Таблица 9.4. Основные параметры физического уровня для трех типов нисходящих потоков: A, B, C

Подводя итог вышеизложенному, сформулируем основные принципы, на которых строятся HFC сети, и тенденции их дальнейшего развития.

•Гибридная система: волоконно-оптический кабель плюс коаксиальный кабель и витая пара. Заложен постепенный переход к инфраструктуре FTTH с развитием технологиче- ской и экономической базы.

•Гибридная передача информации: аналоговая и цифровая. Допускается постепенный переход к использованию только цифровой передачи.

•Широкополосные асимметричные потоки: поток от головной станции к абоненту значи- тельно превышает обратный. Допускается постепенная миграция к более симметричному трафику, когда возрастает объем восходящих потоков, в частности использование высокочастотной части спектра до 1 ГГц для двунаправленного сервиса.

•Распределенная архитектура сети: сетевые устройства устанавливаются на головной станции, с распределительным узлом на абонентской стороне. Возможно постепенное выравнивание интеллектуальности между элементами сети.

•Интегрированные потоки информации, охватывающие почти все ее типы: голос, видео, данные различных форматов. Стандартом IEEE 802.14 предусматривается переход к универсальному транспорту информации на основе технологии ATM.

•Интеллектуальное централизованное управление сетью, мониторинг, тестирование, распределенный доступ к управлению. Допускается перераспределение информационных потоков с дифференциацией потоков для организации услуг и потоков управления элементами сети.

•Живучесть: "гнездовая" структура с резервированием кабельной части сети и основного оборудования. Автоматическое переконфигурирование в случае аварии. Распределенные комплексные системы питания.

Как видно из перечисленных характеристик, сети HFC являются гибридом во всех смыслах: "оптика – медь"; "цифры – аналог"; "широкий диапазон – узкий диапазон"; "распределенность – централизация"; "универсальность данных – специальные протоколы". Таким образом, сеть HFC дает возможность постепенному переходу от традиционных абонентских сетей к более перспективным сетям, максимально используя существующую кабельную инфраструктуру и телекоммуникационное оборудование.

9.3. Платформа доступа Homeworx

Рассмотрение многих инженерных решений, технических характеристик легче проводить на основе конкретного оборудования. Это позволяет лучше понять все достоинства и недостатки сети HFC. Далее рассмотрена платформа доступа Homeworx™ фирмы ADC Telecommunications, [4].

Предоставляемые услуги

Основные виды услуг, предоставляемые платформой Homeworx, приведены в табл. 9.5.

Таблица 9.5. Услуги, предоставляемые платформой Homeworx

Основные элементы архитектуры

Элементы архитектуры Homeworx охватывают все этапы доведения информационных каналов от головной станции через оптические распределительные узлы до абонентов:

1.Оборудование головной станции и центрального узла:

Оптические передатчики, приемники и трансиверы. Комбайнеры, модуляторы, шифра-

торы, мультиплексоры. Головной цифровой терминал (HDT). Элементы системы контроля и управления. Системы широкополосной беспроводной связи. Устройства пассивной оптики.

2.Оптические распределительные узлы (ODN):

Оптические узлы. Системы питания, оптические усилители, шкафы для размещения

оборудования.

3.Оборудование, устанавливаемое на стороне абонента и непосредственно у абонента:

Устройства интегрированного сервиса для выделения цифровых каналов с преобразо-

ванием интерфейсов (ISU, модемы, мосты, маршрутизаторы, устройства преобразования форматов данных). Set-top-unit – для видеосервиса. Приемо-передающие устройства мобильной связи.

4. Волоконно-оптическая и коаксиальная кабельная системы:

Оптические передатчики. Устанавливаются на головной станции и преобразуют высоко- частотный электрический сигнал в оптический с аналоговой модуляцией в диапазоне 50-750 (862) МГц. Передача осуществляется на длинах волн 1,3 мкм или 1,55 мкм с мощностью выходного сигнала более 10 дБм. Намечен выпуск экономичных передатчиков, основанных на использовании мощного лазера с постоянным излучением и внешним модулятором. При использовании длины волны 1,55 мкм возможно применение оптических усилителей. Модульное устройство HWX™ (рис. 9.6 а) позволяет подключить до восьми передающих модулей. С уче- том возможности пассивного разветвления оптических сигналов, число удаленных оптических распределительных узлов, подключенных к одному шасси HWX, может быть еще больше.

Ðèñ. 9.6. Внешний вид: а) модульного шасси HIU с оптическими передатчиками, устанавливаемыми в головном узле, б) герметичной муфты ODN [7]

Оптические приемники. Устанавливаются на головной станции. Имеются приемники с шириной полосы 50-750 (862) МГц, которые используются для межстудийной передачи основной полосы и четырехканальные приемники оптического сигнала в диапазоне 5-42 МГц для приема обратных каналов.

Оптические трансиверы. Имеют модульную структуру и предназначены для приемапередачи в диапазонах интерактивного сервиса. Узел, обеспечивающий подключение к районной или городской АТС, а также доступ в Internet, может не совпадать с головным узлом студии кабельного телевидения. В этом случае необходимо использовать трансиверы. Трансиверы позволяют разделить оборудование для интерактивного сервиса (телефонии, приема передачи данных, интерактивного видео) и оборудование широковещательного аналогового телевизионного сервиса. "Телефонные" волокна должны проходить от центрального узла к каждому оптическому узлу. Телефонная часть сети HFC должна иметь полный горячий резерв, в то время как составляющая оборудования кабельного TV предъявляет меньшие требования по надежности. Кроме того, оптический сигнал, несущий телевизионные каналы, может расщепляться пассивными оптическими разветвителями в различных местах волоконно-оптичес- кой кабельной системы для снижения стоимости этой части проекта.

Головной цифровой терминал (HDT). Устанавливается в центральном узле и служит для сопряжения сети Homeworx с цифровым коммутатором. HDT поддерживает до 28 каналов T1 или до 24 каналов E1. При этом обеспечивается совместимость со стандартами сигнализации TR-008 или TR-303 (Северная Америка) или CAS или V.5 (Европа). HDT выполняет цифровые кросс-переключения полных каналов DS0 (64К) при использовании безблокировочного модуля обмена тайм-слотами (TST) и разграничивает локально-коммутируемые каналы от нело- кально-коммутируемых или некоммутируемых. Он также может поддерживать услуги ISDN.

Оптический распределительный узел (ODN) является промежуточным распределительным узлом, в котором сопрягаются один или несколько ВОК, идущие в головной офис или к другим ODN, а также коаксиальные ветви, идущие к абонентам. ODN обеспечивает доведение до абонентов телефонии, видео и/или других видов сервиса. ODN может конфигурироваться как концентратор обратных каналов, когда восходящие потоки от четырех коаксиальных сегментов будут мультиплексироваться и передаваться в один оптический обратный сигнал. Питание узла локальное или дистанционное по коаксиальной кабельной системе. ODN выполняется в виде герметичного модуля, внутри которого сосредоточено электронное оборудование для приема/передачи сигналов, идущих по ВОК и коаксиальным кабелям (рис. 9.6 б). Отметим, что в случае локального источник питания, ODN сам может запитывать по коаксиальным ветвям удаленное оборудование на абонентской стороне, в частности, различные контрольные датчики, которые будут продолжать работать даже при отключении питания у абонента. Такая возможность полностью исключена в концепции FTTH.

Телевизионное абонентское устройство STU (set top unit) устанавливается у абонента и выполняет декодирование цифровых потоков видеоданных (MPEG-2/3) в реальном времени.

Устройство STU осуществляет декомпрессию в соответствии с инструкциями, содержащимися как часть цифрового потока. Кодер-модулятор может поддерживать разные скорости и типы потоков данных, как видео так и не видео. Это позволяет обеспечить не только видеотрансляции для абонента, но и передачу определенных файлов данных. Инструкции о доступе формируются в кодере и передаются на все каналы, однако только тот STU адрес, который указан в инструкции, может декодировать данные, содержащиеся в приходящих пакетах.

Необходимая битовая скорость передачи любой определенной части сжатого материала зависит от способа, которым это сжатие производилось (табл. 9.1). Стандарт компрессии MPEG-2 позволяет вести передачу со скоростью от 1,5 Мбит/с (низкий уровень компьютерного видео) до 60 Мбит/с (HDTV) при скорости не более 15 Мбит/с, приемлемой для NTSC, PAL и SECAM. Требуемая битовая скорость определятся в момент запроса абонента при выборе конкретного типа видео-приложения.

Устройство доступа для мобильных услуг. В зависимости от требований заказчиков и топологии сети возможен любой из ниже перечисленных вариантов использования HFC для мобильных услуг.

•Драйвер для удаленной антенны мобильной сети (RAD); подключается непосредственно к коаксиальному кабелю.

•Микросота с оптоволоконным подключением. Устанавливается рядом с оптическим узлом.

•Микробазовая станция сотовой связи. Использует каналы E1 (T1), предоставляемые сетью HFC.

Кабельные модемы для передачи данных. Отдельные устройства или модули в ISU (см. ниже). Обеспечивая передачу данных со скоростью от 64К (RS232) до 512К (вплоть до возможности предоставления интерфейса Ethernet 10Base-T), кабельные модемы хорошо подходят для организации доступа к сети Internet.

Однопользовательское устройство интеграции услуг (Home ISU). Предназначено для выделения телефонных каналов, каналов данных и подключения телевизора. Устанавливается в резиденции пользователя с доступом для обслуживания и является точкой разделения пользовательской сети и сети HFC. Базовая модель обеспечивает одну или две телефонные линии с возможностью удаленного включения, выключения доступа и видеосервис. Это устройство позволяет оператору связи следить за предоставлением пользователю услуг телефонии и CATV без выезда на место (дистанционный мониторинг и управление с головного узла). Имеется дополнительный слот, в который может быть установлен или модем Ethernet, или модуль ISDN, или дополнительно до двух телефонных линий.

Многопользовательское устройство интеграции услуг (MISU). Используется для подклю- чения абонентов при их высокой территориальной концентрации (в многоэтажных домах, на предприятиях и т. п.) и предоставляет через HFC следующие виды услуг: телефонию, подклю- чение местных телефонов-автоматов, Ehernet /Internet (до 512 кбит/с), E1 транспорт, ISDN BRI, каналы E&M, аварийную сигнализацию.

MISU имеет различные варианты исполнения от 12 до 96 телефонных линий и модульную структуру, причем все порты между HISU и различными MISU – взаимозаменяемые. MISU может устанавливаться в колодец, на подвесной кабель, в стойку, в распределительный шкаф и т. д. Питание локальное или дистанционное по коаксиальной сети.

Система контроля и управления сосредоточена в головном узле и обеспечивает полный контроль и управление всеми элементами сети Homeworx. Имеющаяся в настоящее время система управления обеспечивает интерфейс управления к одиночному элементу или ко всем компонентам уровня управления элементами сети (сервер EML). Дистанционная диагностика и контроль, предотвращение ошибок, локализация повреждений необходимы для нормального функционирования телекоммуникационной магистрали. Одним из элементов системы управления является узел сетевого мониторинга и управления (NMCS), который собирает и обрабатывает сигналы аварии и сигналы статус-индикаторов из центрального офиса, оптиче- ского распределительного узла коаксиальных усилителей и ISU. В частности, сервер EML может быть установлен отдельно для системы управления телефонией и для учета времени телефонных переговоров.

Структура потоков и транспортные характеристики Homeworx

Восходящие потоки (от абонента к центральному офису) передаются в полосе 5-42 МГц. Под нисходящие потоки (от центрального офиса к абоненту) отведена полоса частот 50-750 (862) МГц. Полоса 750-1ГГц зарезервирована под будущий двунаправленный широкополосный сервис (видеотелефония и др.).

Для передачи телефонных каналов применяется технология OFDM (orthogonal frequency division multiplexing), позволяющая получить эффективную плотность передачи 4,2 бита символьного потока на один герц. Передача каналов осуществляется в окне 6 МГц, в котором располагается 480 поднесущих (тонов). Система коррекции сигнала обеспечивает малый ко-

эффициент ошибок (BER= 10–9 ) при скорости передачи 2 Мбит/с. В полосе 6 МГц размещается 240 каналов DS0 (64 кбит/с). Для восходящих телефонных каналов отводится полоса шириной 18 МГц (12-30 МГц ), поэтому максимальное число восходящих телефонных каналов в одном коаксиальном сегменте равно 720 (3х240).

Полоса частот 5-12 МГц является служебной и предназначена для осуществления мониторинга сети, передачи информации статус-контроля и управления удаленными элементами сети.

Полоса 54-550 МГц отводится под нисходящие аналоговые телевизионные каналы. В этой полосе размещается 60 каналов системы PAL, SECAM или 110 каналов NTSC. Полоса частот 625-750 МГц отводится под нисходящие телефонные потоки, при этом канальная емкость нисходящего потока в четыре раза больше, чем восходящего (2880 каналов DS0 64 кбит/с). При доминировании видеосервиса полоса частот 550-750 МГц может использоваться для передачи 400 цифровых видеоканалов, сжатых по алгоритму MPEG-2,MPEG-3 до 3 Мбит/с, с использованием алгоритмов модуляции VSB-16 или QAM-256.

Почему используется технология OFDM? Помехи при передаче цифровых сигналов бывают двух видов. Узкозонные помехи (как подразумевает название) проявляются в окрестностях определенной частоты, и оказывают длительное влияние. Импульсные (широкозонные) помехи, напротив, имеет широкую спектральную зону, но небольшое время действия. Основной причиной узкозонных помех служат широковещательные сигналы, например сигнал любительского радио. Такая помеха может также появляться непреднамеренно от электромагнитных излучений со стороны работающих электронных устройств. Хотя теоретически HFC и защищена от такого рода сигналов, любой полезный сигнал, распространяясь в коаксиальном кабеле, может испытывать интерференцию с этим шумовым фоном. Импульсный шум, приводящий к широкозонным помехам, может появляться от эпизодически появляющихся наводок, например, вследствие электромагнитного сигнала, возникающего в момент зажигания при запуске двигателя или при включении определенных электрических приборов.

Восходящий поток в сети HFC сильней подвержен влиянию шумов по сравнению с нисходящим. При этом главным источником шума являются узкозонные помехи.

Способность сигнала противостоять влиянию шумов во многом зависит от используемой модуляционной техники. Как отмечалось ранее, для восходящего потока обычно используется техника временного мультиплексирования TDM с модуляциями QPSK или QAM-16 высокой степени избыточности. Так, большое число сигналов емкостью DS0 помещается на один радиочастотный (RF) носитель. Узкозонная помеха, появившаяся в любой части носителя, может привести к повреждению всех сигналов на носителе. Это создает серьезные проблемы при использовании мультиплексирования TDM, поскольку узкозонные помехи большой амплитуды могут создаваться довольно часто.

Один из основных способов борьбы против узкозонной помехи – смещение частоты носителя и соответственно всего RF блока сигнала в другую спектральную область, где помеха не сказывается. К сожалению, это требует резервирования в точности такой же области, как и размер RF блока. Резервирование таких больших областей может серьезно уменьшить и без того уже ограниченную полную емкость восходящего канала.

Системы частотного мультиплексирования FDM (в частности, OFDM) используют другой подход. Каждый из каналов DS0 помещается на свой индивидуальный RF носитель, рис. 9.7. Индивидуальные RF несущие продолжают подвергаться влиянию узкозонных помех, но реально одна такая помеха, которая ранее блокировала десятки каналов DS0 (когда был один носитель при TDM/QPSK), теперь может влиять только на один DS0 канал, не затрагивая остальные каналы. Таким образом, необходимо дополнительно зарезервировать только небольшой спектральный сегмент, в который при возникновении помех будут смещаться те каналы DS0, на несущей частоте которых возникает помеха. В результате значительно увеличи- вается эффективность использования предоставленной полосы в восходящем потоке.

Система спектрального смещения

Обычно в ODN осуществляется частотное мультиплексирование восходящих потоков от четырех коаксиальных ветвей и дальнейшее преобразование в выходной оптический сигнал, модулируемый в области спектра 5-42 МГц. Это накладывает ограничение на предоставляемые абонентам спектральные окна в восходящем потоке; абоненты, независимо от того, под-