KONCENTRYCZNO- ŚWIATŁOWODOWE SIECI DOSTĘPOWE

KONCENTRYCZNO- ŚWIATŁOWODOWE SIECI DOSTĘPOWE –
TECHNIKI HFC
Henryk Gut-Mostowy
1
Uwagi ogólne
Sieci telewizji kablowej CATV, w początkowej fazie rozwoju, były budowane w postaci
jednokierunkowej magistrali koncentrycznej CB (Coax Bus). Po wprowadzeniu światłowodu
w części magistralnej, sieci te ewoluowały w kierunku architektury FCB (Fibre-Coax Bus).
Te ostatnie, po wprowadzeniu modułów pasma zwrotnego, zamieniły się w sieci dostępowe
koncentryczno-światłowodowe HFC (Hybrid Fiber-Coax) z pełnym zakresem usług zarówno
wąsko-, jak i szerokopasmowych, w tym takŜe multimedialnych.
2
Architektura i model odniesienia sieci HFC
Współcześnie eksploatowane sieci HFC są oparte na architekturze gwiazdy, pasywnym
połączeniu optycznym pomiędzy stacją czołową a węzłem optycznym, obsługującym małe
grupy abonentów (rys. 1). Sieci o takiej strukturze są bardziej niezawodne niŜ sieci
magistralne z tuzinami wzmacniaczy kaskadowych. Zastosowanie światłowodów zmniejsza
ponadto koszt utrzymania sieci poprzez eliminację elektrycznych wzmacniaczy analogowych,
zwiększając jednocześnie: jakość, szybkość i zasięg transmisji.
..
.
STB
Stacja
czołowa
Rozgałęźnik
Kabel światłowodowy
FN
Kabel koncentryczny
NIU
HDT
Kabel symetryczny
V5.x (VB5.x)
Odbiornik
TV
POTS
Węzeł usług
Rys. 1.
Architektura przykładowej siei HFC. Oznaczenia wyjaśniono w tekście
W sieciach HFC podstawowym modułem dla realizacji usług zarówno wąsko-, jak i szerokopasmowych jest stacja czołowa (HDT). Przez interfejs V5.x (docelowo VB5.x) pośredniczy
ona pomiędzy węzłem usługowym (tzn. centralą telefoniczną, wyniesionym koncentratorem,
serwerem usług multimedialnych) a siecią dystrybucyjną HFC. Sygnały z HDT są przesyłane
do węzłów światłowodowych (FN) łączami światłowodowymi typu punkt-punkt. Pojedynczy
węzeł (FN) obsługuje do 500 abonentów, którzy dzielą pasmo kanału zwrotnego od 5 do 40
MHz i kanału rozsiewczego od 50 do 860 MHz. Węzły światłowodowe z urządzeniami
zakończenia sieci (NIU) są połączone za pomocą kabli koncentrycznych. Urządzenia (NIU)
obsługują małe grupy abonentów, w szczególnym przypadku − jednego abonenta. W
urządzeniu (NIU) zostają wydzielone sygnały telefoniczne, przesłane do odbiorników
-1-
abonenta przez standardową parę przewodów miedzianych. Sygnały szerokopasmowe są
przesyłane do urządzeń abonenckich przez kabel koncentryczny. Analogowe sygnały TV są
kierowane bezpośrednio do odbiornika telewizyjnego. Sygnały cyfrowe interaktywnych usług
multimedialnych są przesyłane poprzez dekoder (STB) cyfrowo-analogowy, tzw. set-top box.
3
Elementy konstrukcyjne – funkcje realizowane w systemie
Stacja czołowa HDT (od ang. Host Digital Terminal) jest podstawowym modułem
konstrukcyjnym sieci HFC. Najogólniej rzecz biorąc pośredniczy ona pomiędzy węzłem
usługowym a siecią dystrybucyjną HFC, i jako taka jest odpowiedzialna za:
− dystrybucję sygnałów telewizji analogowej,
− odbiór sygnałów danych pochodzących od węzła usługowego i przesyłanie ich w kierunku
abonenta oraz
− odbiór danych z kanału zwrotnego, pochodzących od abonenta, i w zaleŜności od rodzaju
usługi, skierowanie ich do odpowiedniego węzła usługowego.
Węzeł optyczny FN (od ang. Fiber Node) łączy część światłowodową z częścią
koncentryczną sieci HFC. Przy czym, łącze światłowodowe ze stacją czołową (HDT) jest
realizowane w konfiguracji punkt-punkt, zaś połączenie z abonentem ma konfigurację typu
punkt-wielopunkt. W strukturze funkcjonalnej sieci HFC odpowiedzialny jest ona za
dokonywanie konwersji: sygnału optycznego na elektryczny w kierunku od HDT do abonenta
oraz sygnału optycznego na elektryczny w kierunku od abonenta do stacji HDT. W sieciach
HFC kaŜdy węzeł optyczny obsługuje niewielką grupę abonentów, dzięki temu jest
praktycznie moŜliwe wykorzystanie udostępnianego pasma zwrotnego. Kanał zwrotny o
paśmie 5 ÷ 40 MHz jest tu bowiem dzielony pomiędzy abonentów podłączonych do jednego
węzła światłowodowego, tzn. dla 200 do 500 abonentów.
Urządzenie zakończenia sieci NIU (od ang. Node Intrface Unit) obsługują małe grupy
abonentów, w szczególnym przypadku – jednego abonenta. Generalnie rzecz biorąc
urządzenie to stanowi zakończenie sieci HFC, i jako takie jest odpowiedzialne za:
− wydzielenie sygnałów telefonicznych i kierowanie ich do urządzenia podstawowej usługi
telefonicznej (np. telefonu, faksu);
− wydzielenie cyfrowych sygnałów usług interaktywnych i kierowanie ich do odpowiednich
urządzeń terminalowych, takich jak np. komputery PC;
− odbiór i dekodowanie sygnałów cyfrowych z kompresją MPEG-2;
− kierowanie analogowych sygnałów TV bezpośrednio do odbiornika;
− zabezpieczanie i zarządzanie strumieniem danych, z uŜyciem takich mechanizmów, jak np.:
ściany ogniowe (ang. FireWalls), filtrowanie pakietów, sieć prywatna VPN z szyfracją
danych (DES lub 3DES), obsługa grupy komputerów, dedykowane porty do podłączenia
serwerów ogólnodostępnych oraz
− komunikacja z siecią lokalną Ethernet.
-2-
Dekoder cyfrowo-analogowy STB (od ang. Set-Top Box), z załoŜenia obsługuje małą grupę
abonentów, a na ogół jednego abonenta. UmoŜliwia korzystanie z usług multimedialnych,
takich jak: wideotelefonia, wideo na Ŝądanie, tele-gry, tele-edukacja oraz innych usług
interaktywnych, a takŜe umoŜliwia dostęp do zasobów sieci Internet, z uŜyciem zwykłego
odbiornika TV, jako monitora. Składa się z przystawki telewizyjnej oraz konsoli. Jest
dedykowany tam, gdzie brak jest komputera lub terminalu telefonicznego. Obecnie w
większości wypadków jego rolę spełniają komputery PC. W strukturze funkcjonalnej sieci
HFC, dekoder ten jest odpowiedzialny za:
− interpretację i przekazywanie na ekran telewizyjny danych odbieranych z kanałów
dosyłowych modemu kablowego;
− przekazywanie w kierunku stacji czołowej (do kanału zwrotnego) Ŝądań i zapytań
wprowadzanych z konsoli oraz
− dekodowanie sygnałów cyfrowych poszczególnych usług multimedialnych.
4
Zasady wykorzystania pasma i techniki modulacji sygnałów
W systemach telewizji kablowej HFC jest stosowane częstotliwościowe
zwielokrotnianie kanałów. MoŜna tu przesyłać zarówno standardowe analogowe sygnały
telewizyjne, jak i sygnały cyfrowe (np. MPEG-2). Kanały analogowe są bezpośrednio
odbierane przez konwencjonalne odbiorniki telewizyjne (modulacja AM-VSB), natomiast
kanały cyfrowe wymagają dekoderów cyfrowo-analogowych (STB).
W sieciach HFC pasmo dzieli się na dwie odrębne części (rys. 2), tzn. na pasmo
kanałów do abonenta oraz pasmo kanałów od abonenta do stacji czołowej. W paśmie do
abonenta stosuje się modulacje, takie jak dla konwencjonalnych sygnałów wideo
rozsiewczych stacji naziemnych, z uwzględnieniem wyŜszej jakości medium transmisyjnego.
W przypadku sygnałów analogowych jest tu stosowana modulacja standardowa AM-VSB.
Dla sygnałów cyfrowych stosuje się zaś modulacje cyfrowe QAM, VSB i QPSK. Modulacje
QAM i VSB są stosowane do transmisji sygnałów wideo, natomiast dla transmisji do
abonenta sygnałów innych usług, wymagających mniejszego pasma (usługi telefoniczne,
wolna transmisja danych, faks, itd), stosuje się modulację QPSK.
Kanały zwrotne
Audio "FM"
0
50
100
200
Kanały do abonenta
300
400
500
600
700
TV
800 f [MHz]
TEL
PVD
TD
VOD
TVA
Rys. 2.
TVD
Przykład wykorzystania pasma w systemie "HFC-2000". Oznaczenia: PVD – kanały zwrotne usług
telefonicznych i transmisji danych, TD – kanały szybkiej transmisji danych, TEL – kanały telefonii,
TV – pasmo standardowej telewizji programowej, TVA – kanały analogowej telewizji CATV, TVD
–kanały telewizji cyfrowej, VOD – wideo na Ŝądanie
W paśmie od abonenta do stacji czołowej praktyczne zastosowanie w komercyjnych
systemach HFC znalazła modulacja DWMT (od ang. Discrete Wavelet Multitone). Tak jak
-3-
wcześniej omówiona modulacja DMT, DWMT jest modulacją z wieloma nośnymi, która
umoŜliwia efektywne wykorzystanie pasma i jest odporna na zakłócenia w kanale
transmisyjnym. Dostępne pasmo transmisyjne rozdziela się tu na podkanały, które są
całkowicie niezaleŜne i izolowane widmowo. Gdy sygnał jest przekazywany przez medium
transmisyjne, zakłócenia interferencyjne od zewnętrznych źródeł sygnałów mogą zaburzyć
transmisję przez zakłócenie niektórych podkanałów. Modulacja DWMT umoŜliwia
zminimalizowanie tego niekorzystnego zjawiska w wyniku adaptacyjnego kształtowania
widma kanału transmisyjnego. Polega to na tym, Ŝe większość bitów jest umieszczana w
podkanałach o duŜym współczynniku odstępu sygnał/szum, a mniejsza – w podkanałach,
które są bardziej zakłócane.
-4-