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(wèn)題，即反向通道噪聲問(wèn)題和媒體訪問(wèn)控制（MAC）協(xié)議問(wèn)題，在探討問(wèn)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(wàn)戶等的優(yōu)勢(shì)，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(guó)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(wèn)題是：反向通道噪聲問(wèn)題和媒體訪問(wèn)控制（MAC）協(xié)議問(wèn)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(guó)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(jiǎn)單的訪問(wèn)控制方法就是帶碰撞檢測(cè)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(zhǎng)度，以便傳輸結(jié)束之前能夠沖突檢測(cè)。在基帶CSMA/CD 中，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)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(cè)，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(wèn)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(lái)，也就是說(shuō)，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(lái)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(lái)源于用戶室內(nèi)的設(shè)備，而這恰好是營(yíng)運(yùn)商無(wú)法管理的，問(wèn)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(yíng)者認(rèn)為，大約70%的入侵雜波來(lái)源于家庭，同時(shí)也說(shuō)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(cè)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)，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(lái)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(wú)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(wèn)題。CMTS 通過(guò)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(guò)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(yíng)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(wèn)控制（MAC）協(xié)議問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(guò)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(guò)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(zhǎng)

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(zhǎng)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(lái)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(zhǎng)時(shí)延的返回系統(tǒng)，站點(diǎn)必須等待較長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)下行信道將信息傳送給各個(gè)站點(diǎn)，各個(gè)站點(diǎn)通過(guò)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(lái)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(guò)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(shuō)，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(wú)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(lái)。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(guò)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(yíng)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)?！?/p>