Опыт построения интерактивных мультимедийных кабельных сетей коллективного телевизионного приема

Сергей Песков, Алексей Шишов

Продолжение. Начало см. «625», № 8/2003 г. и № 1, 3/2004 г.

Часть 4. Реверсный канал. Адресная система. Выводы

Пути увеличения скорости в реверсном канале

Рис. 1

Каждый из кластеров в простейшем случае обслуживается простейшим оптическим узлом (ОУ) — комбинацией оптических приемников прямого канала и передатчиков реверсного канала (рис. 1).

При этом каждый из передатчиков нагружается на отдельный вход CMTS (максимум 10,24 Мбит/с на кластер). При недостаточном числе входов CMTS реверсные каналы суммируются на единый вход CMTS (максимум 10,24 Мбит/с на группу кластеров). Естественно, что при этом на 10·lg n (n — число входов) уменьшается и C/N в RC (рис. 2), что вызывает дополнительное снижение скорости за счет обужения полосы (например, с 3,2 МГц на 1,6 МГц).

Рис. 2

Некоторые ОУ (например, Teleste) имеют четыре независимых выхода и дополнительный оптический вход для формирования резервирования по направлениям. Такие ОУ, кроме повышенной энергетики, не дают никакого выигрыша в повышении скорости цифрового канала, так как все реверсные каналы суммируются на один оптический передатчик RC. В этом отношении предпочтительными оказываются универсальные ОУ, имеющие в своем составе до четырех (по числу независимых выходов) передатчиков RC (рис. 3). Подобные ОУ выпускаются известными американскими компаниями Harmonic (HNL 3844), Ipitek (LASERSPAN-IV-C), Arris (PROTEUS), они допускают установку произвольного числа приемников (до четырех), выходных усилителей и передатчиков.

Рис. 3

ОУ данного типа позволяют увеличить скорости цифровых потоков в RC не менее чем в четыре раза (а с учетом снижения шумов и расширения полосы — намного больше). Если оптическая сеть уже спроектирована и функционирует, то имеющийся ОУ дополняется внешними оптическими передатчиками RC (например, OTRS-200, Hirschmann). Благодаря такому решению, коаксиальный кластер дробится на несколько зон. Так, например, если ОУ HLN 3844 (Harmonic) обслуживает коаксиальный кластер на 5000 абонентов, то на каждые 1250 абонентов будет приходиться свой выход и передатчик RC, что эквивалентно использованию четырех параллельно задействованных традиционных ОУ. Единственным недостатком такого решения является необходимость задействования дополнительных оптических жил (вариант, когда прямой канал работает на длине волны 1550 нм, не рассматриваем, так как в России он применяется крайне редко).

Рис. 4

Рис. 5

Если оптических жил недостаточно, то можно использовать диапазонные конвертеры (ДК), которые легко подключаются к любому из традиционных ОУ. Такие ДК выпускаются компаниями Arris (LLRX-400, до 4 RC) и Ipitek (LASERSPAN-IV-A, до 12 RC). Аналогичный ДК разрабатывается компанией «СтандарТелеком» (4×5…30 МГц). Подключение ДК к ОУ возможно в том случае, если он имеет в своем составе дополнительный вход RC и передатчик RC, работающий в диапазоне не менее 5…200 МГц (обычно на практике это выполняется). Возможная схема подключения ДК к традиционному ОУ показана на рис. 4, а спектральная диаграмма, которая не нуждается в дополнительных пояснениях, приведена на рис. 5. На приемной стороне (в составе головного оборудования) устанавливается аналогичный понижающий ДК, имеющий один вход (5…200 МГц) и четыре выхода (4×5…30 МГц), подаваемых на входы CMTS.

Такое техническое решение позволяет повышать не только эффективность использования выделенного частотного ресурса RC (например, 5…30 МГц), но и отношение C/N в RC не менее чем на 4…6 дБ (что очень существенно для RC).

Выходной уровень кабельного модема (СМ). Как уже отмечалось (см. часть 2), выходной уровень СМ устанавливается по команде с CMTS (в зависимости от коэффициента передачи) и может достигать 115 дБмкВ (16QAM) или 118 дБмкВ (QPSK). Какой же уровень СМ принимать в расчетах? Мощность тепловых шумов (СМ, усилители и оптическая система) на входе CMTS практически не зависит от выходного уровня СМ. Но чем выше выходной уровень СМ, тем выше защита от шумов ингрессии, которые доминируют в суммарных шумах RC.

Практика построения интерактивных КСКТП показывает, что оптимальным выходным уровнем СМ является значение 100…105 дБмкВ, оно эквивалентно суммарному коэффициенту передачи (от СМ до CMTS) 40±5 дБ и идеально согласуется с требованиями стандарта DOCSIS. Технологический запас в 10 дБ учитывает возможные погрешности в расчетах, воздействие дестабилизирующих факторов (прежде всего температуры) и, самое главное, старение самой сети. Как ни странно, но быстрее в сети устаревает диапазон реверсного, а не прямого канала. Прежде всего, это связано с быстрым окислением кабельных переходов и насадок, поскольку часто используются дешевые переходы низкого качества, а появление оксидной пленки между соединяемыми частями эквивалентно конденсатору, сопротивление которого обратно пропорционально частоте.

Рис. 6

Расчет реверсного канала в основном сводится к определению C/N, CTB, CSO (рассмотрено выше) и уровней сигналов в верхней точке диапазона RC. Входные сигналы усилителей RC желательно поддерживать на уровне 75…85 дБмкВ. Выходные же уровни усилителей RC устанавливают с учетом их обязательного равенства на входе любого из магистральных разветвителей (рис. 6, расчетное отношение C/N показано зеленым цветом).

Естественно, чем выше коэффициент направленности магистрального ответвителя, тем меньшее воздействие мощный выходной уровень усилителя УС2 будет оказывать на усилитель УС1 (перекрестная модуляция). Подобное воздействие возможно только при многоканальном заполнении RC и наиболее опасно при внедрении услуги видеонаблюдения. При рабочих уровнях усилителей RC ниже 10 дБ относительно паспортного значения, расчеты на кроссмодуляционные искажения (а также по CSO и СТВ) можно не проводить, так как они заведомо будут удовлетворять требованиям стандарта DOCSIS любой версии.

В домовых сетях (абонентская сеть, стояки — до выхода домового усилителя) обязательно будут наблюдаться разбросы в уровнях сигналов за счет дискретности набора переходных ослаблений абонентских и домовых разветвителей, различных способов подключения СМ и разных длин кабелей. Обычно разброс в уровнях сигналов не превышает ±3 дБ. Причем при использовании звездообразной схемы исполнения стояков (см. Часть 3, рис. 6) в требуемых выходных уровнях СМ разброс будет меньше, чем в случае традиционной лестничной схемы (там же, рис. 5).

Рис. 7

Формирование платных каналов. Существует множество систем формирования платных каналов, они неоднократно были подробно рассмотрены в различных журналах. Поэтому мы приведем только краткое описание оригинальной адресной системы ELECTROLINE (Канада), в которой используются «интеллектуальные» (коммутируемые с блока управления, БУ) разветвители. Адресная система ELECTROLINE (АСЕ) предназначена для КСКТП любой сложности и ориентирована в основном на HFC сети с числом абонентов до 1 млн (рис. 7). Минимальный комплект АСЕ состоит из центрального БУ (обычно его располагают в составе головного оборудования) и адресуемых устройств (addressable device). Под термином «адресуемое устройство» следует понимать «интеллектуальные» направленные ответвители (НО) или сплиттеры (как абонентские, так и магистральные), которые используют адресную технологию ELECTROLINE для контроля предоставления сервисных услуг абонентам.

Рис. 8

Адресуемые устройства принципиально отличаются от традиционных абонентских разветвителей и содержат специальный декодер (рис. 8), который предназначен для управления с БУ абонентским портом (или портами, до 64 при включении по схеме «звезда»). Команды, поступающие с БУ, управляют декодером для переключения каждого из абонентских портов к соответствующему уровню сервиса: базовый (basic), платный (pay) или режим «откл.» (off). С БУ совместно с ТВ-каналами поступают команды управления, обеспечивающие текущий статус порта, гарантирующий уровень сервиса в данный момент времени. Все используемые виды сервиса (например, базовый пакет, дополнительный платный пакет и каналы интерактивных услуг) делятся по частотному признаку (располагаются в определенной частотной последовательности при составлении частотного плана конвертации) наряду с другими ТВ-сигналами. Пр этом все интеллектуальные абонентские устройства размещают вне помещения абонента, что является дополнительной гарантией от возможного пиратского взлома адресной системы. Простейшая обобщенная схема включения абонентских устройств представлена на рис. 9.

Рис. 9

Все интеллектуальные устройства от ACE работают в частотном диапазоне 5…1000 МГц и пригодны для любой КСКТП, функционирующей в любом частотном диапазоне. Адресуемые устройства ACE управляются FSK (Frequency Shift Keying — частотная манипуляция) модулированной несущей и пригодны для трансляции аналоговых сигналов любого стандарта (SECAM, PAL или NTSC) или цифровых сигналов любого формата (например, QPSK, 16…256 QAM). Иными словами, адресуемые устройства не вносят каких-либо искажений в сигналы любых видов, транслируемых в КСКТП. Типовая КСКТП, в которой используется адресная система ELECTROLINE, может включать:

• биллинговую систему (billing system terminal) для фиксации записи данных статуса абонентов (поставляются три экономичные базовые версии, но может использоваться любая другая система);
• блок управления (две версии по числу абонентов и количеству видов кодировок), соединяемый с биллинговой системой для дистанционной коммутации адресуемых устройств в зависимости от статусного состояния каждого из абонентов;
• собственно адресуемые устройства (магистральные и абонентские ответвители и сплиттеры) для коммутации предоставляемых сервисных абонентских услуг.

Рис. 10

Фрагмент абонентского ответвителя с двумя коммутируемыми фильтрами (не более четырех для каждого абонента) показан на рис. 10. Развязка между любыми из абонентских отводов составляет не менее 55 дБ.

Важно отметить, что при внедрении интерактивных услуг один из фильтров (диапазонный режекторный фильтр реверсного канала) выполняется в виде ФВЧ, что исключает шумы ингрессии от всех «неактивных» абонентов.

Высокая защищенность от несанкционированного подключения достигается не только за счет смены кодировок (семь базовых версий), но и за счет простейшей перемены мест модемов из разных телефицируемых объектов. При этом каждому из абонентских устройств присваивается новый номер (каждый модем обслуживает не более 64 абонентов).

Таким образом, рассмотренная адресная система ELECTROLINE может оказаться очень полезной для интерактивных мультисервисных КСКТП, так как она позволяет не только формировать сервисные каналы с высокой степенью защищенности и автоматизированной биллинговой системой, но и устранять шумы ингрессии. Важным достоинством данной адресной системы является возможность дистанционного отключения/включения любых каналов по любым абонентам.

Выводы

В заключительной части статьи подчеркнем наиболее важные моменты, на которые следует обратить внимание при построении интерактивной мультимедийной сети.

1. В большинстве строящихся КСКТП используется гибридная (HFC) технология с развитой оптической системой.

2. При проектировании новых КСКТП целесообразно предусматривать возможность внедрения интерактивных услуг и делать полный расчет реверсного канала. Это позволит в дальнейшем исключить дополнительные затраты на проведение повторных проектных работ и необходимость изменять конфигурацию уже построенной сети (что неоднократно подтверждалось практически при модернизации сетей, спроектированных без расчета реверсного канала и определения способов подключения СМ).

3. Для внедрения услуг интерактивного сервиса наибольшее распространение получил стандарт DOCSIS. Сейчас широко используется версия 1.1, но CableLabs уже сертифицирует CMTS и СМ версии 2.0.

4. В настоящее время наиболее востребованы услуги высокоскоростного доступа в Интернет и телефония. Постепенно внедряются системы видеонаблюдения и системы пожарной и охранной сигнализации. Для внедрения систем видеонаблюдения требуется диапазон реверсного канала 5…65 МГц. Следует отметить, что внедрение услуги Интернет приносит кабельным операторам большие доходы, чем телевидение.

5. При выполнении требований DOCSIS предельные скорости в каналах составляют: в прямом — 55,6 Мбит/с (полоса канала 8 МГц, EuroDOCSIS,), в реверсном — 10,24 Мбит/с (полоса канала 3,2 МГц, 16QAM).

6. При выборе CMTS основное внимание следует обращать не на технические характеристики (требованиям DOCSIS удовлетворяют CMTS всех типов), а на функциональные возможности: число устанавливаемых приемников/демодуляторов реверсного канала (upstream), надежность, удобство выявления, фиксации и регистрации ошибок в сети (внешний и внутренний мониторинг), а также простоту сопряжения с биллинговой системой.

7. Важно обеспечить правильное включение CMTS в состав головного оборудования, при этом конкретная конфигурация выбирается исходя из функциональных возможностей используемой КСКТП.

8. Для достижения максимальных скоростей в реверсном канале необходимо добиваться в нем максимально возможного отношения C/N.

9. Для включения СМ целесообразно использовать специализированные абонентские розетки, которые позволяют исключить поражение некоторых ТВ-каналов в результате воздействия гармонических составляющих мощного выходного сигнала СМ. Подобное подключение целесообразно и при подключении коллективных кабельных модемов. В простейшем случае можно использовать обычный направленный ответвитель с коэффициентом направленности не менее 36 дБ.

10. Стояковую разводку целесообразнее выполнять по схеме «звезда» (вместо традиционной «лестницы»). Такая схема позволяет наиболее просто и экономично устанавливать фильтры пакетирования (при формировании платных ТВ-каналов), повысить защиту от актов вандализма, снизить уровень входного сигнала, обеспечить защиту от шумов ингрессии и максимально выровнять уровни сигналов. Недостатком звездообразной схемы является большое число кабелей, прокладываемых в одном стояке.

11. По возможности, необходимо стремиться к максимальному значению отношения C/N по реверсному каналу. Это позволит использовать формат 128QAM (до 17,92 Мбит/с в канале с полосой 3,2 МГц).

12. Для максимизации C/N по реверсному каналу необходимо:

• использовать коллективные кабельные модемы, включаемые на входах домовых усилителей (исключение шумов ингрессии);
• разбивать коаксиальный кластер на несколько зон, каждая из которых должна включаться на свой оптический передатчик реверсного канала;
• использовать СМ на повышенных мощностях (но не предельных);
• применять кабели с высоким коэффициентом радиоэкранной защиты, качественные кабельные насадки и коаксиальные переходы, тщательно следить за качеством монтажных работ.

13. Минимальный уровень сигнала на выходе любого из абонентских разветвителей, который следует задавать при проведении проектных работ, составляет 70…72 дБмкВ, что позволит подключать 1…2 телевизора или один телевизор и СМ. При уровне сигнала 75…77 дБмкВ можно включать до трех телевизоров и СМ. При ограниченных финансовых возможностях допустимо проектировать сеть с уровнем сигнала 68…70 дБмкВ, а часть дополнительных расходов перенести на самих абонентов за счет включения внутриквартирных активных сплиттеров с малым коэффициентом усиления.

14. Реально используемый частотный диапазон реверсного канала 5…30 МГц составляет 12…25 МГц, в нем можно разместить не более четырех каналов с полосой 3,2 МГц (максумум 41 Мбит/с) без каких-либо технологических запасов.

15. Вновь строящую КСКТП следует проектировать на частотный диапазон 5…65 МГц. На начальном этапе можно использовать и ограниченный диапазон 5…30 МГц за счет установки соответствующих диплексорных фильтров в модуль реверсного канала. В последующем это исключит необходимость проводить перерасчет реверсного канала.

16. Для всех вновь строящихся КСКТП расчет реверсного канала должен проводиться с определением предполагаемых скоростей цифровых потоков. Однако сам реверсный канал на начальном этапе может быть и не активизирован. Проведение расчетов реверсного канала на последующем этапе может привести к неоправданно завышенным расходам и необходимости частичной переконфигурации сети.

17. Уровень шумов на входе CMTS определяется шумами ингрессии (доминирующая составляющая не подлежит расчету и зависит от времени суток) и тепловыми шумами, которые зависят от числа модемов, числа усилителей реверсного канала в коаксиальном кластере, их приведенного динамического диапазона, полосы пропускания канала, а также от характеристик оптической системы и способа ее подключения по входу приемника/демодулятора CMTS.

18. Для минимизации шумов в реверсном канале место установки аттенюатора в усилителе реверсного канала (на входе или выходе) не имеет принципиального значения, а вот чтобы свести к минимуму искажения, выгоднее использовать усилители с аттенюатором на входе.

19. Для наращивания скоростей в реверсном канале и увеличения C/N целесообразно использовать оптические узлы с несколькими независимыми выходами, каждый из которых должен быть нагружен на свой оптический передатчик реверсного канала. При этом число встраиваемых приемников реверсного канала (демодуляторов) в CMTS должно быть как можно больше.

20. Для наращивания скоростей в реверсном канале за счет увеличения числа оптических предатчиков необходимы дополнительные оптические жилы (вариант перехода на 1550 нм не рассматривается). При отсутствии такой возможности можно использовать диапазонные конвертеры реверсного канала. На передающей стороне (с оптическим узлом) устанавливается повышающий конвертер, имеющий несколько входов и один общий выход, а на приемной стороне (на входах CMTS) — понижающий конвертер, имеющий один вход и несколько выходов.

21. Оптимальное значение рабочего выходного уровня CM, принимаемое для расчетов, должно составлять 100…105 дБмкВ. Технологический запас 10…15 дБмкВ учитывает погрешности расчетов, реальные разбросы параметров абонентских разветвителей, возможность изменения подключения CM (например, через дополнительный сплиттер), старение сети (наиболее быстро проявляющееся в диапазоне реверсного канала) и воздействие дестабилизирующих факторов (в первую очередь температуры).

22. Отношение C/N в реверсном канале не зависит от выходного уровня CM. Но чем выше выходной уровень CM, тем надежнее защита от шумов ингрессии.

23. При проведении расчетов реверсного канала желательно, чтобы уровень сигнала на входе усилителя был не менее 75…85 дБмкВ.

24. При использовании усилителей реверсного канала с выходным уровнем, который на 10 дБ ниже максимального паспортного значения, расчеты на интермодуляционные искажения можно не проводить, так как они будут незначительными даже при большом числе каналов (например, 10). Фактически это означает, что максимальный выходной уровень усилителя реверсного канала должен составлять 114…118 дБмкВ.

25. Расчет реверсного канала сводится к определению скоростей (реальная полезная рабочая скорость может составлять только 50% от максимального значения), отношения C/N по каждому из усилителей и на входе CMTS, уровней сигналов на входах и выходах усилителей реверсного канала (исходя из условия выравнивания уровней сигналов в точках разветвления субмагистралей) и уровней сигналов CM (коллективные CM из-за особенностей подключения могут иметь значительные разбросы уровней сигналов).

26. Для коммутации реверсного канала по каждому из абонентов (защита от шумов ингрессии) и введения платных каналов в сочетании с биллинговой системой удобно использовать «интеллектуальные» разветвители, входящие в адресуемую систему, коммутируемую с центрального блока управления, который располагается в составе головного оборудования.