Гибридный волоконно-коаксиальный ( HFC ) — это широкополосная телекоммуникационная сеть , которая объединяет оптоволокно и коаксиальный кабель . Он широко используется во всем мире операторами кабельного телевидения с начала 1990-х годов. [1]
В гибридной волоконно-коаксиальной кабельной системе телевизионные каналы отправляются из распределительного устройства кабельной системы, головной станции , в местные сообщества через оптоволоконные абонентские линии. В местном сообществе оптический узел преобразует сигнал из светового луча в радиочастоту (РЧ) и отправляет его по коаксиальным кабельным линиям для распространения в дома абонентов. [2] Волоконно-оптические магистральные линии обеспечивают достаточную пропускную способность для предоставления дополнительных услуг с интенсивным использованием полосы пропускания, таких как кабельный доступ в Интернет через DOCSIS . Поэтому некоторые или большинство, если не все телевизионные каналы, могут использоваться вместо этого для передачи Интернета клиентам. [3] Пропускная способность распределяется между пользователями HFC. [4] Шифрование используется для предотвращения подслушивания. [5] Клиенты объединяются в сервисные группы, которые представляют собой группы клиентов, которые совместно используют полосу пропускания друг с другом, поскольку они используют одни и те же радиочастотные каналы для связи с компанией.
Волоконно-оптическая сеть простирается от главного узла кабельных операторов , иногда до региональных узлов и далее до узла-концентратора района и, наконец, до узла опто-коаксиального кабеля, который обычно обслуживает от 25 до 2000 домов. Главный узел обычно имеет спутниковые антенны для приема удаленных видеосигналов, а также маршрутизаторы агрегации IP . Некоторые главные узлы также содержат телефонное оборудование (такое как автоматические телефонные станции ) для предоставления телекоммуникационных услуг сообществу. В сети HFC телефония предоставляется с помощью PacketCable .
Региональная или областная головная станция/концентратор будет получать видеосигнал от главной головной станции [6] и добавлять к нему общедоступные, образовательные и правительственные каналы кабельного телевидения (PEG) в соответствии с требованиями местных органов власти, занимающихся франчайзингом, или вставлять целевую рекламу, которая будет привлекательна для местного региона, вместе с Интернетом от CMTS (интегрированной CMTS, которая включает в себя все необходимые для работы части) или CCAP, которая обеспечивает как Интернет, так и видео.
Отдельные Edge QAM могут использоваться для предоставления модулированного QAM- видео, подходящего для передачи по коаксиальной кабельной сети, из цифровых видеоисточников. [7] [8] Edge QAM также могут быть подключены к CMTS для предоставления интернет-данных вместо видео в модульной архитектуре CMTS. [9] [10] CCAP нацелены на замену обычного интегрированного CMTS, который предоставляет только данные, и Edge QAM, используемых для видео, которые являются отдельными частями оборудования. [11]
Видео может быть закодировано в соответствии со стандартами, такими как NTSC, MPEG-2, DVB-C или стандартом QAM , а данные — в соответствии со стандартом DOCSIS, аналоговое видео может быть скремблировано [12], сигналы могут быть модулированы аналоговыми или цифровыми видеомодуляторами, включая модуляторы QAM [13] или граничными QAM для видео и/или данных в зависимости от того, используется ли модульная CMTS, на CMTS только для данных [14] [15] [16] или на CCAP для видео и данных, и преобразованы с повышением частоты на радиочастотные носители в этом оборудовании.
Различные сервисы от CMTS, CCAP, Edge QAM и QAM-модуляторов объединяются в один электрический радиочастотный сигнал с использованием модулей управления радиочастотами головной станции, таких как сплиттеры и сумматоры [17] [18] [19], а полученные сигналы вставляются в широкополосный оптический передатчик, который на практике является передающим модулем на «оптической платформе» или платформе головной станции, такой как Arris CH3000, Scientific Atlanta Prisma или Cisco Prisma II. [20] [21] Эти платформы размещают несколько передатчиков и приемников, последний из которых может использоваться для кабельного интернета, а также может размещать усилители на основе легированного эрбием волокна (EDFA) для расширения зоны действия оптических сигналов в оптоволокне. [22] [23] Каждый передатчик и приемник обслуживает один оптический узел. [24]
Этот оптический передатчик преобразует электрический сигнал RF в нисходящий оптически модулированный сигнал, который отправляется в узлы. Волоконно-оптические кабели соединяют головную станцию или концентратор с оптическими узлами в топологии « точка -точка» или «звезда» [25] или , в некоторых случаях, в защищенной кольцевой топологии. Каждый узел может быть подключен через свое собственное выделенное волокно [26] , поэтому волоконно-оптические кабели, проложенные снаружи на внешней установке, могут иметь несколько [27] десятков до нескольких сотен или даже тысяч волокон, крайним примером является 6912 волокон [28] .
Волоконно-оптический узел имеет широкополосный оптический приемник, который преобразует нисходящий оптически модулированный сигнал, поступающий от головной станции или концентратора, в электрический сигнал, идущий к клиентам. По состоянию на 2015 год [update]нисходящий сигнал представляет собой модулированный радиочастотный сигнал, который обычно начинается с 50 МГц и варьируется от 550 до 1000 МГц на верхнем конце. Волоконно-оптический узел также содержит передатчик обратного или обратного пути, который отправляет сообщение от клиентов обратно на головную станцию. В Северной Америке этот обратный сигнал представляет собой модулированный радиочастотный сигнал в диапазоне от 5 до 42 МГц, тогда как в других частях мира диапазон составляет 5–65 МГц. Затем этот электрический сигнал выводится через коаксиальный кабель для формирования коаксиальной магистрали.
Оптическая часть сети обеспечивает большую гибкость. Если к узлу не подведено много оптоволоконных кабелей, можно использовать мультиплексирование с разделением по длине волны для объединения нескольких оптических сигналов в одно и то же волокно. Оптические фильтры используются для объединения и разделения оптических длин волн в одно волокно. Например, нисходящий сигнал может иметь длину волны 1550 нм, а обратный сигнал может иметь длину волны 1310 нм. [29] [30]
Коаксиальная магистральная часть сети соединяет 25–2000 домов (обычно 500) [31] в древовидной конфигурации от узла. [32] [33]
Магистральные коаксиальные кабели подключаются к оптическому узлу [34] [35] и образуют коаксиальную магистраль, к которой подключаются более мелкие распределительные кабели. Усилители ВЧ , называемые магистральными усилителями, используются с интервалами в магистрали для преодоления затухания кабеля и пассивных потерь электрических сигналов, вызванных разделением или «отводом» коаксиального кабеля. Магистральные кабели также несут переменный ток, который добавляется в кабельную линию обычно либо на 60, либо на 90 В с помощью источника питания (со свинцово-кислотной резервной батареей внутри) и вставки питания. Питание добавляется в кабельную линию, так что оптические узлы, магистральные и распределительные усилители не нуждаются в отдельном внешнем источнике питания. [36] Источник питания может иметь измеритель мощности рядом с собой в зависимости от местных правил энергетической компании.
От магистральных кабелей меньшие распределительные кабели подключаются к порту одного из магистральных усилителей, называемого мостом, для передачи радиочастотного сигнала и мощности переменного тока по отдельным улицам. Обычно магистральные усилители имеют два выходных порта: один для магистрали, а другой как мост. Распределительные усилители (также называемые системными усилителями) могут быть подключены к порту моста для подключения нескольких распределительных кабелей к магистрали, если требуется большая емкость, поскольку они имеют несколько выходных портов. В качестве альтернативы линейные удлинители, которые представляют собой меньшие распределительные усилители только с одним выходным портом, могут быть подключены к распределительному кабелю, выходящему из порта моста в магистрали, и использоваться для усиления сигналов в распределительных кабелях [37] , чтобы поддерживать мощность телевизионного сигнала на уровне, который может принять телевизор. Затем распределительная линия «включается» и используется для подключения отдельных отводов к домам клиентов. [38]
Эти РЧ-ответвители пропускают РЧ-сигнал и блокируют питание переменного тока, если только нет телефонных устройств, которым требуется резервная надежность питания, обеспечиваемая коаксиальной системой питания. [39] Ответвитель заканчивается небольшим коаксиальным отводом с использованием стандартного винтового разъема, известного как F-разъем .
Затем отвод подключается к дому, где заземляющий блок защищает систему от паразитных напряжений. В зависимости от конструкции сети сигнал может затем передаваться через разветвитель на несколько телевизоров или на несколько приставок (кабельных коробок), которые затем могут быть подключены к телевизору. Если для подключения нескольких телевизоров используется слишком много разветвителей, уровни сигнала уменьшатся, а качество изображения на аналоговых каналах ухудшится. Сигнал в телевизорах после этих разветвителей потеряет качество и потребует использования усилителя «отвода» или «дома» для восстановления сигнала. [40]
Исторически сложилось так, что кабельные операторы стремились сократить количество коаксиального кабеля, используемого в своих сетях, чтобы улучшить качество сигнала, что изначально привело к принятию HFC. [41] HFC заменил коаксиальные кабельные сети, в которых коаксиальные магистральные кабели начинались в головной станции сети, а HFC заменил часть этих магистральных кабелей волоконно-оптическими кабелями и оптическими узлами. В этих коаксиальных сетях магистральные усилители размещались вдоль магистральных кабелей для поддержания адекватных уровней сигнала в магистралях, [42] [43] распределительные фидерные кабели могли использоваться для распределения сигналов от магистралей на отдельные улицы, [44] [45] [46] направленные ответвители использовались для улучшения качества сигнала, [47] магистральные усилители могли быть оснащены автоматической регулировкой уровня или автоматической регулировкой усиления, [48] также могли использоваться гибридные усилители, которые имеют гибридную интегральную схему [49] [50] , [51] а отдельные мосты использовались для подключения магистрали к распределительным фидерам. [52] [53] [54]
В 1953 году компания C-COR первой внедрила кабельное питание, которое передает питание по коаксиальным кабелям для питания кабельных усилителей. В 1965 году она представила использование интегральных схем в усилителях, используемых на опорах линий электропередач , а в 1969 году первой стала использовать тепловые ребра на усилителях. [55] [56] Первые усилители в наружных корпусах с шарнирами и уплотнениями для установки между опорами линий электропередач, подвешенными к несущим проводам, были предложены в 1965 году. [57] Примерно в 1973 году концентраторы начали использоваться в кабельных сетях для повышения качества сигнала в результате расширения сети, и кабельные операторы предприняли усилия по сокращению количества усилителей в каскаде на коаксиальных участках сети примерно с 20 до 5. [58] [59] Супермагистрали, изготовленные из коаксиального кабеля с модулированными FM видеосигналами, [60] [56] волоконно-оптические или микроволновые линии связи использовались для соединения головных станций с концентраторами. [61] [62] [63] [58] Волоконная оптика была впервые использована в качестве супермагистрали в 1976 году. [64] FM-видео также могло передаваться по волоконной оптике, [65] и волоконная оптика в конечном итоге заменила коаксиальные кабели в супермагистралях. [56] Пропускная способность кабельных сетей увеличилась с 216 МГц до 300 МГц в 1970-х годах, [49] до 400 МГц в 1980-х годах, [56] [66] [67] до 550 МГц, 600 МГц и 750 МГц в 1990-х годах, [66] [68] [69] и до 870 МГц в 2000 году. [70]
Чтобы удовлетворить потребности в увеличении цифровой полосы пропускания, например, для интернета DOCSIS, кабельные операторы реализовали расширение спектра радиочастот в сетях HFC за пределы 1 ГГц до 1,2 ГГц [71] [72], перешли на обработку только IP-трафика в сети, тем самым исключив выделенные видеоканалы RF, использовали цифровые транспортные адаптеры (DTA) для передачи обычных аналоговых сигналов или использовали коммутируемое цифровое видео (SDV) [73] [74] , что позволяет сократить количество телевизионных каналов в коаксиальных кабелях без уменьшения количества предлагаемых каналов. [75] [76]
К концу 1990-х годов транзисторы GaAs (арсенид галлия) были введены в узлы и усилители HFC, заменив кремниевые транзисторы, что позволило расширить спектр, используемый в HFC, с 870 МГц до 1 ГГц к 2006 году. [70] Транзисторы GaN, введенные в 2008 году [49] и принятые в 2010-х годах, позволили осуществить еще одно расширение до 1,2 ГГц или расширение с 550 МГц до 750 МГц в старых сетях до 1 ГГц без изменения расстояния между усилителями. [77] [78] [79]
Remote PHY — это эволюция сети HFC, направленная на сокращение использования коаксиального кабеля в сети и улучшение качества сигнала. В обычной сети HFC головное оборудование, такое как CMTS и CCAP, подключается к сети HFC с помощью радиочастотных интерфейсов, которые физически являются соединениями коаксиального кабеля [80] [81] [82] , а оптические сигналы в оптоволоконных кабелях в сети являются аналоговыми. В Remote PHY оборудование, такое как CMTS или CCAP, подключается напрямую к сети HFC с помощью оптоволокна, передающего цифровые сигналы, устраняя интерфейс RF и коаксиальные кабели в CMTS/CCAP и модуляцию RF на головной станции, [83] и заменяя аналоговые сигналы в оптоволоконных кабелях в сети цифровыми сигналами, такими как сигналы 10 Gigabit Ethernet, [20] что устраняет необходимость в калибровке сети HFC дважды в год, расширяет охват сети, снижает стоимость оборудования и обслуживания, [84] и улучшает качество сигнала и позволяет использовать модуляцию, такую как 4096 QAM вместо 1024 QAM, что позволяет передавать больше информации за раз, на бит. Это требует более сложных оптических узлов, которые также могут преобразовывать сигналы из цифрового в аналоговый, выполняя модуляцию, в отличие от обычных оптических узлов, которым нужно только преобразовывать сигналы из оптического в электрический. [83] Эти устройства известны как устройства Remote PHY (RPD) или устройства Remote MACPHY (RMD). RPD выпускаются в полочных вариантах, которые могут быть установлены в многоквартирных домах (MDU, многоквартирные дома), а также могут быть установлены в оптических узлах или на небольшом концентраторе, который распределяет сигналы аналогично обычной сети HFC. [20] [74] [85] [37] [86] В качестве альтернативы Remote PHY может позволить размещать CMTS/CCAP в удаленном центре обработки данных вдали от клиентов. [87]
Remote MACPHY, помимо достижения той же цели, что и Remote PHY, также перемещает всю функциональность протокола DOCSIS в оптический узел или внешнюю установку, что может сократить задержку по сравнению с Remote PHY. [88] [89] Remote CMTS/Remote CCAP основывается на этом, перемещая всю функциональность CMTS/CCAP во внешнюю установку. [85] [87] Распределенная архитектура доступа (DAA) охватывает Remote PHY и Remote MACPHY и имеет своей целью перемещение функций ближе к конечным клиентам, что позволяет легче наращивать емкость, поскольку централизованные объекты для оборудования уменьшаются или потенциально устраняются, и более новые версии DOCSIS после DOCSIS 3.1 с более высокими скоростями. Remote PHY позволяет повторно использовать некоторое существующее оборудование, такое как CMTS/CCAP, путем замены компонентов. [88] [90]
Виртуальные CCAP (vCCAP) или виртуальные CMTS (vCMTS) реализуются на коммерческих серверах на базе x86 со специализированным программным обеспечением [91] , часто реализуются вместе с DAA [92] и могут использоваться для увеличения пропускной способности обслуживания без покупки нового шасси CMTS/CCAP или для более быстрого добавления функций в CMTS/CCAP. [74]
Повышение скорости интернета для клиентов может быть достигнуто путем сокращения количества групп обслуживания с абонентами с 500 до не более 128, в так называемой архитектуре n+0, с одним узлом и без усилителей. [93] [94] [83] Сети HFC, работающие на частотах от 1,8 ГГц [95] до 3 ГГц, были исследованы с использованием транзисторов GaN. [96] [97] Были предложены изменения в диапазоне частот, используемых для восходящих сигналов: среднее разделение, которое использует частоты от 5 до 85 МГц для восходящего потока, высокое разделение, которое использует диапазон от 5 до 205 МГц, и сверхвысокое разделение с несколькими опциями, которые позволяют использовать диапазоны от 5 до 684 МГц. [98] Полный дуплекс (FDX) DOCSIS позволяет восходящим и нисходящим сигналам одновременно занимать один частотный диапазон без временного разделения мультиплексирования. [99] Операторы кабельного телевидения постепенно переходят на сети FTTP с использованием PON ( пассивных оптических сетей ). [100] [101] [102]
Используя частотное мультиплексирование , сеть HFC может переносить различные услуги, включая аналоговое телевидение, цифровое телевидение ( SDTV или HDTV ), видео по запросу , телефонию и интернет-трафик. Услуги в этих системах переносятся на радиочастотных сигналах в диапазоне частот от 5 МГц до 1000 МГц.
Сеть HFC обычно работает в двух направлениях, что означает, что сигналы передаются в обоих направлениях по одной и той же сети от головного узла/концентратора к дому и от дома к головному узлу/концентратору. Прямые или нисходящие сигналы переносят информацию от головного узла/концентратора к дому, такую как видеоконтент, голос и интернет-трафик. Самые первые сети HFC и очень старые немодернизированные сети HFC являются только односторонними системами. Оборудование для односторонних систем может использовать POTS или радиосети для связи с головным узлом. [103] HFC делает двустороннюю связь по кабельной сети практичной, поскольку она уменьшает количество усилителей в этих сетях. [1]
Обратный путь или восходящий поток сигналов переносят информацию из дома в головной офис/хаб, например, сигналы управления для заказа фильма или восходящий поток интернет-трафика. Прямой путь и обратный путь передаются по одному и тому же коаксиальному кабелю в обоих направлениях между оптическим узлом и домом.
Чтобы предотвратить помехи сигналов, полоса частот разделена на две секции. В странах, которые традиционно использовали NTSC System M , секции составляют 52–1000 МГц для сигналов прямого пути и 5–42 МГц для сигналов обратного пути. [98] Другие страны используют другие размеры полос, но схожи в том, что для нисходящей связи полоса пропускания гораздо больше, чем для восходящей связи.
Традиционно, поскольку видеоконтент отправлялся только домой, сеть HFC была структурирована асимметрично : одно направление имело гораздо большую пропускную способность, чем другое. Обратный путь изначально использовался только для некоторых сигналов управления для заказа фильмов и т. д., что требовало очень малой полосы пропускания. По мере добавления в сеть HFC дополнительных услуг, таких как доступ в Интернет и телефония, обратный путь используется все больше.
Мультисистемные операторы (MSO) разработали методы отправки различных услуг по радиочастотным сигналам по оптоволоконным и коаксиальным медным кабелям. Первоначальный метод передачи видео по сети HFC, который до сих пор является наиболее широко используемым, заключается в модуляции стандартных аналоговых телевизионных каналов, что аналогично методу, используемому для передачи эфирного вещания.
Один аналоговый телевизионный канал занимает полосу частот шириной 6 МГц в системах на основе NTSC или полосу частот шириной 8 МГц в системах на основе PAL или SECAM. Каждый канал центрирован на определенной несущей частоте, чтобы не было помех со смежными или гармоническими каналами. Чтобы иметь возможность просматривать канал с цифровой модуляцией, домашнее или абонентское оборудование (CPE), например, цифровые телевизоры, компьютеры или телевизионные приставки , должны преобразовывать радиочастотные сигналы в сигналы, совместимые с устройствами отображения, такими как аналоговые телевизоры или компьютерные мониторы. Федеральная комиссия по связи США (FCC) постановила, что потребители могут получить кабельную карту у своего местного MSO для авторизации просмотра цифровых каналов.
Используя методы сжатия цифрового видео, можно передавать несколько стандартных и высокочетких телевизионных каналов на одной несущей частоте 6 или 8 МГц, тем самым увеличивая пропускную способность канала сети HFC в 10 и более раз по сравнению с полностью аналоговой сетью.
Цифровая абонентская линия (DSL) — это технология, используемая традиционными телефонными компаниями для предоставления современных услуг (высокоскоростной передачи данных и иногда видео) по медным телефонным проводам с витой парой. Обычно она имеет меньшую пропускную способность, чем сети HFC, а скорость передачи данных может быть ограничена длиной и качеством линии.
Спутниковое телевидение очень хорошо конкурирует с сетями HFC в предоставлении услуг вещательного видео. Интерактивные спутниковые системы менее конкурентоспособны в городских условиях из-за большого времени задержки приема-передачи , но привлекательны в сельской местности и других условиях с недостаточной или отсутствующей развернутой наземной инфраструктурой.
Аналогично HFC, технология «оптоволокно в петле » (FITL) используется операторами местной телефонной связи для предоставления расширенных услуг телефонным клиентам по местной линии обычной телефонной связи (POTS) .
В 2000-х годах телекоммуникационные компании начали значительное развертывание волоконно-оптических сетей (FTTX), таких как пассивные оптические сетевые решения для передачи видео, данных и голоса, чтобы конкурировать с кабельными операторами. Их развертывание может быть дорогостоящим, но они могут обеспечить большую пропускную способность, особенно для услуг передачи данных.
{{cite book}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)