播电视业务与交互型电信业务、模拟业务与数字业务共享传输媒体。由HFC网络传输的宽带数字视频、音频节目，经过信源压缩编码后，再采用QAM、VSB、QPSK等先进的调制技术，即可在一路模拟电视频道中传输多路数字电视节目，也可在模拟常规电视频道中传输数字高清晰度电视。

(4)以太网接入技术

以太网接入技术建立在五类线基础之上，它通过交换机、集线器等网络设备将同一幢大楼内的用户连接成一个局域网，然后再与外界光纤主干网相连。以太网接入方式承袭了因特网的连接方式，它建立在天然的数字系统基础之上，与IP网络紧密结合，因而具有广阔的发展空间以及美好的发展前景。

(5)无线接入技术

无线接入技术主要包括微波传输技术、卫星通信技术、蜂窝移动通信技术、无线局域网技术等，其中无线用户环路是一种提供基本电话业务的数字无线接入系统，是目前应用最广泛的一种无线接入技术。

2 数字电视HFC接入技术

HFC(Hybrid Fiber Coaxial)网是指光纤同轴电缆混合网，即传输介质采用光纤与同轴电缆混合组成的接入网，在实际应用中，通常采用光纤到服务区，并组成星状或环状结构，而在进入用户的“最后1公里”采用同轴电缆。

HFC网是一种新型的宽带网络，它融数字与模拟传输为一体、集光电功能于一身。在HFC网络上可同时开通多个频道的模拟广播电视节目以及大量的数字交互式电视节目，并能提供高速数据传输服务、信息增值业务以及电话业务，为电信网、计算机网、广播电视网的三网合一提供可行的实现方案。光纤具有频带宽、对信号衰减小、不易受外界干扰等特点，但光纤直接入户费用较高，因此采用HFC网是比较经济实用的选择。

HFC技术在数字电视有线网络中应用非常广泛，有线电视信道进行：HFC双向改造后可提供双向数据服务。此外，数据压缩技术与高效数字调制技术在HFC网上的应用，大大拓展了有线电视网络的频道容量和多功能服务能力，由于在一个常规模拟电视频道中可传输8～10套经压缩编码的标准数字电视节目，因而有线电视网具备了开展300～400套数字电视节目以及视频点播(VOD)等视频业务的能力，同时采用其他的先进技术还可以实现在有线电视网络中传送数据、话音以及因特网接入服务。

1．HFC频谱资源分配

HFC网络是频分复用网络，不同业务分配不同频带，各种业务频带之间有一隔离保护带宽。目前，HFC网络主要采用低频率分割的双向复用方式，由于大多数HFC网络以现有有线电视网为基础，因此其频段划分应与现有电视制式相兼容。典型的HFC频谱资源分配方案如图9-25所示。由图9-25可见：48.5～550 MHz为普通广播电视业务；550～750 MHz为下行数字通信信道，一般用来传输数字电视、VOD数字视频以及数字电话下行信号和数据：750～1000 MHz用于各种双向通信业务，如个人通信，用于将来可能出现的其他新业务；5～42MHz为上行非广播业务，并在该上行通道与下行通道间保留一定间隙。

2．HFC组网技术

HFC组网方案通常是在主干线、支干线传输部分用光缆连接，其连接方式分为光缆到支线、光缆到小区和光缆到最后一个放大器三种，而从光节点到用户分配网络采用同轴电缆。采用HFC方式的有线电视网的双向传输结构如图9-26所示。

HFC结构的有线电视系统分支简图以及HFC结构的有线电视系统环状简图分别如图9-27、图9-28所示。用户端通过数字机顶盒(STB)将网络与前端和分前端的主机相连，提供与主机的全双工服务。用户通过STB发送上行数据，对下行数据则采用一固定射频频道送出，用电视接收机直接接收。前端BHDDT及相应软件可对所有用户的STB进行控制管理，并与主干网络接口，它具有一定的交换和路由功能。用户端STB是用户端接口设备，可连接一个或多个用户，也可与局域网相连，并能支持对上行通道的竞争以及独立使用。

3．Cable Modem技术

Cable Modem即电缆调制解调器，在HFC网络中，在同轴电缆至用户终端之间采用了Cable Modem，它是专门为在有线电视网上开发数据通信业务而设计的用户接入设备，是有线电视网络与用户终端之间的转接设备。Cable Modem主要由调制／解调器、调谐器、加密／解密模块、网桥／路由功能模块、网络接口卡(NIC)、简单网络管理协议(SNMP)、部分以太网集线器功能模块组成，其内部结构原理图如图9—29所示。

Cable Modem在实现数据双向通信时作用明显，其主要功能是将数字信号调制到射频以及将射频信号中的数字信息解调出来，此外它还提供标准以太网接口，并实现部分网桥、路由器、网卡和集线器的功能，其传输速率比传统电话Modem要高出100～1000倍。在数字电视的组网方案中，用户端可通过Cable Modem实现Intemet高速接入，如图9-30所示。

Cable Modem提供双向信道：从计算机终端到网络方向称为上游(upstream)信道，从网络到计算机终端方向称为下游(Downstream)信道。上游信道带宽一般在200 kb／s～2 Mb／s之间，最高可达1O Mb／s，它采用的载波频率范围在5～40 MHz之间，这一频段易受家用电器噪声的干扰，信道环境较差，因而一般采用比较可行的QPSK调制方式：下游信道带宽一般在3～10 Mb／s之间，最高可达36Mb／s，它采用的载波频率范围在42～750MHz之间，一般将数字信号调制到一个6 MHz的电视载波上，典型的调制方式有QPSK和64QAM等，前者可提供10 Mb／s带宽，后者可提供36 Mb／s带宽。Cable Modem技术是未来网络技术发展的主流之一。

4．HFC接入方式优点及不足

HFC网具有如下优点：

·HFC网可同时传输模拟和数字信号，频分复用和时分复用方式共存，对模拟信号一般采用频分复用方式，限频带传输更多信息；

· 光纤网和同轴电缆网共存在，双向HFC网具有FTTH、FTTC功能，可实现高速接入；

· 信号分配和信号交换同时存在，传统电视广播是单向分配系统，而交互式业务则实现了双向信息交换；

· HFC网为信号传输提供了足够带宽，其带宽可达1000 MHz，从而为开展多媒体业务提供了必要条件；

· HFC网灵活地支持交互式和广播式业务，实现了数据、语音和视频业务的真正集成；

· HFC网是一种非常经济的解决方案，不需要进行额外的网络线路铺设，同时用户端和前端设备价格相对低廉，因而是目前经济可行的宽带接入方案，是解决信息高速公路“最后1公里”宽带接入网的最佳方案，能够满足平滑过渡到全数字化、全光纤化的发展需求。

当然，HFC接入方式也存在一些不足，主要包括：

· 上行带宽过窄，只能使用5～42 MHz，由于外界干扰，一般只能使用18～42 MHz，因此，实际可利用的上行频带只有24 MHz；

· 缺少体制标准以及相关法律法规；

· 回传通道汇聚噪声，形成漏斗效应；

· 远端供电技术复杂、成本高；

· 网络可靠性缺少保证、用户服务质量缺少保证。

3 数字电视以太网接入技术

以太网(Ethernet)是一种总线局域网，它采用CSMA／CD介质访问控制方法，是目前应用最广泛的局域网传输方式，随着类型与传输速率的巨大变化，其实用协议已经从IEEE 802.3的10Base-T转向快速以太网100Base-T以及千兆位以太网1000Base-T。以太网的帧格式与IP一致，因而特别适合于传输IP数据。以太网技术将IP包直接封装到以太网帧中，是目前与IP网络配合最好的协议之一，它以变长帧来传送变长的IP包。随着因特网技术的迅速发展，以太网宽带接入已经日益成为多媒体宽带接入的理想选择。

以太网宽带接入的网络结构如图9-31所示，由图9-31可见，基于以太网技术的宽带接入网由局端设备和用户端设备组成，通常局端设备位于小区内，用户端设备位于居民楼内，也可以是局端设备位于商业大楼内，而用户端设备位于楼层内。其中局端设备提供与IP骨干网的接口，用户端设备则提供与用户终端计算机相连的10／100Base-T接口。局端设备具有汇聚用户端设备网管信息的功能，它还支持对用户的认证、授权、计费以及用户IP地址的动态分配。而用户端设备只有链路层功能，它工作在复用器方式下，各用户之间在物理层和链路层相互隔离，从而保证用户数据的安全性。此外，用户端设备可以在局端设备的控制下动态改变其端口速率，从而保证用户的最低接入速率，限制其最高接入速率，以支持业务的QoS保证。为保证设备的安全性，局端设备与用户端设备之间采用逻辑上独立的内部管理通道。局端设备不同于路由器，路由器维护的是端口一网络地址映射表，而局端设备维护的是端口一主机地址映射表；而用户端设备也不同于以太网交换机，以太网交换机隔离单播数据帧，不隔离广播地址的数据帧，而用户端设备仅仅实现以太网帧复用与解复用功能。

在单向HFC网络的基础上，通过叠加一个高速以太网，即可向用户提供多功能服务，如图9-32所示。由图9-32可见，新叠加的计算机网在有线电视台与各光节点之间，它采用光纤传输方式，利用已有的2芯光纤，其余则另外布双绞线，因此不必对原有有线电视网络进行大规模改造。这种方式的一项关键技术就是取消了传统HFC网络中的上行部分，而代之以大容量、高速率、无方向性、透明交互的宽带IP技术。Hub工作站是整个网络系统中仅次于主前端的信息处理分中心，其作用是减轻了主前端所承载的信息业务量，并减少了由主前端输出的光纤芯数，从而可为覆盖区域内的用户信息业务提供各种综合功能。随着未来业务的开展，IP网络中的Hub工作站将逐渐形成强大的宽带综合业务信息分组交换站，并最终建设成为基于分层交换理念的信息交换分配中心，它是IP网络中的二级和三级交换枢纽，其最终目的是面向所有业务。

网络技术的发展方向是向提供更宽带宽、更高带宽利用率以及更加灵活的扩展与升级能力方向发展。因此，出现了千兆位以太网技术，其速度可达到千兆位，同时又能够实现与传统以太网相同的传输距离，因而它是下一代主干网的理想选择。

作为一种新兴的高速网络技术，千兆位以太网使用统一的接口及协议，所有业务都使用以太网接口、IP包格式，其通信基础是基于IP包交换，因而能够在网络上端到端传输各种业务。此外，它不但能够提供很高的传输带宽及带宽利用率，而且能够保证与现有以太网以及高速以太网的最大兼容性。千兆位以太网继续采用传统以太网所使用的媒体访问控制(MAC，Medium Access Control)协议、管理信息数据库(MIB)、帧格式以及逻辑链路控制子层(LLC，LogicalLinkControl)接口，保持了以太网最初标准中MAC子层的CSMA／CD(载波监听多路访问／冲突检测)协议，并且包含全双工与半双工两种工作模式，使用与目前以太网相同的帧格式确定最小分组长度为64字节。

千兆位以太网以光纤或铜缆作为传输介质，采用8bit／10bit编码系统，其传输速率可达1.25 Gb／s，目前已经应用在城域网与广域网中。在城域网环境下构建IP网络平台，技术要素主要是路由交换机，通过基于千兆位以太网进行城域骨干网连接，可以保证全网采用统一的IEEE802.3以太网帧格式，而且不需要任何中间协议转换，可实现无缝连接，这种方法具有效率高、设备简单易于维护、性价比高、组网简单、升级方便等优点，因而保护了用户已有的网络投资，能够高质量、智能化地实现多功能业务。

千兆位以太网技术沿用了传统以太网的协议标准，并且与快速以太网和传统以太网相兼容，因此从现有以太网可平滑过渡到千兆位以太网。不仅如此，千兆位以太网与RTP、RTCP以及RSVP协议相结合后，可保证多媒体数据的实时传输，并进一步减少以太网数据传输中的冲突现象。但在服务质量、流量控制以及传输距离方面，千兆位以太网与ATM相比仍有欠缺之处，它无法提供ATM对端到端服务质量的保障。

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