北京郵電大學22信箱 余智
1. 概述

　　光技術的快速發展給有線網絡帶來了革命性的變化，有線網絡需要考慮所有業務(E-mail、語音、視頻等)的基帶傳輸(模擬的和數字的)以及ip數據傳輸的特性。問題的要害是能提供一個靈活的、可升級的而且在未來若干年內能夠使用的網絡。有線電纜正通過提供新的和強制性的業務來解決這 “最后一英里”的問題。

　　本文的焦點是放在物理層或者實際的網絡。與任何其它的網絡相比，寬帶有線電視使光纖應用于網絡之中。其目標是建成特定寬帶業務網。有線網絡開創性地把光纖和傳統的同軸電纜結合在一起成為一個混合網絡。這個混合光纖同軸(HFC)網絡對于有線網絡來說具有戰略上的重要性。光纖把模擬和數字電視從前端向終端發送。該技術目前可把光纖信號往用戶家庭的幾英里范圍內發送。同軸電纜再把寬帶業務傳送至家庭。最后一英里的同軸電纜被用于支持譬如電話之類的可選業務的傳輸媒體。

　　有線運營商已經把同軸電纜網絡進行升級以支持雙向通信，從而使用戶可以享受他們的多項服務,這當然要追加投資。當新的HFC網絡完全實現后，將具有許多好處，它們包括:

?有線電話的能力

?高速Internet接入

?有線電視頻道數目的增加(超過200個模擬的和壓縮的數字頻道)

?利用機頂盒的視頻點播(VOD)能力

?交互式電視

?為滿足新的數字電視標準而建立的基礎結構，所有標準都是基于HFC骨干網。

　　本文將闡述兩種HFC網絡結構：“供電范圍節點”(PDN)和“小型光纖節點”(MFN)。PDN結構或類似的變種是北美配置的HFC網絡的主要代表，它能支持許多新的業務。PDN與其它HFC結構的不同之處在于，節點的大小并不是由固定用戶數決定的，而是由光纖節點接收機的數量決定的。RF放大器和網絡用戶終端可以由單個網絡供電(AC)。MFN是網絡發展的下一步，它表現了一個深層次光纖結構。MFN是非常重要的，因為它可去除同軸有線電纜段上所有的放大器(除了必不可不的以外)。這不僅僅增加了可靠性，而且還保證了寬帶業務所需要的帶寬。首先，本文將定義一些術語和有線電視產業和正在建造的HFC網絡的相關信息。

2. 傳統的同軸有線電視網絡

　　一個簡單的有線電視系統從前端到終端,包括接收衛星等電視信號源的接收設備。從這些源來的信號將通過有線網絡發送。然后被放大,再把模擬視頻傳送給傳統的全同軸有線電纜網絡。

　　有線電視系統是基于載波的，每套節目均占用一個載頻。載波的幅度是不斷變化的，這叫幅度調制(AM)。所有的視頻信道將在一個頻分多路復用器(FDM)內合并起來，北美每個載波距離是6MHz。有線電視系統以兩個方向傳送信息，一個是向用戶傳送，稱為前向路徑(或稱下行)，另一個是從用戶那里來，稱為反向路徑(或稱上行)。在美國，前向信道被放置在54MHz以上的頻率上，而5到42MHz之間的頻率就被分配給反向信道。

　　圖1顯示了一個代表性的有線電視襲用的傳輸頻譜，它的前向路徑信道達到了860MHz。在前向路徑，模擬信道是從54到550MHz，而數字信道是從550MHz到860MHz。

　　有線電視網絡是由三個主要部分構成的:干線、饋線和引線。干線是用于覆蓋廣大的距離，經常超過10英里。當干線是由同軸電纜組成時，那么每2000英尺就需要一個放大器。令人吃驚的是，有線電視系統的干線部分只占了整個系統總長度的百分之十二。放大器的級聯限制了帶寬，典型的級聯具有20到40個放大器。因為每個放大器都是有源部件，所以每個放大器都會給信號加入噪聲和非線性失真，并且會帶來放大器鏈的不可靠性。 　　有線電視系統的饋線部分面向用戶的接口。它最大的長度約為1.5英里。這一限制是因為RF能量被分配對各個家庭進行饋送。因此，RF電平與在長距離干線部分的電平相比,要相對更高一些。這些更高電平進入了放大器的非線性區。結果，導致質量指標下降。在有線電視系統中，大約百分之三十八的長度是饋線部分。

　　引線是從分散的饋線進入家庭的同軸電纜。它最大的長度為400英尺，但在典型情況下要少于150英尺。一個有線電視系統中的大約一半的長度是引線和家庭中的布線。有線電視系統中的饋線部分是變化很平凡的部分。天天都有新的用戶增加，和老用戶退出。美國每年大約有20%的人搬往新的住處。這樣就造成20%的用戶數波動。對于饋線而言，支持這一持續不斷的用戶數波動是非常重要的。它必須使網絡具備工作有效性、物理健壯性并且易于配置。



圖1. 一個有線電視系統傳輸頻譜

　　放大器被用于補償傳輸電纜和信號分配器、分支器的頻率失真。因為放大器的電路是單向的，所以放大器單元必須先在兩個方向上分離信號流。信號分離是利用雙工器電路進行的。在經過雙工之后，每個信號被放大，然后利用同樣的雙工器連接到同軸電纜上。

　　總而言之，這些早期的有線電視網絡向用戶發送模擬視頻信號是非常好的。但由于放大器的級聯，這些網絡并不適合于實時的雙向高帶寬業務，最主要的是網絡中單收集點聚集所有回傳信號的漏斗效應。使之從80年代中期陸續開始實施光纖同軸電纜混合(HFC)傳輸結構。

3. 混合光纖同軸(HFC)有線電視系統

　　因為有線電視和通信公司不斷努力引入新的業務，必須找到一個合理的成本提高網絡容量的方法。這個困難問題的一個極其出色的解決方案,就是HFC系統中的光電子學的實現。光電子學技術在高容量交互式多媒體傳輸所需的HFC網絡的發展上具有極其巨大的影響。這種技術的引入使得最初為視頻業務而設計的網絡能夠為各種交互式視頻、數據和語音業務提供可靠的帶寬。

　　HFC結構使以一種成本高效的方式提高帶寬、信號質量和可靠性成為可能，這種方式能夠減少維護成本和保持操作人員界面友好性。它使兩種業務成為現實。在干線部分覆蓋低損耗的光纖能夠去除干線上的放大器。這也就使同軸電纜大大縮短，典型的是四到六個放大器。這樣帶來的好處包括大大減少放大器中斷的脆弱性、減少帶寬限制和由于放大器串聯而導致的噪聲積累,以及大大簡化輸入部分。采用雙向傳輸有兩個原因。第一，光纖本身不再是干擾信號的入口了。第二，有線電視系統被分割成大量的小型有線電視系統，而且這些小型系統彼此隔離。假如在某個小型有線電視系統入口形成干擾的話，該干擾將不會削弱整個有線電視系統其它部分的性能。


　　有線電視信號的光傳輸用單模光纖來完成，該光纖在1310nm的波優點大約有0.35dB/km的衰減，在1550nm的波優點大約有0.25dB/km的衰減。激光波長的選擇是基于網絡設計標準，包括成本、模擬性能要求以及傳輸距離要求等。光纖的衰減在合理的溫度范圍內是固定的，而且與RF頻率無關。

　　引入HFC網絡的光節點或者光纖節點(FN),經常被安放在戶外，譬如一個基座上或者懸掛在架空絞線上。光纖節點接收光信號，把它轉化為電信號，并放大，然后向本地用戶發送。在返回方向上，節點收集5-42MHz帶寬范圍內的信號，并把它們以光的方式傳送回前端進行處理。在 “傳統”的HFC網絡中，每個光節點名義上服務500-2000個家庭。核心網絡驅動器是低成本的，而且在噪聲和失真方面對模擬視頻信號有良好的性能。終端用戶可以接收到經模擬視頻殘留邊帶(VSB)調制的78個RF信道。收費頻道的可選擇控制和收看前預付費通過用戶機頂盒終端實現。

　　HFC結構的主要優勢之一,是用戶數可增加，并以多種格式攜帶多種類型信息的能力。

　　HFC有線電視網絡和電話網之間的區別是可用寬帶寬傳送模擬電視。在美國，大約有3億模擬電視機在使用，基本上都接入了有線電視。實際上，在這個國家有電視的家庭比有電話的家庭多。HFC為利用低成本電視發送設備提供了充足的帶寬。

　　要達到這些目標，需要四種要害技術:

?高能量的1550nm光纖可用于攜帶交互式數字電視并經“多電平正交調幅”(M-QAM) 的載頻信號,以及為簡化光纖結構而降低網絡成本的接入技術。

?利用同步光纖網絡(SONET)多路復用器來進行綜合數字業務傳輸,對于建造高速多媒體接入網絡是非常要害的。 ?波分復用(WDM)和密集波分復用(DWDM)不僅僅增加帶寬，而且還用于光路由和降低接入成本。

?當網絡光纖數量不斷增長時,無源光技術對成本和性能有著極其要害的作用。

　　決定最佳接入結構的是足夠的帶寬寬度, 這對于廣播和交互式小范圍廣播而言是必須的。HFC網絡有四個與傳送交互式帶寬有關的因素:頻率、空間多路復用、光譜效率以及光波長。

　　頻率決定通道大小(750MHz、862MHz或1GHz),以及決定副載波提供什么類型信號的能力。每個頻率都可以當業務設置改變時,隨時使用，這與其它結構相比提供了一種獨特的靈活性。空分復用決定了骨干網中的光纖是如何運行和如何達到每個節點的，以及如何裝載它們。頻譜效率答應隨256-QAM或64-QAM調制技術改變,這些技術能夠有效地提高頻譜利用率。最后，多種光波長，不管是DWDM或者1310/1550的結合，都可以用于一個特定的光纖中以用來提高容量。

　　處理好HFC反向信道是極其重要的。為了解決潛在的光纖性能的問題，Fabry Perot(FP)和無冷卻分布式反饋(DFB)激光現今均被用于網絡中,靠的是業務數量的增加和性能的提高。從前端到用戶端距離一定時，光纖配置得越長，網絡對電入口的影響就會越小。由于光纖被配置得很長以進行前向傳輸，使RF的級聯長度縮短,提高了可靠性和降低了成本。

　　對于語音和數據而言，通常的選擇----至少在目前----便是SONET技術。但是SONET在視頻傳輸方面的效率并不高。把一個或多個視頻信號壓縮至數字業務第三層次(DS-3)速率的視頻編解碼器的成本很高，而且與傳統傳輸系統相比，它們的性能規格比更差。此外，SONET網絡治理使用的是DS-3電路：它無法自我監視視頻性能。因此，許多寬帶運營商就安裝了兩個并行的網絡:一個用于語音和數據的SONET網絡, 另一個用于視頻的專有數字系統。為了解決基本的傳輸問題，要安裝SONET多路復用器。

4. 供電節點

　　幾年前，有線電視運營商開始從事于一項全國范圍內的計劃，把系統升級為 “全業務”HFC網絡。在那時，節點的大小根據固定用戶數設置，最初可能是2000、1000或500個家庭。當然，節點的大小是受放大器級聯限制的，這樣可以確保產生的噪聲和互調指標極限不超標。但在高密度區域內的節點經常碰到超過500個用戶 (一直到800個用戶極限)，但是在低密度區域的節點經常由于級聯的限制大大少于500個用戶。

　　一個提供干線電話業務的有線電視公司,利用分布式拓撲技術，采用傳統的90V AC供電(PS)，50%的負荷。對90V供電方案中,超過4000英里干線的分析表明，許多節點需要三個PS，并且平均每節點大約要達到2.5PS。對許多節點設計的更進一步的考察指出，供電必須加強，以便能承受住兩個PS無法處理的負載量。對PS相對來說負載較輕(少于它名義上額定值的50%)，明顯處于低效狀態。供電增加了系統操作和維護的麻煩，而且對網絡可靠性有不良的影響。

　　一個更新的HFC升級結構可提高效率，并達到以下目標：

?減少HFC網絡系統升級的資本花費

?提高網絡可靠性

?減少系統運作和維護的成本

?提高前向和反向的帶寬，并提高模擬信號的質量

?通過減少升級系統的時間和花費來縮短打入市場的時間，并確保新的節點提供更高級的業務。

　　網絡供電問題在節點大小策略的討論中占有中心的地位。假如節點變的很小以至于它的功率負載不能夠有效地消耗電能供給的容量，那么通過多個節點聚集功率,來獲得比較經濟實惠就變得非常值得。這便設計出一個功率分布系統(譬如 “功率饋線”電纜),它的安裝是非常便宜的，但是對于減少傳輸電纜中的能量浪費卻是足夠有效的。

　　PDN定義了由PS支持的最大用戶數量的節點大小。這正好與以前的設計形成對比，在后者中節點的大小或者是由覆蓋范圍內的家庭的固定數目定義的，或者由級聯的放大器數量的限制定義的。

　　人們對更大型的節點有趣的觀察：用于這些節點的總AC功率經常達到用于單個15amp PS的期望的75%的負載因數。這種情況發生在高密度區域內，在這些區域內，大量的家庭被少量的級聯所覆蓋，而且有線電話網絡接口單元(NIU)的功率負載是與每英里的NIU的數量成比例的。


　　人們立即意識到PDN結構中的節點大小是極其重要的, 這對設計師提出新的挑戰,把多大范圍的區域隔開以便在不過載的前提下, 對節點進行供電。

　　與每節點具有500個家庭的傳統設計相比。在PDN的設計上具有一定積極的影響，所有這些都在中密度和高密度的早期節點設計中被證實:

?每英里干線上放大器的數量大約減少15%到20%左右，可以大大提高干線延伸的長度。

?節點的數量提高50%到75%，能提高低密度區域的比例

?備用能源供給的數量大約減少20%到30%

?平均能源供給負載因子大約提高10%到15%

?減少同軸電纜覆蓋,從目前的15%到25%的范圍減少到少于5%

?提高光纖覆蓋的用戶數量，提高幅度少于5%

　　PDN的設計者們很自信地認為，這樣對于成本的減少將在中密度和高密度的區域變得非常普通。但是在低密度區域(每平方英里少于75個家庭)成本的減少將變得更加困難，因為需要更大的光纖覆蓋的比例,以達到100-250個家庭的節點。但是現今的HFC-500結構中幾乎沒有低密度節點能夠達到500個家庭，因為級聯的限制。

5. PDN結論

　　網絡設計者正在把供電從最初的15安培輸出容量到18安培，最終到21安培。因為骨干網絡很可能安排電話和高速數據的傳輸，所以對網絡升級必須做到 “熱交換”的方式和完全無業務中斷的方式。

　　PDN是一種較好的HFC解決方案，它能夠很好地降低初裝費、運作的成本以及提高網絡性能和可靠性等方面的問題。這對中等密度和高密度區域系統的吸引力是非常大的。

6. 微型光纖節點

　　提供無限帶寬的光纖,配置得離用戶越近，則能提供越多的業務量和性能越靈活。DWDM技術促使擴大光纖的覆蓋范圍。例如，HFC網絡中的光纖數量在過去的12年中不斷增長，從光纖骨干網結構的5%到MFN結構的30%。

　　DWDM技術與數字信號處理(DSP)以及RF技術,在網絡操作和業務方面提供了更大的靈活性。這種趨勢將會繼續下去，而且有線電視將會通過這些機會得到更大的益處。

　　PDN把光纖延伸致用戶有源放大器的范圍之內。微型光纖節點使得更深層次的光纖滲透,,以及使網絡中高級光子技術的開展應用成為可能。其目標是：

?建立起一個能經受住未來考驗的網絡

?繼續簡化操作并減少運營成本

?極大地提高網絡可靠性

　　所有這些考慮都會導致工業界,對于HFC網絡解決方案的持續不斷的定義,和重新定義，目的是為了捕捉新技術解決方案、業務需求和可實施性(成本利益比)的不斷變化的前景。

　　隨著光纖的不斷深入的延伸，要害的結構問題,就變成了如何利用HFC網絡的同軸電纜的最后一英里。光纖延伸的結構使節點大小變為50個家庭，這與一個有500個家庭的節點相比,就能夠使用戶潛在地產生多出10倍的交互帶寬,這是由于具有了使用小范圍廣播頻譜的能力。AT&T寬帶已經提出了這樣一個網絡的實現計劃，并把它叫做LightWire結構。在這個結構中，同軸電纜段基本上所有的放大器都被去除了(除了那些在節點接收機內部的)。只有無源的同軸電纜才被用于向用戶家庭傳送信號。這種最終的同軸電纜也被用于電路交換或IP上的語音(VoIP)業務的家庭終端的網絡電力供給。這種結構特性保持了對各種不同信號格式和協議對整個HFC網絡的透明性，因此它完全支持目前業務的已有的操作。

　　工業界面臨的另一項挑戰,是在減少不斷增加的成本的同時，為未來的業務擴展和增長提供靈活性。為了解決這個問題，在它們的地理位置的基礎上，MFN與三條光纖以雛菊鏈的方式相連：一個攜帶下行流的廣播信號，一個攜帶剩下的下行流小范圍廣播信號，一個攜帶上行流信號。這種拓撲技術實現了光纖總線(物理的)結構。它的好處是簡化了處理并減少了相關成本，以及帶來了未來擴展的靈活性(光纖總線以后可以擴展以覆蓋更多的區域)。分析顯示，這種結構的成本與傳統的HFC網絡的成本相同。

　　在物理總線的基礎上，邏輯星型或總線操作都可以實現。譬如在使用反向傳輸的情況下，每個MFN能夠進行循環功能以實現總線操作。另一方面，利用WDM技術，邏輯星型可以由不同波長攜帶的每個MFN來實現反向傳輸。

7. 結論

　　線性光波技術使得在HFC基礎結構上的RF副載波鏈路得以實現。這種端到端的透明鏈路,為有線電纜提供了許多不同的業務傳輸機制和新的業務機會。本文中舉例說明的PDN和MFN是HFC網絡結構的兩個高級的例子。

　　MFN的下一步甚至會更加令人興奮。這種網絡將使得HFC有線網絡能夠向用戶提供接近對稱的數字帶寬，包括向住宅用戶和商業用戶提供交換10Mb/s和100Mb/s業務的能力。這種額外的帶寬將通過減少有線電視系統上的模擬信號的數量來獲得，為數字業務釋放出更多的容量。這些數字業務將包括視頻和數據。

　　這些網絡將顯示出無源光網絡(PON)的許多特性，但是成本卻低得多。不但新的業務機會將成為現實，而且網絡本身也將變得更加可靠。

　　為了達到端到端的可治理寬帶業務的潛能，基礎網絡必須發展成能夠支持幾乎無處不在的高速對稱帶寬。有線HFC網絡正處在提供這些能力的軌道之上。隨著光電子技術的不斷發展，HFC將能夠提供最輕易升級的高帶寬網絡。