: архив : архив журнала "625" : 2003 : #8

Опыт построения интерактивных
мультимедийных кабельных сетей
коллективного телевизионного приема
Сергей Песков

Вместо предисловия
В заглавии статьи указана только фамилия С.Н. Пескова – главного конструктора, заместителя директора по науке компании "В-Люкс", к.т.н. Тем не менее, в подготовке исходных материалов принимал участие большой коллектив авторов. В первую очередь, это генеральный управляющий компании А.К. Шишов, главный инженер В.Г. Таценко, начальник отдела маркетинга А.В. Гришин-старший и начальник отдела сетевых технологий А.В. Гришин-младший. Определенный весовой вклад внесли топ-менеджеры и сотрудники научно-технического отдела, возглавляемого Н.Н. Иванчой.
В предлагаемой вниманию читателей статье затрагивается широкий круг вопросов, неизбежно возникающих при проектировании КСКТП. Каждый из рассматриваемых вопросов выделен в виде отдельного подзаголовка, что способствует лучшему восприятию излагаемого материала. По основным подразделам даются выводы и рекомендации. Статья рассчитана на кабельных операторов.

Часть 1. Интерактивность. Стандарт DOCSIS

Принцип работы интерактивной КСКТП

В настоящее время подавляющее большинство вновь строящихся КСКТП использует частотный диапазон 5…862 МГц. При этом большая часть выделенного диапазона задействуется для передачи сигналов в прямом направлении (downstream), то есть от головной станции (ГС) к абонентам (рис. 1), и значительно меньшая низкочастотная часть - для передачи сигналов в реверсном (обратном) направлении (upstream) - от абонентов к ГС. КСКТП, у которой задействован (активизирован) реверсный канал, называется интерактивной [1-3]. Интерактивность является "изюминкой" любой КСКТП, вне зависимости от частотного диапазона, и позволяет существенно увеличить прибыль оператора за счет предоставления дополнительных услуг абонентам (помимо традиционных телевизионных каналов).

Рис. 1 Распределение частотного диапазона КСКТП

Для предоставления дополнительных услуг используют стандартные ТВ-каналы, по которым транслируют цифровые сигналы в прямом и реверсном направлениях. В составе головного оборудования устанавливается головная станция кабельных модемов - CMTS (Cable Modem Termination System), соединенная с одной стороны (по низкой частоте) с провайдерами услуг, а с другой стороны (по высокой частоте) - с гибридной оптико-коаксиальной сетью - HFC (Hybrid Fiber-Coaxial). У абонента (или группы абонентов) устанавливается кабельный модем (СМ - Cable Modem), на выходе которого восстанавливается исходный сигнал (рис. 2).

Таким образом, любая двунаправленная кабельная сеть уже потенциально является интерактивной. При этом, если в распоряжении оператора имеется устаревшая сеть диапазона 47…240 МГц, то она быстро, очень экономично, без переделки, а только за счет замены усилителей на специально разработанные [4-6], может быть превращена в интерактивную сеть диапазона 5…300 МГц с потенциальным числом ТВ-каналов до 29.

Есть возможность предоставлять, практически, все услуги, предлагаемые по другим кабельным сетям. Наиболее востребованными являются:

Рис. 2 Структура интерактивной кабельной сети

• Интернет;
• телефония;
• системы видеонаблюдения;
• пожарная и охранная сигнализации;
• диспетчеризация коммунальных услуг;
• видео по требованию (VoD - Video-on-Demand);
• видеоигры;
• видеоконференции.

Высокоскоростной доступ в Интернет пользуется наибольшим спросом, простотой реализации и максимальной прибыльностью. Число активных пользователей Интернета неуклонно растет. Еще в большей степени растут требования к скорости передачи запрашиваемой информации.

Телефония также пользуется популярностью у населения. Однако процент подключаемых абонентов зависит от уровня телефонизации конкретного региона. Кроме того, телефония требует значительно больших частотных ресурсов (весьма ощутимых в реверсном канале).

Системы видеонаблюдения также требуют большой полосы частот в реверсном канале. Вся собираемая информация от контролируемых объектов (обычно 1…16 видеокамер на объект: лифт, входная дверь, детская площадка, автостоянка и т.п.) по реверсному каналу поступает на центральный видеосервер, входящий в состав головного оборудования (ГО), с последующим перераспределением на пункты видеонаблюдения, включая самих абонентов. На ширину полосы выделяемых частот влияет не только число камер, но и их тип (в первую очередь цветность и наличие звукового сопровождения), частота сканирования (число кадров в секунду) и тип местного сервера (выполняющего также функцию мультиплексора видеопотоков), соединяемого с СМ, посредством которого мультиплексированный сигнал поступает на ГС. В составе ГО устанавливается самостоятельная CMTS, принимающая видеопотоки с реверсного канала и формирующая поток(и) в прямом направлении. На пунктах сбора информации устанавливаются СМ в комбинации с демультиплексором, сигналы с которого передаются на контрольные мониторы. Иногда для служебных видеопотоков используют систему кодирования. Конфигурация системы видеонаблюдения может сильно разниться в зависимости от поставленных задач и типа используемого оборудования.

Системы пожарной и охранной сигнализации не требуют широкой полосы частот, но являются довольно дорогим удовольствием в силу большого числа датчиков. Система пожарной сигнализации (ПС) должна обладать следующими возможностями:

• определение факта возникновения пожара на ранней стадии и места его возникновения с оповещением службы безопасности в автоматическом режиме;
• вывод информации о возникновении пожара на дисплеи пожарной станции и центральный сервер;
• архивация отчета о произошедших событиях в энергонезависимой памяти, его распечатка с указанием даты и времени;
• постоянный автоматический контроль работоспособности всей системы с выдачей сообщений, протоколированием событий, сигнализацией о возможных неисправностях;
• постоянный автоматический контроль состояния каждого пожарного датчика, распознавание различных уровней состояния датчиков;
• возможность выборочной индивидуальной проверки датчиков для уменьшения вероятности ложных срабатываний;
• автоматическое включение и управление процедурами, определенными нормативными документами, при пожаре: подпор воздуха и дымоудаление, отключение общеобменной вентиляции, пожарная автоматика лифтов и эскалаторов;
• сигнализация о срабатывании сплинкерной системы пожаротушения, системы пожарного водопровода, контроль подачи воды и правильности положения задвижки;
• сигнализация об отключении энергоснабжения пожарных насосов;
• сигнализация о прекращении внешнего энергоснабжения, обеспечение бесперебойной работы системы с сохранением всех функций в течение не менее 24 часов с момента отключения внешнего энергоснабжения;
• включение аварийного освещения и световых указателей направления эвакуации;
• программная интеграция с другими системами безопасности;
• возможность выполнения функций дистанционного контроля и управления технологическим оборудованием (например, включение сплинкерной системы пожаротушения, блокировка/разблокировка лифтов и т.п.);
• изменение структуры системы;
• создание и редактирование мнемосхем (графика), формирование отчетных форм и т.п.

Проектируемая ПС должна удовлетворять требованиям СНиП 2.04.09-84 "Пожарная автоматика зданий и конструкций".

Система диспетчеризации (СД), управления и мониторинга систем инженерных сооружений на базе программно-технического комплекса (ПТК) предназначены для создания многоуровневых (абонент, объект, ТЭЦ и т.д.) автоматизированных систем контроля и коммерческого учета всех видов энергоресурсов в энергосистеме города с возможностью дистанционного управления технологическими процессами.

Рис. 3. Условная функциональная схема построения интерактивной СД

Как минимум, СД должна:

• выполнять автоматическое измерение, сбор данных и создание архива потребления тепловой, электрической энергии, газа и холодной воды;
• отображать данные о потреблении энергоресурсов и состоянии технологического оборудования на мнемосхемах, в виде графиков, гистограмм, таблиц и т.п.;
• создавать отчетные формы требуемой конфигурации (локальные программы) и вывод документов (вплоть до выписки счетов) для расчета за потребляемые энергоресурсы.

Условная функциональная схема построения интерактивной СД приведена на рис. 3. Диспетчерский пост размещается в любой точке КСКТП, на любом удалении от ГС. В него входит СМ и компьютер (РС) с программным обеспечением контроля, управления и проведения расчетов по каждому из видов предоставляемых услуг по установленному тарифу. Тариф может программно изменяться в зависимости от времени суток и других условий (например, установка ценовых скидок пенсионерам или другим категориям граждан).

При наличии соответствующего программного обеспечения, по команде оператора с диспетчерского поста (из любой точки сети) поступает запрос на требуемый локальный модуль с присвоенным ему номером. Очевидно, что такой запрос поступит на все локальные модули, находящиеся в сети. Но ответ придет только с запрашиваемого модуля (по номеру идентификации). Задача каждого из локальных модулей - проводить считывание данных, запоминать их и ждать команды центрального процессора (по команде оператора или в автоматическом режиме через установленный промежуток времени).

Сигналы с радиочастотных датчиков (имеются варианты использования электронных датчиков с подключением по витой паре) поступают на домовой концентратор (формирует команды с каждого датчика) и далее на СМ. Сформированные сигналы по реверсному каналу поступают на диспетчерский пост, где осуществляется их обработка, электронная запись и хранение. При необходимости вся поступающая информация может быть распечатана на принтере (с учетом установленных расценок для каждого абонента).

Такие СД используют помехоустойчивое кодирование, благодаря которому возможна работа в низкочастотной части диапазона реверсного канала (наиболее зашумленная область). Опыт эксплуатации таких СД показал, что в связи с отсутствием жесткого закона о несанкционированном подключении к коллективной кабельной сети некоторые неавторизованные абоненты (хакеры) взламывают систему доступа и самостоятельно устанавливают любые показания радиочастотных датчиков. Однако с внедрением помехозащищенного стандарта DOCSIS (BPI+) степень защиты таких СД от несанкционированного доступа резко возрастает.

Услуга "видео по требованию" не нашла пока широкого распространения ни за рубежом, ни в России. Скорее всего, это вызвано высокой суммарной стоимостью целого комплекса оборудования (включая и абонентское). Следует надеяться, что с широким внедрением стандарта DVB этот вид услуг найдет должное применение.

Требования к прямому и реверсному каналам

В настоящее время для внедрения услуг интерактивного сервиса по традиционным КСКТП наибольшее распространение получил американский стандарт DOCSIS (спецификации интерфейса предоставления услуг передачи данных по кабелю - Data-Over-Cable Service Interface Specifications). Все версии этого стандарта (сейчас широко используется версия 1.1 и начинает внедряться версия 2.0) можно найти на Интернет-сайте [7]. Стандарт DOCSIS ориентирован на американскую частотную сетку расстановки каналов (полоса канала 6 МГц, частотный диапазон реверсного канала 5…42 МГц). Но в целях расширения сферы действия стандарта он существует и в европейском варианте (EuroDOCSIS) с ссылкой на CENELEC EN 50083 (полоса канала 8 МГц, частотный диапазон реверсного канала 5…65 МГц).

Ниже приводятся основные обобщенные требования стандарта EuroDOCSIS для прямого и реверсного каналов.

Прямой канал (включая CMTS):

• диапазон частот 47…862 МГц, но используется диапазон 108…862 МГц. Поддиапазон 108…136 МГц запрещен государственными органами;
• ширина полосы частот 7/8 МГц. Для передачи данных используются каналы с полосой 8 МГц;
• максимально допустимая задержка сигнала при передаче к самому дальнему абоненту не более 0,8 мс (обычно намного меньше);
• отношение несущая/шум в полосе канала 8 МГц (для аналогового ТВ-сигнала) не менее 44 дБ. Предполагается, что уровень цифровой несущей равен максимальному уровню аналоговой несущей. Если уровень цифровой несущей будет ниже, то отношение сигнал/шум тоже может быть ниже. Для американского стандарта это значение должно быть не менее 35 дБ в полосе канала 6 МГц;
• отношение несущая/общая мощность интерференционных помех не менее 52 дБ в полосе рассматриваемого канала. Для системы SECAM допускаются значения не хуже -52 дБc*;
• композитные искажения для аналоговых модулированных несущих (СТВ и CSO)** не менее 57 дБc в полосе канала;
• уровень кроссмодуляции - в стадии обсуждения. Для американского стандарта -40 дБc (6 МГц);
• неравномерность АЧХ 2,5 дБ в полосе 8 МГц. Для американского стандарта 0,5 дБ в полосе 6 МГц;
• неравномерность группового времени задержки в спектре, занятом CMTS, 100 нс в диапазоне частот 0,5…4,43 МГц;
• микроотражения в пределах основного эхо-сигнала -10 дБc@ ≤ 0,5 мкс; -15 дБc@ ≤ 1,0 мкс; -20 дБc@ ≤ 1,5 мкс; -30 дБc@>1,5 мкс;
• коэффициент фоновой модуляции*** не более -46 дБc (0,5%). Для американского стандарта не более -26 дБc (5%);
• шумы-вспышки (импульсные помехи) не длиннее 25 мкс в усредненной полосе 10 Гц;
• сезонные и суточные колебания уровня сигнала 8 дБ;
• неравномерность (наклон) АЧХ в диапазоне 85…862 МГц 12 дБ. Для американского стандарта 16 дБ в полосе 50…750 МГц;
• максимальный уровень аналоговых ТВ-несущих на выходе абонентской розетки с учетом указанного временного абонентского колебания уровня сигналов 77 дБмкВ. Для системы SECAM 74 дБмкВ;
• минимальный уровень аналоговых ТВ-несущих на выходе абонентской розетки с учетом указанного временного колебания уровней сигналов 60 дБмкВ. Для системы SECAM 57 дБмкВ. Для системы NTSC 55 дБмкВ;
• используемые форматы модуляции - 64QAM/256QAM;
• скорость передачи данных: 64QAM - 41,712 Мбит/с (для американского стандарта 30,34 Мбит/с); 256QAM - 55,616 Мбит/с (для американского стандарта 42,88 Мбит/с);
• стабильность несущей частоты на выходе CMTS с учетом всех дальнейших частотных преобразований ±30 кГц;
• уровень выходного сигнала CMTS 110…121 дБмкВ (регулируемый);
• уровень ложных сигналов на выходе CMTS в полосе канала (f_c ±4 МГц) не более -57 дБc;
• установка выходной частоты CMTS - от f_c 4 МГц до f_c 4,75 МГц (то есть на ±750 кГц);
• уровень входного сигнала CMTS (upstreame) при скоростях входного потока:

0,16 Мсим/с - 44…74 дБмкВ;
0,32 Мсим/с - 47…77 дБмкВ;
0,64 Мсим/с - 50…80 дБмкВ;
1,28 Мсим/с - 53…83 дБмкВ;
1,56 Мсим/с - 56…86 дБмкВ;

• диапазон частот CMTS по реверсному каналу 5…65 МГц. Допускается использование усеченного диапазона (например, 5-30 МГц).

Реверсный канал (включая СМ):

• диапазон частот 5…65 МГц. Для американской версии 5-42 МГц;
• максимально допустимая задержка при передаче сигнала от самого удаленного абонента к CMTS или между наиболее удаленными абонентами не более 0,8 мс (обычно намного меньше);
• отношение несущая/шум в активном канале не менее 22 дБ. Для американской версии 25 дБ;
• отношение несущая/шумы ингрессии в активном канале не менее 22 дБ. Для американской версии 25 дБ. Для обеспечения нормального функционирования системы могут использоваться различные технологии уменьшения и подавления шумов ингрессии. Шумы ингрессии иногда могут достигать уровня 0 дБc (одинаковой амплитуды с полезным сигналом);
• отношение несущая/суммарная мощность интерференционных помех не менее 22 дБ. Для американской версии 25 дБ;
• коэффициент фоновой модуляции не более -23 дБc (7%);
• импульсные шумы (помехи) - не длиннее 10 мкс в усредненной полосе 1 кГц. В силу своих амплитудных и частотных параметров, эти импульсные помехи могут частично или полностью маскировать полезный сигнал. Появление шумов наиболее характерно для диапазона частот ниже 15 МГц;
• неравномерность АЧХ не более 2,5 дБ в полосе 2 МГц. Для амери-канского стандарта не более 0,5 дБ в полосе 1 МГц;
• неравномерность группового времени задержки - не более 300 нс в полосе 2 МГц. Для американского стандарта не более 200 нс в полосе 1 МГц;
• микроотражения в пределах основного эхо-сигнала:

-10 дБc@≤0,5 мкс;
-20 дБc@≤1,0 мкс;
-30 дБc@>1,0 мкс;

• сезонные и суточные колебания уровня сигнала не более 12 дБ. Для американского стандарта не более 8 дБ;
• вид используемой модуляции QPSK или 16QAM. Для EuroDOCSIS 2.0 предусмотрены также форматы 32QAM/64QAM/128QAM и S-CDMA;
• информационная скорость при полосе канала, Мбит/с****:

	QPSK	16QAM
0,2 МГц	0,32	0,64
0,4 МГц	0,64	1,28
0,8 МГц	1,28	2,56
1,6 МГц	2,56	5,12
3,2 МГц	5,12	10,24

• уровень сигнала на входе модема: 64QAM - 43…73 дБмкВ; 256QAM - 47…77 дБмкВ. Для американского стандарта 45…75 дБмкВ вне зависимости от вида используемой модуляции;
• номинальная входная символьная скорость (64QAM и 256QAM) - 6,952 Мсим/с;
• канальная полоса частот 8 МГц (форма 15% от корня квадратного косинусной функции для 64QAM и 256QAM);
• суммарная входная мощность (80…862 МГц) не более 90 дБмкВ;
• импеданс вход/выход 75 Ом;
• коэффициент возвратных потерь (85…862 МГц) более 6 дБ;
• уровень выходного сигнала:

QPSK - 68…118 дБмкВ;
16QAM - 68…115 дБмкВ;
S-CDMA - 113 дБмкВ вне зависимости от вида используемой модуляции для DOCSIS 2.0;

• уровень ложных сигналов в момент посылки, включая шумы, - -40 дБc;
• уровень ложных сигналов (включая шумы) в интервалах между посылками: -72 дБc при U_вых > 77 дБмкВ или 5 дБмкВ при U_вых = 68…77 дБмкВ;
• стабильность выходной частоты не более ±30 кГц;
• Шаг настройки выходной частоты 1 Гц.

Примечания:

* Обозначение дБc означает: дБ относительно уровня ТВ-несущей.

** СТВ (Composite Triple Beat) - нелинейные искажения (композитные биения) третьего порядка; CSO (Composite Second Order) - нелинейные искажения второго порядка.

*** Под коэффициентами фоновой модуляции понимается модуляция несущей низкочастотными помехами (50…1000 Гц) от сети электропитания.

**** Согласно DOCSIS 2.0 полоса канала может составлять дополнительно 6,4 МГц, что эквивалентно скорости цифрового потока в 35,84 Мбит/с для формата 128QAM.

Продолжение следует