利用ＨＦＣ網(wǎng)提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)的技術(shù)挑戰(zhàn)及其應(yīng)對(duì)措施

于海平

摘要 本文針對(duì)HFC 網(wǎng)在提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)中面臨的兩大關(guān)鍵技術(shù)問題，即反向通道噪聲問題和媒體訪問控制（MAC）協(xié)議問題，在探討問題根源的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的解決措施，以推動(dòng)HFC 網(wǎng)更好地開展高速數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。

HFC 有線電視網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以其特有的寬帶入戶，節(jié)目數(shù)量多、圖像質(zhì)量好、頻譜資源豐富、雙向傳輸，除傳輸廣播電視節(jié)目外，具有支持多種通信業(yè)務(wù)和連接千家萬戶等的優(yōu)勢，近幾年發(fā)展非常迅速。有線電視網(wǎng)絡(luò)向具有雙向功能及交互式包括電視業(yè)務(wù)、通信業(yè)務(wù)和計(jì)算機(jī)業(yè)務(wù)在內(nèi)的HFC 寬帶綜合業(yè)務(wù)方向發(fā)展，構(gòu)成了國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。目前，HFC 網(wǎng)在提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)中尚面臨著一些關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)，其中迫切需要解決的兩個(gè)問題是：反向通道噪聲問題和媒體訪問控制（MAC）協(xié)議問題。

HFC 網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)

基帶局域網(wǎng)和寬帶局域網(wǎng)是一樣的。由美國電子電氣工程師協(xié)會(huì)IEEE802 委員會(huì)制訂IEEE802.3 規(guī)范建議的三種標(biāo)準(zhǔn)，包含了基帶同軸電纜、寬帶同軸電纜和對(duì)絞線。IEEE802.3采用的是最簡單的訪問控制方法就是帶碰撞檢測的載波偵聽多址接入?yún)f(xié)議CSMA/CD。IEEE802.3 規(guī)定的是持續(xù)算法，即數(shù)據(jù)幀必須有足夠的長度，以便傳輸結(jié)束之前能夠沖突檢測。在基帶CSMA/CD 中，數(shù)據(jù)包長應(yīng)大于等于兩倍傳輸時(shí)延。在寬帶CSMA/CD 中，應(yīng)大于等于四倍傳輸時(shí)延，否則，沖突只能在傳輸完成以后檢測，系統(tǒng)性能將下降。為了在寬帶系統(tǒng)上雙向傳輸數(shù)據(jù)，需要雙電纜，或者單電纜頻分復(fù)用、頻率變換器。

反向通道噪聲及其抑制措施

反向通道使用5～42MHz 的頻帶，這是具有良好的衰減特性的低頻部分，但另一方面，由于其他服務(wù)也采用這個(gè)頻帶，導(dǎo)入的噪聲成為一個(gè)嚴(yán)重的問題。更重要的是，反向通道共享特性產(chǎn)生“漏斗”效應(yīng)，室內(nèi)的同軸電纜好像一個(gè)巨大的天線，接收到噪聲并把它們上行傳送，這些噪聲隨信號(hào)從電纜網(wǎng)的支線送至干線，匯集起來，也就是說，越向上行傳輸，噪聲匯集得越大，信號(hào)越難恢復(fù)。

1、入侵噪聲的來源

入侵噪聲是電纜有泄漏或橋接器從外界環(huán)境中收集到的。主要包括：民用波段收音機(jī)使用的5～42MHz 頻帶；戶外隔離較差的電器，如微波爐、電視、收音機(jī)和電子馬達(dá)，如果一個(gè)安裝不牢固的F 型連接器周圍有上述電器在使用，電纜就會(huì)收集噪聲并上行傳送；室外的影響，如閃電、霓虹燈、車輛點(diǎn)火和電線的干擾；用戶終端的數(shù)字信號(hào)輸出，有時(shí)，電纜調(diào)制解調(diào)器或數(shù)字機(jī)頂盒本身就是噪聲源；用戶的F 型接頭松動(dòng)；反向信號(hào)完整性下降，腐蝕引起的干線電纜性能下降，接頭的設(shè)計(jì)壽命為15 年，但實(shí)際上街道的接頭只能維持5 年，土壤中的酸性物質(zhì)會(huì)侵蝕電纜和接頭之間的絕緣層。反向通道中的大部分噪聲來源于用戶室內(nèi)的設(shè)備，而這恰好是營運(yùn)商無法管理的，問題是電纜網(wǎng)絡(luò)是個(gè)共享媒體，很難確定噪聲源。

2、反向通道噪聲的抑制措施

目前為克服反向通道噪聲而采取的措施包括：

（1）提高同軸電纜分配網(wǎng)的屏蔽能力，以防止干擾入侵。經(jīng)營者認(rèn)為，大約70%的入侵雜波來源于家庭，同時(shí)也說明提高同軸電纜分配網(wǎng)的屏蔽能力是防止干擾入侵的根本手段。對(duì)反向通道噪聲電平的測試結(jié)果表明，在5～20MHz 頻段的噪聲電平明顯較高。

選用屏蔽特性優(yōu)秀的同軸電纜，以消除各種從空間耦合進(jìn)電纜的雜波干擾。直線電纜可采用鋁管密封的物理發(fā)泡電纜，入戶電纜采用四屏蔽的物理發(fā)泡電纜。要選用連接特性好的無電磁波泄漏的電纜連接頭，以消除因連接泄漏而引入的噪聲。接頭應(yīng)在5～1000MHz 的頻率范圍內(nèi)提供80dB 或更好的屏蔽衰減，線路上的F 頭全部采用卡接式的，要及時(shí)更換接觸不良或銹蝕的電纜接頭。分配器、分支器和其他無源器件在帶寬為5～1000MHz 的范圍內(nèi)提供110dB 的電磁干擾屏蔽衰減，必須選用具有良好屏蔽功能和較高隔離度的用戶終端，用戶盒帶有屏蔽壓條或壓鑄封閉成型，每個(gè)無源器件應(yīng)帶有機(jī)械F 端口，在端口上可刻上深螺紋，用于各種高級(jí)接頭的連接。在分支分配器中采用濾波器封閉尚無反向業(yè)務(wù)的用戶和支路。要選用優(yōu)質(zhì)器材，不能為了降低造價(jià)而采用劣質(zhì)器材，否則會(huì)得不償失。同軸電纜分配網(wǎng)要具有良好的接地系統(tǒng)。對(duì)采用集中供電的，必須對(duì)電源進(jìn)行隔離處理，以防電源線路的雜波信號(hào)入侵上行通道。規(guī)范施工工藝，確保施工質(zhì)量。

（2）加裝濾波器。保證上行信道質(zhì)量的一個(gè)方法是在地區(qū)內(nèi)的每個(gè)接頭附近都裝上全阻濾波器，禁止任何用戶反向傳輸信息。當(dāng)用戶要求雙向服務(wù)時(shí)，移走全阻濾波器并為用戶安裝一個(gè)低通濾波器（LPF）以限制反向通道，低通濾波器只允許低頻通過，而阻塞了高頻分量。假如某用戶需要電纜網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)，需要在其室內(nèi)電纜線上為計(jì)算機(jī)安裝LPF，以便計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)可以送至前端，而連接電視的電纜線上要有全阻濾波器來防止電視對(duì)鄰近地區(qū)電纜網(wǎng)絡(luò)上行線路的干擾。因此，如果用戶要移動(dòng)電視和計(jì)算機(jī)，可能需要重新安裝低通濾波器和全阻濾波器。這樣，那些使用雙向服務(wù)的用戶仍然有可能導(dǎo)入噪聲，但是可以保證的是只有使用雙向服務(wù)的用戶才可能導(dǎo)入噪聲。

（3）跳頻。在使用時(shí)分復(fù)用接入系統(tǒng)時(shí)，可能會(huì)有持久嚴(yán)重的窄帶干擾以至于反向通道無法使用，這時(shí)，用戶調(diào)制解調(diào)器的反向通道頻率必須直接移至其他頻帶。CMTS（電纜調(diào)制解調(diào)器終端服務(wù)器）向電纜調(diào)制解調(diào)器發(fā)送一條控制信息以指明新的發(fā)送頻率，這樣就完成了跳頻操作。當(dāng)反向通道頻帶較寬時(shí)，跳頻處理就比較困難了。比如，當(dāng)使用6MHz的反向通道頻帶的電纜調(diào)制解調(diào)器需要跳頻時(shí)，必須在頻譜中找到另一個(gè)連續(xù)的6MHz 的頻帶，而有時(shí)這是不可能的。有些調(diào)制解調(diào)器使用的頻帶較窄，這使它在實(shí)現(xiàn)跳頻時(shí)十分方便，但是，這嚴(yán)重限制了用戶進(jìn)行信息返回的碼率。反向通道帶寬的確定需要在碼率和可靠性間均衡。跳頻處理對(duì)窄帶噪聲的消除非常有效，但不適用于寬帶脈沖干擾，這時(shí)，需要應(yīng)用前向糾錯(cuò)和擴(kuò)頻技術(shù)。

（4）擴(kuò)頻。由于反向通道干擾嚴(yán)重，擴(kuò)頻技術(shù)可以視為除跳頻處理之外的另一個(gè)選擇。據(jù)稱使用擴(kuò)頻和碼分多址接入（CDMA）技術(shù)后，擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)器可以在信噪比相當(dāng)?shù)偷那闆r下正常工作。頻譜擴(kuò)展的另一個(gè)好處是減少了激光器削波現(xiàn)象，因?yàn)槎鄠€(gè)發(fā)射器同時(shí)達(dá)到能量峰值和同相的可能性減少了。頻譜擴(kuò)展不適用于前向傳輸，因?yàn)榍跋騻鬏數(shù)脑肼曒^小而頻譜擴(kuò)展技術(shù)復(fù)雜、費(fèi)用較高。

（5）自動(dòng)電平設(shè)定。自動(dòng)電平設(shè)定（ALS）緩解了反向通道傳輸中的功率管理問題。CMTS 通過此處理調(diào)節(jié)用戶調(diào)制解調(diào)器的傳輸功率。ALS 與自動(dòng)增益控制（AGC）的不同在于AGC 通常不適用遙控技術(shù)。當(dāng)某個(gè)調(diào)制解調(diào)器的輸出電平不當(dāng)時(shí)，CMTS 發(fā)現(xiàn)后通過前向傳輸發(fā)送一個(gè)信息，指導(dǎo)調(diào)制解調(diào)器修改電平。在極端情況下，網(wǎng)絡(luò)營運(yùn)商可在遠(yuǎn)端將失常的調(diào)制解調(diào)器置為失效。

（6）物理層選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制和編碼方式。目前，HFC 網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)通信協(xié)議的物理層一般選擇QPSK 和QAM 調(diào)制方式以及R-S 編碼方式對(duì)反向通道的噪聲進(jìn)行抑制。

媒體訪問控制（MAC）協(xié)議問題

HFC 網(wǎng)絡(luò)中，所有的站點(diǎn)都使用一個(gè)公共的媒體傳輸信息，當(dāng)多個(gè)站點(diǎn)都想使用同一個(gè)時(shí)間片的時(shí)候，就不可避免地發(fā)生碰撞沖突。例如，當(dāng)用戶H 和用戶E 幾乎同時(shí)決定發(fā)送信息，它們的信號(hào)就會(huì)在前端撞在一起，導(dǎo)致兩者都失效。因此必須有一個(gè)控制任一時(shí)刻由哪個(gè)使用者使用資源的機(jī)制，這就是媒體訪問控制（MAC）協(xié)議。因?yàn)橄滦袀鬏斒菑V播形式的傳播，它只有一個(gè)使用者，不需要MAC，所以只有反向通道需要MAC。

MAC 層協(xié)議主要解決的是如何分配共享媒體的帶寬資源，使各個(gè)用戶在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)盡可能少地發(fā)生碰撞沖突，使共享媒體的帶寬利用率盡量高。HFC 網(wǎng)絡(luò)由于結(jié)構(gòu)上的原因，在實(shí)現(xiàn)媒體訪問控制功能時(shí)存在以下困難。

1、HFC 網(wǎng)絡(luò)是樹分支拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

前端控制器的信號(hào)經(jīng)過樹的分支傳送到各個(gè)站點(diǎn)，各個(gè)站點(diǎn)將信息匯集到樹的根節(jié)點(diǎn)即前端控制器。站點(diǎn)只能與前端控制器進(jìn)行通信，站點(diǎn)與站點(diǎn)之間不能直接通信，只能經(jīng)由前端控制器路由功能將信息轉(zhuǎn)送。使用同一個(gè)上行信道的所有站點(diǎn)發(fā)出的信道都要經(jīng)過前端控制器至光節(jié)點(diǎn)之間的光纖送到前端控制器，所以它們共享同一頻率的帶寬。

2、站點(diǎn)和前端控制器之間的往返傳播時(shí)延很長

在普遍的局域網(wǎng)中，所有站點(diǎn)都限制在一個(gè)很小的范圍之內(nèi)，各站點(diǎn)之間的距離很短，整個(gè)共享媒體的長度也很短，任何一個(gè)站點(diǎn)發(fā)出信號(hào)，別的站點(diǎn)都能在很短的時(shí)間內(nèi)偵聽到。而在HFC 網(wǎng)絡(luò)中，站點(diǎn)分布的范圍很寬，站點(diǎn)到前端控制器的距離可以是幾千米或者幾十千米。如果信號(hào)在電纜或光纖中傳播的速率按5μs/km 來計(jì)算，一個(gè)距離前端控制器80km 的站點(diǎn)，從它發(fā)出消息到收到前端控制器在收到消息后立即回應(yīng)的消息這么一個(gè)往返傳播時(shí)間是0.8ms。這是一個(gè)非常大的時(shí)延，在這段時(shí)間內(nèi)站點(diǎn)如果發(fā)送速率為3Mb/s 的話，它可以發(fā)出2400 比特的信息。以往的局域網(wǎng)基本都是立即反饋網(wǎng)站，站點(diǎn)在很短的時(shí)間內(nèi)就能知道上一個(gè)信息是否發(fā)生碰撞沖突，可以根據(jù)此信息做出相應(yīng)的決定。HFC 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)長時(shí)延的返回系統(tǒng)，站點(diǎn)必須等待較長的時(shí)間才能獲知自己上一次發(fā)出的信息是否發(fā)生沖突。如果每次發(fā)送都要等待這么長的時(shí)間，那么它的發(fā)送速率將是非常慢的，同時(shí)也使共享媒體的帶寬利用率和整個(gè)系統(tǒng)的效率非常低。

3、單向收，單向發(fā)

前端控制器通過下行信道將信息傳送給各個(gè)站點(diǎn)，各個(gè)站點(diǎn)通過上行信道將信息發(fā)送到前端控制器。上行信道和下行信道使用不同的頻率資源，它們之間相互獨(dú)立，站點(diǎn)只能“收聽”前端控制器從下行信道發(fā)來的信息，而不能“收聽”到上行信道中的任何消息，站點(diǎn)也只能通過上行信道向控制器發(fā)送信息，而不允許從下行信道發(fā)送信息。也就是說，站點(diǎn)只能單向收，單向發(fā)，而不像其他局域網(wǎng)那樣收發(fā)在同一個(gè)信道中進(jìn)行。由于只能單向收發(fā)，站點(diǎn)本身無法判斷自己發(fā)出的信息是否與其他站點(diǎn)發(fā)出的信息發(fā)生碰撞，它們只能依靠前端控制器將此信息反饋回來。在HFC 網(wǎng)絡(luò)的MAC 層協(xié)議中，前端控制器成為這個(gè)協(xié)議的控制中心，協(xié)議中大部分工作由前端控制器承擔(dān)。通過設(shè)計(jì)合理的幀結(jié)構(gòu)以及采用合理的沖突化解算法和優(yōu)先級(jí)機(jī)制，可以提高HFC 網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率。

由于 HFC 是共享資源，理論上小區(qū)中的每個(gè)用戶都可以看到別人的數(shù)據(jù)或收看本應(yīng)付費(fèi)的節(jié)目。有線電視網(wǎng)營運(yùn)商需要提供加密措施，以防止用戶的數(shù)據(jù)被非法接收和篡改。試驗(yàn)表明，在有線電視HFC 雙向電視網(wǎng)上進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信是可行的，這種技術(shù)已經(jīng)成熟，在傳輸速率和價(jià)格上都優(yōu)于ISDN，是有線電視系統(tǒng)發(fā)展增值業(yè)務(wù)的有效手段。有線電視系統(tǒng)只要具備合格的HFC 交互式寬帶網(wǎng)，便可開展高速數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。■