宽带接入技术(HFC)

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文摘 要随着Internet网的迅猛发展，人们对远程教学、远程办公、远程医疗、可视电话、VOD点播、WWW浏览等宽带业务的需求正大幅度增加，电子商务也已成为网络应用的一大热点，这使得信息高速公路“最后一公里”的宽带接入技术迅速发展。HFC网络正以其独特的带宽优势和极高的普及率受到宽带接入网研究者的瞩目和研究重点研究了HFC接入网回传通道的噪声问题，以及为解决噪声问题而采用的集中分配式HFC网络和S-CDMA电缆调制解调器等。最后对宽带接入网建设的一些问题进行了探讨，对HFC和LAN接入以及ADSL技术作了比较，并结合我国的接入网状况，提出了HFC宽带接入应采用的方案。关键词：宽带接入网 HFC S-CDMAAbstractWith the rapid development of Internet network, peoples demands on broadband services, such as remote instruction, telecommuting, telemedicine, Visual telephone, VOD, WWW browse, are increasing sharply. E-business has also becomes a big hotspot. As a result, the technology of broadband access network, the last kilometer of information superhighway, is developing promptly. HFC network is catching more and more attentions because of its particular advantage of bandwidth and high popularizationIt emphasizes on the noise of HFC broad band in backhaul channel, and also studies the applied HFC broadband and S-CDMA cable model in order to wipe out the noise. After the discussion of the problems in the HFC broad band construction, it compares the HFC with the technique of ADSL and connection of LAN, and then falls together with Chinese band connection status, HFC broad band connection should be applied in this way.Keywords:Broadband Access Network Hybrid Fiber Coax Synchronous division multiple access目 录前 言11 宽带接入网介绍31.1 宽带接入网的定义31.2 宽带接入网的主要技术51.3 宽带接入网的优势72 HFC宽带接入网技术简述92.1 HFC网的组成与基本原理92.2 HFC接入网的频段分配122.3 HFC网的拓扑结构132.4 HFC网的基本模式152.5 基于HFC网的Cable Modem技术152.6 HFC宽带接入网技术要解决的问题172.7 HFC双向传输的实现方式183 HFC宽带接入网技术研究213.1 HFC业务的扩展213.2 HFC网回传通道的噪声问题223.2.1 HFC上行通道的噪声特性分析223.2.2 反向通道的噪声及干扰对数据通信的影响243.2.3 反向通道噪声的削弱技术243.2.4 HFC上行通道多路用户接入的方式263.2.5 HFC上行通道的噪声与控制273.2.6 HFC上行通道的传输特性293.3 集中分配式HFC网的抗噪声技术303.4 S-CDMA技术应用于HFC网络303.4.1 回传噪声的“漏斗效应”313.4.2 S-CDMA技术的基本原理313.4.3 S-CDMA技术应用于HFC网络323.4.4 基于S-CDMA技术的传输系统在传输速率的优越性343.4.5 总结354 宽带接入网建设若干问题的讨论374.1 HFC有线电视CABLE接入与LAN接入的选择374.1.1 CABLE MODEM 接入成本和LAN接入成本对比374.1.2 CABLE MODEM 接入和LAN接入管理成本对比384.1.3 CABLE MODEM和LAN市场进入门槛的比较394.2 HFC宽带接入技术与ADSL技术的比较394.3 CABLE MODEM 的选择404.3.1 DOCSIS1.0调制解调器414.3.2 OFDM技术414.3.3 S-CDMA技术42致 谢45参考文献4643前 言1996年美国通过的电信法案是持续至今的、改变电信运营管制体系这一历史潮流的重要标志之一，尽管偏之于一隅，但是该法案本身确实也是对业已发生的电信体制变革运动的承认。在这一潮流的推动之下，市场和技术快速地合流，在市场、技术和正在变更的电信管理制度的联合冲击中，加在服务运营商和网络营造商身上的压力是巨大的。 对企业通信用户来说，他们迫切需要电信运营商在小城市之类的局部地区能投入更大的力量。同时，整个新兴市场-家庭办公、Internet和万维网（World Wide Web）等等都在无一例外地创造着巨大的家庭需求，这些新业务需求在某些场合下甚至超过了几年前企业全部需求的总和。 市场的剧烈变动在几乎每一种情况下都成为企业激烈争夺的战场。商业、技术、教育和娱乐等诸多行业之间的壁垒都飞速地消失得无影无踪。Web的横空出世和随后进入所有人的生活就是这一剧烈变化的明显实例。对网络服务供应商来说，他们唯一能确定的就是用户的需求还会持续地不断增长下去。 增长中的市场必定会产生竞争。电信领域在数十亿上百亿美元市场的诱惑之下，其竞争将会趋于白热化。虽然没有任何东西可以确定下来，但把钱压在网络融合这个主题上总是错不了的，今天各成一统的服务：语音、视频和数据最终都会融合成单一的综合服务。宽带接入网的主要技术有铜双绞线接入（xDSL），光纤同轴混合接入（HFC）以及光纤接入（FTTH）等。下面首先简要介绍一下宽带接入网的定义和主要技术，以及其主要优势。1 宽带接入网介绍1.1 宽带接入网的定义接入网（AN: Access Network）是指用户和端局（即本地交换局）之间的所有机线设备，具有复用、交叉连接和传输等功能，能支持各种交换型和非交换型业务。图1-1给出了接入网在整个通信网中的位置分布图。其中：用户是指用户终端设备（如计算机、电话机等）和用户驻地设备（如用户交换机等）；核心网是指本地局与市话局、市话局与长途局、长途局与长途局之间的所有区段。可见，接入网是用户与核心网之间的中介网，也可以看成是公共通信网的末端网。图中还给出了接入网与用户之间的接口UNI（称为用户-网络接口）、接入网与核心网之间的接口SNI（称为业务节点接口）。利用这些接口，也可以定义接入网是指UNI和SNI之间的所有机线设备。接入网将来自用户的所有业务流组合后通过公共传输通道送往业务节点（如：本地交换机等），反过来则将来自业务节点的业务流分开后送往各个用户，其中需要完成UNI信令和SNI信令的转换，但接入网本身并不解释和处理信令的内容，即对用户信令透明。按照线路的转接配置，端局到用户之间的线路连接结构如图1-2所示。其中：端局本地交换机（LE）和交接箱之间用大径多芯（几百至几千对芯）馈线连接，交接箱和分线盒之间用小径多芯配线连接，分线盒和用户终端之间是用细径双芯引入线连接。交接箱的作用是完成馈线和配线之间的交叉连接，分线盒的作用是完成配线和引入线之间的分路/合路。通常馈线长几公里，配线长几百米，引入线长几十米。传统的电缆接入网就是这种结构。UNIUNI公共通信网接入网接入网核心网开一用户用户用户用户用户用户.SNISNI图1-1 接入网在整个通信网中的位置配线馈线引入线LE交接箱分线盒用户终端用户终端用户终端用户终端端局图1-2 端局到用户之间的线路连接结构接入网的目的是综合考虑本地交换局、用户环路和终端设备，通过有限的标准化接口将各种用户的需求接入业务节点。接入网的引入给通信网带来了新的变化，使整个通信网络结构发生了根本的变化。由于受传输损耗、传输带宽及噪声等的限制和影响，现行铜线接入网已越来越难以满足电信新业务发展的需求，并逐步成为宽带综合业务数字网的瓶颈所在。作为交换局与用户终端之间的连接纽带，接入网的数字化、宽带化理所当然地被提到议事日程，成为当前电信网发展的焦点之一。近来，随着技术成本的持续下降、电信市场的日益开放以及以IP为代表的数据业务的爆炸式增长，网络的带宽与容量再次成为热门话题和紧缺商品。以美国为代表的发达国家的骨干网正向超高速和超大容量的方向发展，高达160Gbps(1610Gbps)的波分复用系统已投入应用,同时，为了适应这一新的形势，接入网的宽带接入技术也呈现了新的发展态势。1.2 宽带接入网的主要技术（1） 接口技术主要指V5接口。V接口是数字交换机的数字用户接口，定义在本地交换机的用户侧。与以前定义的V1到V4接口不够标准化相比，V5接口综合考虑了本地交换机，用户环路与终端设备，是用户数字传输系统和交换机相结合的新型数字接口，目前已标准化的有V5.1（G964）和V5.2（G965）接口，前者支持2Mbps速率的业务，后者支持多达16个2Mbps，将来还准备定义针对SDH速率的V5.3接口和针对宽带业务的VB5接口。（2） 光纤接入光纤是目前传输带宽最宽的介质，目前主干网中已大量采用光纤，如果将光纤应用到用户环路中，定能满足将来各种宽带业务的需要。可以说，光纤接入是宽带接入网的最终形式，但目前要完全抛弃现有的用户网络，全部重新铺设光纤，对于大多数国家和地区来说还是不经济不现实的。（3） 混合接入主要有混合光纤/同轴（HFC）技术，同轴也是一种带宽较宽的介质，目前CATV网就是一种混合光纤同轴网络，主干部分利用光纤，然后用同轴经分支器接入各家用户。HFC接入技术的一大优点是可以利用现有的CATV网，从而降低网络成本。（4） 铜线接入铜线接入以现有的电话线为传输媒介，利用各种先进的调制技术和数字信号处理技术，来提高铜线的传输速率和距离。但是铜线的传输带宽毕竟有限，铜线接入方式的传输速率和传输距离是一对难以调和的矛盾。（5） 无线接入无线用户环路（WLL）指利用无线技术为固定用户和移动用户提供电信业务，因此无线接入可分为固定无线接入和移动无线接入，采用的无线技术可以包括微波，卫星等。无线接入的优点有：初期投入小，能迅速提供业务，无线接入不需要铺设线路，所以可以省去铺线的大量费用和时间；灵活，可随时按需进行变更，扩容，抗灾难性强；当然无线用户也有许多缺点，如性能不如有线方式，质量不稳定，受环境影响大，目前还难以提供宽带接入，虽然现在已经开始研究利用ATM技术的无线接入系统，但离现实有很大的距离。对于各种接入技术，对于不同的国情，不同的应用场合，应比较各种技术的优缺点，灵活选择。目前世界各地所采用的接入技术就是五花八门的，但总的来说目前实际应用的宽带网络中，提供宽带业务的宽带接入网络主要有三种：光纤接入网，HFC网和铜线接入网。许多专家学者和工程技术人员相继发表文章陈述各种技术的利弊，激烈的争论和技术本身的飞速发展使得广大技术人员感到有些无所是从，在一定程度上影响了接入网的建设，改造。本文主要对HFC宽带接入网的技术问题进行了分析讨论，重点研究了HFC接入技术的国际标准，协议，回传通道的噪声问题，以及为解决噪声问题而采用的集中分配式HFC网络和S-CDMA电缆调制解调器等，最后对宽带接入网建设的一些问题进行了讨论，综合我国的接入网状况，提出了适合我国现状的宽带接入方案。1.3 宽带接入网的优势宽带接入网的技术实现手段有多种，包括铜线上的DSL和以太网技术，同轴电缆上的HFC技术，光纤上的各种有源和无源技术，以及无线上的宽带接入技术等。当前各种宽带接入技术都在发展和应用，从世界范围看，电信公司是以ADSL为主发展的。根据ATM论坛的统计，2004年第一季度全球已有7340多万ADSL宽带用户，其他宽带接入技术的用户量都不是很大。目前的ADSL技术是建立在铜线基础上的宽带接入技术，然而铜是世界性战略资源，所以随着国际铜缆价格的持续攀升，以铜缆为基础的xDSL的线路成本会越来越高；其次，作为有源设备，电磁干扰难以避免，维护成本也会越来越高；最后，随着全网的光纤化进程继续向用户侧延伸，端到端宽带连接的限制将越来越集中在接入段，目前ADSL上行1MBit/s和下行8MBit/s的连接速率已无法满足高端用户的长远需求。尽管ADSL2和ADSL2技术有望缓解这一压力，但其速率和传输距离的继续大幅度提高是受限的，不能指望有本质性突破。显然，随着光纤在长途网、城域网乃至接入网主干段的大量应用，逻辑的发展趋势将是继续向接入网的配线段和引入线部分延伸，关键是推进速度有多快。这将取决于多种因素，包括市场的需求、竞争的需要、应用的刺激、技术的进步、成本的下降以及配套运维系统的开发，等等。我国举办2008年奥运会和2010年世界博览会这两大事件将在一定程度上推进宽带光纤接入网的发展。下面将重点从技术角度来分析几种主要宽带光纤接入技术的特征、问题和发展趋势。2 HFC宽带接入网技术简述HFC（Hybrid Fiber Coax）是光纤同轴混合网的简称，即在同一个网络上同时传输分配式的广播电视（即有线电视）业务与交互式的电信业务。这种网络中模拟信息与数字信息并存，其结构就是在光纤到馈线（FTF）的有线电视网基础上发展（或升级）起来的光纤/同轴混合（HFC）网。这一技术概念提出之后，无论是有线电视经营公司还是电信经营公司都给予HFC网络极大的关注，并将它作为宽带接入网的优选方案。经过几年的技术发展，HFC技术日益成熟起来。2.1 HFC网的组成与基本原理HFC（Hybrid Fiber Coax）即光纤同轴混合网。HFC的基本结构为前端（HE，Head End）到光接点（ONU，Optical Network Unit）之间采用光缆传输，在光节点和用户之间再用同轴电缆入户。典型的HFC网络可分为三个主要部分：前端光传输链路用户，同轴电缆分配网和用户端设备。图2-1所示为HFC网络体系组成简图。模拟视频数字视频TV。PC电缆分路器。光纤光纤节点语音 数据局端设备电话电话PCTVTV分路器图2-1 HFC网络结构简图（注：灰色方块是用户接口盒，菱形是放大器）HFC网的工作原理如下：HFC网中所有语音,数据,模拟视频,数字视频信息经由相应调制转换成射频（即HF、VHF、和UHF）模拟信号，经由频分复用方式合成一个宽带射频电信号，加到前端的光发射模块上调制成光信号发送出去；光信号通过光纤传输到光纤节点后转换为射频电信号，再经射频放大器放大后由同轴电缆分配网送到相应分支点；再由用户接口盒中的调制/解调器接收相应频带的信息，并进行解调得到所需信息。各组块的功能如下：（1） 局端（又称前端）设备完成电信号调制/解调、电/光和光/电转换（即光发送和光接收）、合路/分路、应答控制等功能。（2） 光纤节点（FN）写成光/电和电/光转换（即光接收和光发送）以及电信号解复用和复用等功能。（3） 分路器（又称分支器）分路器是多根同轴电缆的交接点，完成电信号的分路/合路。（4） 放大器完成同轴电缆信号放大的功能。（5） 用户接口盒（UIB:User Interface Box）安装在每个住户内提供以下接口转换功能：使用50欧同轴电缆将机顶盒（STB:Set Top Box）连接到用户TV上，或者使用75欧同轴电缆直接连接到用户TV；使用双绞线将内置调制/解调器和PCM编解码器连接到用户电话机上；使用同轴电缆（50欧）将内置电缆调制/解调器（Cable Modem ,又称线缆调制/解调器）连接到用户计算机上。（6） 电缆调制/解调器(Cable Modem)它的主要功能是将数字信号调制到射频上进行传输，接收时进行解调。此外，Cable Modem还具备与外部主干网的接口、协议转换、智能化的网络控制与管理等功能。因此，要比传统的电话拨号调制/解调器复杂得多。Cable Modem的上行信道一般采用较可行的QPSK（正交相移键控）调制方式，上行速率最高可达10Mb/s。下行信道采用的典型的调制方式，有QPSK和QAM64（64元正交幅度调制）等，下行速率最高可达36Mb/s。50的同轴电缆STB 内置调制解调器 内置电缆调制解调器和PCM编解码器 用户TV用户电话机用户计算机双绞线图2-2 用户接口盒提供的接口转换功能50的同轴电缆（7） 机顶盒(STB)它是一种用来扩展现有模拟电视机功能的终端设备，它可以将各种数字信号转换成模拟电视机能够接收的信号。STB的接收信号是已压缩的数字视频信号，因此STB内含有解压器和解码器。2.2 HFC接入网的频段分配HFC接入网的频段分配如下：上行通道（Upstream Channel）使用5-42MHz频段（高频HF和甚高频VHF），用来传送上行电话及用户请求/控制信号；下行通道（Downstream Channel）使用50-1000MHz频段（甚高频VHF和特高频UHF），其中50-550MHz频段用来传送模拟电视，550-750MHz频段用来传送数字电视（也可分出一部分频段用来传输下行电话及用户数据信号），750-1000MHz频段预留用来传送双向通信业务，如图2-3所示。上行通道：传送上行电话及用户请求/控制信号（5-42MHz）50-550MHz: 传送模拟电视550-750MHz: 传送数字电视750-1000MHz: 传送双向通信业务接入网频段分配下行通道：（50-1000MHz）图2-3 接入网频段分配2.3 HFC网的拓扑结构HFC网的网络拓扑结构概括起来有四种形式，即树形结构、星形结构、星-树形结构和环形结构。（1） 树形网络拓扑结构树形网络的干线光纤和同轴分配网都为树形结构。主干光纤采用树形结构就是采用多路光分路器级联, 如图2-4所示。但是光纤主干一般不采用树枝结构因为其优点只是光纤量较省，而缺点有三： 一、 光纤主干经多次光分路器分配后插入损耗较大，浪费光功率；二、 由各光分路器和各熔接点造成的多重反射将光链路的噪声的增加，非线性失真变大，劣化了系统的指标； （2） 星形网络拓扑结构星形网络的干线光纤和同轴分配网都为星形结构，为点到点连接，传输容量大、可靠性高、便于双向业务的传输，缺点是光缆和电缆设置大，网络建设和维护复杂，尤其是大中城市建设有一定难度，适合有实力的小城市。光发机图2-4 光纤主干树枝形网络拓扑结构光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机前端光发射机图2-5 光纤主干星形网络拓扑结构（3） 星-树形网络拓扑结构在有线电视HFC网络结构形式中，一般采用的是星-树形结构形式，即干线采用星形网络拓扑结构的光纤传输，最后一级的同轴电缆分配网采用树形。这是因为这种拓扑结构集星形和树形结构形式两者优点于一身。光纤主干采用星形的主要优点是：光分配一次到位，所有光分路器少，光纤熔接点少；某一光纤链路发生故障时，不会影响到其它光纤链路；网络的覆盖面广、传输容量大、可靠性高、易于实现双向多功能业务的传输。同轴电缆分配网采用树形结构即克服了电缆干线由于多级放大器引起指标下降的缺点，又提高了指标。由此可知,星-树形网络拓扑结构形式是目前较适合我国大中城市的网络拓扑结构形式。（4） 环形网络拓扑结构光纤主干是具有一主一备两条沿相反方向传输的双数字光纤环，故可靠性更高，覆盖面更广。但是环形光纤网造价较高，适用于大城市有线电视宽带综合信息网，特别是数字光纤环上采用SDH高速传输平台，建立一个由总前端中心管理和监控的网络，实现有线广播电视视频、数据、语音的综合传输应用，是HFC网的发展方向。2.4 HFC网的基本模式有线电视HFC网,无论是大型网络,还是中小型网络,其网络传输的基本模式有两种：（1） 独立总前端模式同一城市或同一区域的有线电视网共用一个前端,所有信号都汇集在总前端。汇集于前端的广播电视信号通过光发射机以VSB-AM方式转换为光信号(即E/O转换)从总前端输出后，通过星形或星-树形结构的光纤网络传输到各小区光节点，各光节点的光接收机将接收到的光信号还原为射频点信号(即O/E转换)，再经同轴电缆分配网络,将信号传送到各家各户的用户终端。这种系统模式是基于3HFC网，是有线电视HFC网中最基本的传输模式。（2） 分前端模式以城市或区域有线电视网的总前端为中心的多前端的传输模式。总前端的信号经星形辐射的数字光纤网络或模拟光纤网络馈送到各分前端的光节点。2.5 基于HFC网的Cable Modem技术基于HFC网（光纤和同轴电缆混合网）的Cable Modem技术是宽带接入技术中最先成熟和进入市场的，其巨大的带宽和相对经济性使其对有线电视网络公司和新成立的电信公司很具吸引力。 Cable Modem的通信和普通Modem一样，是数据信号在模拟信道上交互传输的过程，但也存在差异，普通Modem的传输介质在用户与访问服务器之间是独立的，即用户独享传输介质，而Cable Modem的传输介质是HFC网，将数据信号调制到某个传输带宽与有线电视信号共享介质；另外，Cable Modem的结构较普通Modem复杂，它由调制解调器、调谐器、加/解密模块、桥接器、网络接口卡、以太网集线器等组成，它无须拨号上网，不占用电话线，可提供随时在线连接的全天候服务。目前Cable Modem产品有欧、美两大标准体系，DOCSIS是北美标准，DVB/DAVIC是欧洲标准。欧、美两大标准体系的频道划分、频道带宽及信道参数等方面的规定，都存在较大差异，因而互不兼容。北美标准是基于IP的数据传输系统，侧重于对系统接口的规范，具有灵活的高速数据传输优势；欧洲标准是基于ATM的数据传输系统，侧重于DVB交互信道的规范，具有实时视频传输优势。从目前情况看，兼容欧洲标准的Euro DOCSIS1.1标准前景看好，我国信息产业部CM技术要求（征求意见稿）类似于这一标准。Cable Modem的工作过程是：以DOCSIS标准为例，Cable Modem的技术实现一般是从87MHz860MHz电视频道中分离出一条6MHz的信道用于下行传送数据。通常下行数据采用64QAM（正交调幅）调制方式或256QAM调制方式。上行数据一般通过5MHz65MHz之间的一段频谱进行传送，为了有效抑制上行噪音积累，一般选用QPSK调制（QPSK比64QAM更适合噪音环境，但速率较低）。CMTS（Cable Modem的前端设备）与CM（Cable Modem）的通信过程为：CMTS从外界网络接收的数据帧封装在MPEGTS帧中，通过下行数据调制（频带调制）后与有线电视模拟信号混合输出RF信号到HFC网络，CMTS同时接收上行接收机输出的信号，并将数据信号转换成以太网帧给数据转换模块。用户端的Cable Modem的基本功能就是将用户计算机输出的上行数字信号调制成565MHZ射频信号进入HFC网的上行通道，同时，CM还将下行的RF信号解调为数字信号送给用户计算机。Cable Modem的前端设备CMTS采用10BaseT，100BaseT等接口通过交换型HUB与外界设备相联，通过路由器与Internet连接，或者可以直接联到本地服务器，享受本地业务。CM（Cable Modem）是用户端设备，放在用户的家中，通过10BaseT接口，与用户计算机相联。2.6 HFC宽带接入网技术要解决的问题HFC宽带网业务的关键技术要解决四个问题：数字压缩技术、宽带交换技术、有限制接受系统和HFC LAN互联技术，下面分别对几种技术进行简单的介绍。（1） 数字压缩技术带宽一直是困扰通信界的大问题，尤其是传输数字化的运动图像。如何充分利用现有带宽传输尽可能宽的信号就自然而然地成为摆在我们眼前的课题。数字压缩编码这一新技术的出现给解决带宽的问题提供了途径。比如运用帧间预测、运动补偿预测、变换编码等技术制定的各种压缩图像标准JPEG（传真等）、PX64（会议电视、视频电话等）、MPEG（多媒体、CDROM、广播等）。（2） 宽带交换技术交互式宽带业务种类繁多，而且要求交换速率高。为此，CCITT设计了一种新的信息交换方式，实时性很强。交换方式从STM发展到ATM，可以说是交换技术的一次重大革命。（3） 有限制接收系统该系统是根据用户的权限，对用户进行收视管理、账户管理及授权的网络管理系统。整个系统大致包括前端用户管理系统、加密系统及用户机上变换器的解密、授权系统等。目前被大多数有线电视网采用的是一种加解密智能卡。（4） HFC LAN互联系统在ISO/OSI模型基础上，对物理层、媒体存取层（MAC）的协议上作些必要的修改，就可实现HFC网络互联。物理层是解决底层连接的电气特性问题，其中用户设备Cable Modem的国际标准目前已推出，其产品已上市；但MAC层协议IEEE802.14标准尚未制定出来，以前的MAC层协议（如802.3等）在运用于HFC广域网时都有各自的局限性。2.7 HFC双向传输的实现方式HFC接入网应具备承载上下行双向交互式多媒体宽带业务的能力，为实现双向传输，在对单向传输的有线电视网进行改造时，必须对前端、干线传输网、用户分配网和用户终端的设备作相应增加或改造。前端需要增加具有接收、运算、处理、显示信息等功能的设备，干线传输网必须增加双向滤波器，需要用新的双向放大器来取代原有的单向放大器，每个光节点也需由单向改造为双向，要增加电/光转换器，还要为上行信道增加回传激光束和回传光缆(或光波分复用器)，用户分配网的同轴电缆的带宽应升级到750MHz以上，用户终端设备除电视机外，还需配备能接收、发出指令和信息的设备，如PC机、电话机、摄像机、机顶盒STB、线缆调制解调器CM(Cable Modem)等。目前，为了提供上行回传信道，HFC接入网可采用SDM(空分复用法)、TDM(时分复用法)、WDM(波分复用法)和FDM(频分复用法)等方式。但目前解决同轴电缆分配网双向传输的主要手段还是频分复用法。空分复用法是采用双电线完成光节点以下信号的上下行传输，对于有线电视网来说，铺设双同轴电缆来完成双向传输，成本太高，因此SDM实际上是采用有线电视网与普通电话线相结合，但由于这种空分复用法存在上行窄带拨号接入固有的缺点，而且许多通信协议需要相互依赖的双向对称的通信能力，一个方向(上行)通信能力太弱会限制另一个方向(下行)的通信能力，所以SDM还没有成为解决同轴电缆分配网双向传输的主要手段。但是SDM可应用于光纤干线传输网部分，即每条干线采用双光缆完成光节点以上信号的上下行传输。SDM还可应用于前端与分前端之间，具有故障自愈功能的，双向双环光纤核心干线传输“环”型网的顺时针和逆时针方向的主路和备路信号的传输。时分复用法是在相同的传输介质上，对上行和下行信号进行时分复用，由于其技术较复杂，成本也较高，所以实际应用也不很广泛。波分复用法是采用单根光纤异波长双工工作方式，使上下行信号采用不同的光波长传送，波分复用法可用于光纤干线传输网部分。频分复用法是将光节点以下的电缆的工作频率作频率分割，利用不同的频段实现上下行信号的同时传输，一般低频段用于上行信道，高频段用于下行信道，上下行频段的分割点频率的高低，主要取决于HFC接入网要实现的功能和所需传输的信息量。3 HFC宽带接入网技术研究3.1 HFC业务的扩展在HFC的数据通信系统Cable modem中的采用IP协议，因而很容易扩展开通基于IP的业务。如IP的VOD业务，IP的Voice业务(IP Phone)等。（1）IP phone：Cable modem的传输协议是IP的，增加一定的软件和硬件就可以实现电话业务。目前，MCNS准备在它新的Cable modem标准中，加进IP Phone的内容。与此同时，Broadcom公司也宣布在它新的reference design BCM中支持IP Phone功能。 （2）DTV(Digital TV:数字电视)：在Cable modem系统中，物理层的数字调制与解调技术符合DVB标准，只需在有线电视前端和用户端增加视频编解码设备。这样可以使得Cable modem具有多功能的特点，可以避免进行数字电视广播的重复投资，同样也减少了用户端设备的成本。 （3）ITV(Interactive CATV,交互式有线电视)：Cable modem系统设备使得原来单向分配的HFC网络，变成了双向可进行数据传输的交互式系统，因而可以结合原有的电视业务开展ITV。提供VOD(VOD是目前信息高速公路建设的一个热点)，MOD等业务。综合上面的业务，在Cable modem研制成功的基础上，可以进一步开发多功能的Cable modem.除了具有计算机联网功能,提供Internet浏览外,同时具有数字电视接收和VOD机顶盒的功能。考虑到我国目前家电业的一个情况-VCD暴热，我们开发的Cable modem可以具有VCD的功能，实现很简单，也并不需要增加很多成本，只需加一个VCD/CD机芯配件。这样做比较符合中国的国情，也会因为Cable modem刺激一部分用户去购买计算机上网 。3.2 HFC网回传通道的噪声问题3.2.1 HFC上行通道的噪声特性分析有线电视如果要实现网络数据化的各种应用，HFC网络的双向改造是必然的。就其网络特性而言，HFC上行信道存在噪声汇聚干扰和回传信号均衡等技术瓶颈。所谓噪声汇聚干扰就是指从信号群经众多用户端及电缆引入各种干扰并汇聚成强大的干扰源，造成上行信号的C/N值严重低下，我们把这类干扰称之为汇聚干扰。回传信号均衡是指由于各用户上行信号经由不同的路由，其传输增益不同，造成各用户上行信号回传汇聚后呈现电平值严重不一致，这就是HFC网络上行通道的电平汇聚均衡问题。要解决这个问题需在噪声源头采用集线器分配入户，以堵住噪声。14HFC网上行通道中主要研究的是外部侵入噪声，共用通路失真,功率控制三个问题。（1） 外部侵入噪声外部侵入噪声就是来自系统外部的噪声，通过不同的方式耦合进入系统。HFC上行信道中的侵入噪声可以分为以下几类：脉冲噪声：脉冲噪声可能是用户端的某些突发脉冲产生的强磁场耦合进入电缆的馈线或引入线部分，或者通过空气的传播耦合进入用户端的设备中。如发动机点火，电器开关的通断，计算机等数字设备,闪电、天电干扰、来自银河系的噪声和静电泄漏等引起。窄带短波噪声：通常可以理解为在大气层中高频电磁场产生的电磁波在空气中传播，通过电磁耦合进入HFC网络的上行信道形成的。感应噪声：用户端的电气设备与同轴电缆的相对位置靠近，使该类高电平噪声耦合进入HFC网络的上行信道引起的。反射噪声：由于树型结构的HFC网络中同轴电缆的特性阻抗（75 ）与线路中的放大器、分支器等部件的接口阻抗不匹配，造成上行信号的反射，引起上行信道的信号间干扰。共模噪声：由HFC网络中设备的非线性造成的，例如连接器的氧化就会产生共模噪声。 （2） 共用通路失真共用通路失真是前向传输在上行通道中产生的干扰。产生的原因有二：一、前向线路的腐蚀,受腐蚀的金属好像一个混频二级管,从前向通道向反向通道辐射；二、同一机箱内前向放大器与反向放大器模块间有干扰,可能是双向滤波器隔离不充分。（3） 功率控制功率控制主要是针对双向网络的。单向网络不需要对用户的输出功率进行远程控制，而双向设备必须精确控制反向通道发送功率，因为若有一个用户输出过大，前端将无法接收其他用户信号。3.2.2 反向通道的噪声及干扰对数据通信的影响由于在542MHz频段内受各干扰较为严重，同时由于HFC网络的树型结构造成漏斗效应，从而引起反向噪声的叠加，使得反向通道的载噪比下降，引起数据通信中误码增加甚至通信中断。3.2.3 反向通道噪声的削弱技术（1）滤波：适用于脉冲噪声在每个用户的反向接头装上全阻滤波器，滤波器禁止任何用户反向传送信息。当用户要求双向服务时，移走全阻滤波器并为用户安装一个低通滤波器（LPF）以限制反向通道。因为低通滤波器只引许低频通过，而阻塞了高频分量。 （2）跳频：适用于窄带噪声在使用时分复用接入系统时，可能会有持久严重的窄带干扰以至于反向通道频带无法使用。这时，用户调制解调器的反向通道频率必须直接移至其他频带。CMTS向电缆网络调制解调器发送一条控制信息以指明新的发送频带，这样就完成了跳频操作。当反向通道频带较宽时，跳频处理就比较困难了。比如LanCity和Zenith的调制解调器使用6MHz的反向通道频带。当需要跳频时，他们必须在频谱中找到另一个连续的6MHz的频带。而有时这是不可能的。 （3）扩频：适用于宽带脉冲干扰扩频是指发送信号所占频谱远大于信息本身所需的最小带宽。对于各种形式人为的(如电子对抗中)干扰或其他窄带或宽带(扩频)系统的干扰，只要波形、时间和码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性，而有用信号将被压缩，见图3-1所示。信号干扰f(a) 接收输入端(b)解扩后图3-1 扩频系统抗宽带干扰能力示意图干扰信号f（4）搜索法定位噪声源的位置，然后切断噪声源与电缆的连接或者将可能造成噪声的电气设备接地或屏蔽了，以降低噪声对系统的影响。适用于感应噪声。（5）加强网络的维护和管理，及时发现和更锈蚀的电缆和接头,将噪声控制在允许的范围内。适用于共模噪声。（6）自动电平设定当某个调制解调器的输出电平不当时，CMTS通过前向传输发送一个信号，指导调制解调器修改电平。只有电平均衡了，才能不产生噪声干扰，也解决了回传信号均衡的技术瓶颈问题，从而缓解了反向通道传输中的功率管理问题。 （7）集中分配入户方式在实际应用中，对于新建，改造HFC网，可以采用集中分配方式，从噪声源头开始，采用高品质的集线器分配入户，以堵住噪声。3.2.4 HFC上行通道多路用户接入的方式HFC接入网上行信道多路用户接入的方式，主要有TDMA(时分多址接入)、FDMA(频分多址接入)和CDMA(码分多址接入)等方式。时分多址接入是将一条线路上的工作时间分割成周期性的、互不重叠的时隙，每个时隙分配给不同的用户使用，将不同用户的数据流分配到指定的不同时隙，并且采用带宽利用率比较高的调制方式如QPSK(四相键移调制)和64-QAM(正交幅度调制)等。频分多址接入是将一条线路的可用频带分割成互不重叠的部分，并分配给不同用户所要发送的载波使用，在FDMA中各载波的频率互不相同，每个用户的数据流占用一个载波频率，所有用户的数据流可在同一时间内发送。OFDM(正交频分复用)作为一种高质量的频分多址复用技术，现在不仅已用于数字音频广播DAB和不对称数字用户环路ADSL，有些HFC接入网的上行信道也采用OFDM技术方案。码分多址接入是一种基于扩频技术的通信方式，每个用户分配一个特定的扩展序列，所有用户的调制解调器共用一个射频信道，每个用户的调制解调器用一个伪随机码序列对输出信号进行调制。CDMA抗干扰能力较强，但以牺牲频带利用率为代价。上述三种多路接入技术具有不同的优缺点，且对不同的干扰噪声源表现出不同的抗干扰噪声的能力。如TDMA对窄带干扰十分敏感，FDMA的信息传输效率低，CDMA的容量受到多路接入干扰的限制等等。因此在HFC接入网上行信道中究竟采用何种多路接入技术，要依据网中干扰噪声源的类型而定，一般多采用TDMA和FDMA，或者使用FDMA与TDMA相结合的方式，以提高上行信道频带的利用率和上行信道抗干扰噪声的能力。如在一条具有若干时隙的TDMA线路上，通过在每个时隙增加几个不同的载波，可使该线路传输信息的能力提高几倍。3.2.5 HFC上行通道的噪声与控制由于HFC接入网的同轴电缆分配网是“树”型结构，因此上行信道的噪声是每条同轴电缆支路的反向放大器和用户产生的级联噪声以及各支路间噪声的累积叠加结果，这种规律称为噪声的漏斗效应。噪声漏斗效应的累积叠加规律为：假设噪声电平在每条支路的第一个反向放大器前都是相同的，而且噪声均来自用户的住宅中，若各用户的噪声是不同相位的非相关噪声，则累积叠加后的噪声漏斗效应因子NFF10lgn(n是用户数)，若各用户的噪声是同相位的相关噪声，则NFF20lgn，通常情况下，上述两种噪声都存在，NFF(10-14)lgn。噪声的漏斗效应对上行信道的信噪比影响很大。据有关资料统计，上行信道的干扰噪声，70来源于用户端，25来源于光节点后的分支系统，5来源于弯曲的同轴电缆。上行信道的干扰噪声来源通常可分为四类：（1）窄带短波噪声：频带为530MHz，与上行信道的频带重合，影响较大；（2）冲击噪声：频带为60Hz2MHz，虽然冲击噪声的频谱不在上行信道的频带范围内，但由于它的幅度较高，它的各次谐波对上行信道则会产生影响； （3）共模失真噪声：主要是由信号传输设备的非线性所引起的，在上行信道中呈离散的噪声尖峰；（4）本地干扰噪声：用户住宅内在使用各种电器时，会产生频率在30MHz以下的干扰噪声，它们一旦耦合进入上行信道，便会形成上行干扰噪声。消除或控制上行信道中噪声的措施，一是从设计上控制上行信道噪声的产生和积累。二是通过增加同轴电缆用户分配网的屏蔽，以衰减入侵的噪声。三是从施工工艺的规范化上把好关。具体地讲，这些措施有：（1）合理选择和分配上行频率，避开易受无线电通信干扰和工业干扰的频率点；（2）采用合适的编码方式和调制方式，可以有效地抑制干扰噪声对上行信道的影响，例如，上行信道的数据调制方式可采用QPSK或OFDM或QAM，这些调制方式抗干扰、抗噪声的性能都比较好；（3）减少每个光节点以下的同轴电缆用户的数量，从理论上的一万户减少到5002000户：（4）选用屏蔽特性优秀的同轴电缆，如四层屏蔽同轴电线，其屏蔽性能比普通标准屏蔽同轴电缆提高约34dB；（5）选用连接特性好，不易松动，不会泄漏电磁波的同轴电缆连接器，可消除因连接泄漏而引入的噪声；（6）暂不开通上行业务的终端采用高通滤波器，以阻断上行噪声；（7）暂不使用的分支分配器端口必须用75欧负载终接，以防止干扰噪声入侵，也可减少驻波反射干扰噪声； （8）用户室内的同轴电线端口要用匹配器连接，以防止从用户端口接收和传送干扰噪声；（9）对那些接触不良或锈蚀的同轴电缆及接头要及时更换，还应尽量避免使同轴电缆弯曲；（10）网络工程的施工要由经过严格的规范化培训后考核合格的人员来正确操作与安装。3.2.6 HFC上行通道的传输特性按规定，565MHz频段作为双向HFC网的上行频段。上行频带噪声问题比较严重，但上行传输与下行相比也有有利的条件，可以充分利用，以提高抗噪声性能。（1）用同轴电缆传送最高频率仅65MHz的上行数据信号，其传输损耗比较小。（2）由于电缆损耗小，各上行信号电缆路由虽然在工程中有长度误差，但造成的信号电平损耗差也很小，这是上行回传设计的有利条件。（3）由于上行频带窄，可能在极限条件下传输的群信号总合成功率比下行群信号的总合成功率小的多，这就意味着在同样放大器条件下，上行信号的平均单路信号电平比下行信号的单路信号电平高。意味着抗干扰能力提高（放大器的热噪声可以不予考虑）。（4）对于抑制载波方式的不论QPSK方式或QAM方式的频谱结构呈奈奎斯特曲线产生的失真成分的分布也均匀，意味着网络中的有源设备的有效动态范围也比传输多路电视信号时的动态范围大。（5）上行信号源自于用户室内端口或汇聚于集线器端口，考虑上行信号电平受中心CMTS的管理而留有余地，一般地可设计较高的用户上行电平Vin=105dBu v，抗干扰能力很强。以上几点优势，均是在下行传输时不能具备的，在进行上行传输的设计和调试时，综合运用，充分发挥其优势。3.3 集中分配式HFC网的抗噪声技术过去网络器件均采用分散件，加上器件的质量，网络的施工工艺差，链路的维护调试水平低，终端用户的乱接线，线缆，器件接头多，到用户电缆长度相差太大，使上行用户传输增益相差过大，电平过分悬殊，会产生较强的噪声干扰，影响上行通道的传输质量，这也是产生噪声的主要原因。在新建和改建HFC网络时针对这个问题，采用集线式分配方式，选用优质的器材，结合严格的施工质量，就可以解决上行通道的噪声问题。因为集线式分配方式是从噪声的源头开始，采用高品质的集线器分配入户，以堵住噪声。而集线器是截住噪声