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SCDMA技術在有線電視寬帶網絡應用
[DATE:2007/10/29]

HFC網有著豐富的帶寬資源,下行方向(有線電視前端向用戶傳輸的方向)的帶寬可達幾百兆赫茲,每一條信道內能提供40~48Mbit/s的數據傳輸速率,在上行方向(用戶設備向有線電視前端傳輸的方向)的帶寬也有幾十兆赫茲,能提供大約10Mbit/s的傳輸速率。HFC網為寬帶接入提供了一個即節省開支又高效的解決方案。

  然而一直以來,人們在HFC網絡的上行信道采用何種接入技術上都莫衷一是,F在廣泛使用的DOCSIS協議采用的是TDMA技術,但是在上行信道中存在著嚴重的窄帶噪聲和漏斗噪聲,它們會對TDMA上行信號產生很大的干擾,嚴重降低了通信質量。因此在TDMA方案中,為了避免HFC上行信道中的噪聲干擾,僅采用上行頻段的高端,這樣就浪費掉一大部分頻率資源。而在上行信道中采用同步碼分多址(S-CDMA)方案是一種提高系統上行信道的抗干擾能力和傳輸容量的解決方法。利用CDMA(碼分多址)的擴頻特性可以有效地抑制信道噪聲,充分利用上行信道頻率資源。S-CDMA使不同的用戶發送信號的擴頻序列保持精確的同步,減少了用戶間的多址干擾,增加了傳輸的可靠性。

一、S-CDMA技術概述

  S-CDMA(同步碼分多址)是建立在碼分多址(CDMA)基礎上的,它通過有線分配網絡提供健全和完善的傳輸。它與異步CDMA方案不同,S-CDMA的同步性把信道的效率提至14Mb/s (6MHz信道)。S-CDMA技術在脈沖和窄帶噪聲、線性和非線性信道損壞、一個速率的適應能力、寬帶高容量以及系統的擴展性和安全性方面,較頻分多址(FDMA)和時分多址(TDMA)技術極具優勢。

1.S-CDMA技術原理

  以前使用異步CDMA技術時最棘手的問題就是自產噪聲,它是一個異步系統內的用戶由于互相不校準,因而失去了正交性,從而產生的高度的交互干擾。這樣就提高了底部噪聲,從而降低了容量。

  S-CDMA技術是通過確保Cable Modem傳送上行信息相互正交和同步,減少了交互干擾。而且對于寬帶中的通道干擾問題,可用6MHz S-CDMA通道來解決。這樣S-CDMA數據將不影響用保護帶隔離的其他通道。

  在基于S-CDMA技術的系統中,由每個含有64kbps的多個數據碼流來組成凈負載為14Mbps的總容量。每個數據流用它自身擴展碼進行格子編碼、交織、并擴展到6MHz。

  用前向糾錯和交織來加強信號的擴展,從而使數據流可耐受脈沖噪聲、窄帶干擾和寬帶高斯噪聲。格子編碼增加了4.8dB編碼增益。交織能處理長周期脈沖噪聲,頻譜擴展提供了另外的22dB處理增益。由此可以看到S-CDMA技術在信號處理增益、干擾抑制和支持多路存取等方面具有優勢。

2.S-CDMA容量

  S-CDMA技術提供的高容量是頻譜擴展碼正交的結果。它通過兩個過程獲得:測距和均衡。測距保證時間對齊,即所有碼字必須同時到達前端。測距是基于用戶和前端連續距離的測量,以計算電纜隨溫度改變的伸長/收縮,此過程對每6MHz通道上運載業務是透明的。

  均衡是通過測量從每個用戶到前端的通道響應和在通道發射機上調整預編碼器來獲得的,通過使通道預編碼器的響應倒轉來校正通道響應。通過保證正交,SCDMA減少了用戶之間的相互干擾并大大提高了容量,超過異步CDMA。

3.速率自適應特征

  S-CDMA采用一種優良的調節技術來適應同軸電纜裝置的動態噪聲特征。它通過減少調制方案的等級和動態調節每個Modem發射機的功率來提高系統的可靠性和減少通道容量。此優良的調節能力確保系統的運行不中斷。甚至在信噪比低于-13dB的噪聲情況下。

4.多應用

  S-CDMA容許用恒定比特率(CBR)、可變比特率(UBR)的帶寬分配來支持各種服務等級。帶寬分配可支持不同的應用并保障各自的信息量。該功能是通過為不同的服務分配不同的數據流來實現的。

  單個64kbps數據流可分配給電話,而多個數據流的組合可分配給視頻會議和高速因特網訪問等應用。所有這些可通過一根同軸電纜提供。

  帶寬分配在前端集中管理,帶寬能按要求被保證。使用S-CDMA,當對某些用戶帶寬進行保證時,其他用戶則競爭使用14Mbps有效負載的剩余的部分。具有這些特征的一個完整系統,可以對不同用戶提供不同的服務等級。這樣將給有線電視網絡運營商帶來巨大好處,并相應改變他們的價格結構。

二、S-CDMA與其它技術的比較

  時分多址(TDMA)和頻分多址(FDMA)是通過電纜傳輸高速數據的兩種方法。它們都有很大的限制。對于TDMA,不同的用戶對應不同的時間位置。因此,TDMA需要快速獲得,使得數據對窄帶干擾非常敏感。

  在信噪比(SNR)低于某個極限值時,TDMA系統可能完全不能運行。TDMA的另外一個問題是在一定通道內的競爭,并且此競爭會影響鄰近通道,因為來自不同競爭的能量積聚會引起放大器的過載。這將嚴重影響雙向數據網的性能。

  對于FDMA,各個用戶被分配不同的頻段用于上行傳輸。由于每個用戶占有一個特定窄帶道,數據非常容易受到噪聲的攻擊。因為窄帶干擾能輕易進入用戶占用的通道。為此,FDMA系統常用頻率再分配技術盡力避免噪聲。因而噪聲通道中的數據被轉移到頻段的另一部分。因為干擾的動態性,用不斷移動通道來避免噪聲通常需要更智能化和更昂貴的系統。

  當系統移到另一通道時,由于沒有發送任何數據,因而信息量也受到動態數據再分配影響。FDMA傳輸對非線形和頻率失調也非常敏感,并且通道間需要保護帶而使性能達不到最佳。

  S-CDMA提供了一個辦法,用于解決上行路徑中進入的干擾和脈沖噪聲,這正是HFC網雙向傳輸高速數據時遇到的最嚴重的問題。這里不是在抗噪聲和信息量之間求折中,在采用擴頻和編碼功能時S-CDMA可提供14Mbps的可靠的上行流,帶寬分配的好處使網絡運營商有提供可保證的數據率的能力,可用于UBR,CBR和VBR信息業務。

  S-CDMA不是基于競爭的系統,因而它是可分級的,當更多的用戶加入S-CDMA系統時,他們在高峰時期不會為有限的帶寬而競爭,因而避免了沖突和降低了網絡特征,而且S-CDMA的6MHz通道不干擾鄰近的通道(它們可能用其他技術,如QPSK)連同高的數據速率,這些特性使此技術成為有線電視網高速數據傳輸的最有生命力的方法。

三、S-CDMA技術的優勢

1.用于上行通信的S-CDMA的優點

  同步碼分多址技術(S-CDMA)解決了HFC系統中存在的噪聲和容量問題。S-CDMA技術通過HFC網絡提供了非?煽康膫鬏、以及每6MHz上行和下行通道高達14Mbps的速率,不同于常規的CDMA,S-CDMA使用6MHz帶寬,其信號不干擾或影響其鄰近通道,在容量、服務等級和動態帶寬分配上,S-CDMA比諸如FDMA和T DMA技術,具有許多優點。

  在上行通道(5-42MHz)傳送數據所遇到的問題會妨礙有線電視運營商通過HFC提供雙向、高速數據服務的能力。使用上行通道,兩個最嚴重的問題是:在所限頻段內明顯的容量限制和來自家電(吹風機、電視等)的大量脈沖噪聲和窄帶干擾嚴重損傷了上行方向傳送數據的能力。

  上行方向傳輸質量的降低將嚴重影響下行方向的傳輸能力——因為它依賴于上行的信息,如果上行信號質量劇烈降低,將影響下行方向傳送信息的準確性。

  S-CDMA技術允許在每個6MHz通道上傳輸速率為14Mbps的數據。使用頻譜擴展技術,S-CDMA使上行傳輸抗噪聲(窄帶干擾和脈沖噪聲)能力強、不怕激光限幅。此技術還能與其它技術在相同的HFC網上并存,因為6MHz S-CDMA通道將不干擾其它諸如QPSK調制的鄰近通道,S-CDMA還具有其它優點,包括動態帶寬分配、最高保密性和可分級性。

2.較低的設備調整費用

  系統能在非常大的噪聲狀態下運行,可降低下列費用:高通濾波器和電纜線安裝;當增加新用戶時濾波器的去除和再安裝;設備的可靠性,很大的降低了設備調整費用。

3.能提供分層次服務

  系統以信元為基礎的技術提供服務質量控制,允許網絡運營商通過提供分層次服務對商業用戶提供優質、可靠和高數據率的服務,對居民用戶提供經濟有效的因特網接入。

  典型的電纜系統可能有88%的用戶,10%的小公司/家庭辦公者(SOHO)以及2%的團體消費者,估計對SOHO用戶和團體消費者來說,每月有40美元用于因特網接入服務,200—300美元用于T1的分數值速度連接,1000美元或更高用于T1速度連接,來自SOHO和團體消費者所組成的收入占高速數據服務總收入的58%,雖然它只占基本安裝的12%。

4.確保不中斷的服務

  S-CDMA系統使網絡運營商提供連續的和可靠的數據服務——甚至在SNR(信噪比)低于-13dB的惡劣噪聲狀態下。系統以一種優良的調節能力為特征,能應付上行路徑中的干擾。當噪聲提高時,在Modem—Modem基礎上逐漸減少通道帶寬,可以保證不中斷的運行。

5.減少維護費用

  系統在Modem—Modem基礎上監控通道狀態,以增大數據網的使用效率。此診斷能力允許網絡管理者在整個同軸電纜設備構造上檢查問題,并能快速解決系統問題和運行中的設備維護問題,這就大大降低了設備維護費用和間接費用。

6.減少投資

  基于S-CDMA技術的系統為基于電纜的數據服務運營商提供最有效的成本,它的可靠性和高抗噪聲性允許每個通道控制器集成更多的光節點,由此在低的初始有效電平時降低前端的費用,與采用TDMA技術中每個通道接收機最多覆蓋一個光節點相比,根據設備的噪聲狀況,此系統能支持每個主控器覆蓋4—8個光節點,對一個65000個用戶,每個光節點1000個用戶的系統來說,這里將有65個光節點,相對其他商家的約65個通道控制器,全服務地區只需約10一15個主控制器。因此,此系統的高節點集成能力,在前端通道控制器設備費用方案能減少網絡運營商的投資高達75%。

四、S-CDMA技術在有線電視寬帶網絡建設中的具體應用

  有線電視網絡的豐富帶寬是電信業無法比擬的。但這一巨大的資源卻遲遲沒有給有線電視網絡帶來應有的豐厚經濟效益,其關鍵原因是:以往的傳統技術無法克服有線電視網絡內嚴重的上行匯集噪聲,無法在低投入的情況下實現高效的寬帶互聯業務。而S-CDMA技術具有:超強抗噪聲能力;不需要對原有的有線電視網絡進行大規模改造,僅需開通普通有線電視網絡回傳功能即可實現寬帶互聯等特點,十分適合有線電視網絡的實情,能在低投入的情況下建成一個功能強大的廣電綜合信息網。

1.系統頻率的分配

  雙向傳輸采用頻率分割方法。根據系統規模的大小、信息、功能的多少等,可分別采用高、中、低三種分割方式。國家廣電總局建議使用如下分割方式:

數據上行業務:5—65MHz;

過渡帶:65—85 MHz;

調頻廣播業務:85—108 MHz;

電視下行業務(模擬電視、數字電視):165—750 MHz;

數據下行業務:550—750 MHz。

  S-CDMA技術占用很窄的頻帶(6 MHz),大大節約寶貴的頻率資源,為以后其它業務留下廣闊的發展空間。下行頻段可在550—750 MHz內任選6 MHz,也可根據有線電視網絡現有電視頻道情況選出模擬電視頻道內其中空余的6 MHz帶寬作為下行頻道。

上行頻道可設在5——42 MHz內的任意6 MHz頻道。 2.基于S-CDMA技術的有線電視寬帶網絡數據接入系統的組成

  基于S-CDMA技術的有線電視寬帶網絡數據接入系統包括: 網關、主控器、Cable Modem、管理軟件、DHCP(動態主機配置協議)服務器。

系統組件的主要功能如下:

  網關是一個邊緣集中器,提供給終端用戶訪問遠程IP骨干網(Internet等)以及同一電纜網絡的 Cable Modem之間的高效通訊。網關對CATV網到主控器的骨干網間的前向數據負責。

  主控器位于電纜前端或分布式網絡中心,它是數字信道控制器和多路復用器。主控器為Cable Modem與電纜網絡之間的連接提供控制、管理和數據傳輸功能。在高速信息流中,主控器提供動態寬帶管理,數據網絡資源訪問控制和保證數據服務質量及統一性的管理。單個主控器、為處于相同RF信道上的2000個Cable Modem提供這些功能。

  Cable Modem位于用戶前端,它與主控器在CATV網絡上通訊,并且給用戶PC機提供了標準的IEEE802.3以太口。該以太口允許與單個或多個PC機,服務器或LAN的路由器連接。

  管理軟件提供了對系統的管理。它為Cable Modem提供了系統配置,RF頻譜管理,運行錯誤監控及服務規范。

  動態主機配置協議(DHCP)服務器位于網絡運行中心或前端(依賴于網絡運行)。它為用戶PC機提供了動態IP地址管理和配置服務。

3.S-CDMA系統上行信道的接入過程

  在采用S-CDMA上行接入方案的HFC網絡中,用戶終端在接入網絡到開始在S-CDMA模式下正式傳輸數據,還必須經歷一個初始化過程。這個過程要完成以下幾個任務:

 。1) 測距:S-CDMA系統要保證不同用戶傳送的擴頻信號保持嚴格的同步,即用戶發送信號的擴頻序列到達有線電視前端時的相位要彼此相同,這樣才可以減少用戶間的多址干擾。由于HFC網絡中各個用戶設備與前端的距離不同,而且用戶終端何時接入系統也是隨機的,所以用戶終端發送的信息到達前端的相位值也是隨機的。為了實現各用戶上行信號的同步,在HFC網前端設立一個基準主時鐘,把這個時鐘作為整個網絡的參考時鐘。準備接入網絡的用戶終端需要向前端發送一個測距信號,前端通過這個測距信號得到從終端到前端的傳輸延時,并使處于不同地理位置的用戶可以得到相應的延時補償,最終實現同步。

 。2)功率控制:一般情況下,由于信號通過放大器個數和物理線路的長度的不同,可能會造成幾十dB的功率差異,使系統不能穩定運行。如果功率差異大的兩個用戶信號在信道中傳輸,功率大的信號可能會把功率小的信號淹沒,造成信號丟失。如果信號的功率太小,信噪比過低,會嚴重影響了傳輸的質量。前端檢測出信號功率,并通過碼捕獲和功率控制器計算出功率調整信息,然后通過網絡中的閉環控制把功率調整信息回送到用戶終端,使用戶終端功率得到調節,并能保持相對穩定。

 。3)分配MAC地址:在HFC網中的每個用戶終端都有一個唯一的四個字節的MAC地址,在發送請求的時候連同這個地址一起傳送到前端,便于前端識別,在初始化過程中,前端會分配給用戶一個二字節的MAC地址。用戶終端在完成初始化過程后,就會用這個兩字節的MAC地址來代替原有的四字節的MAC地址和前端通信,既達到節省帶寬的目的,又能滿足一個服務區中所有用戶終端的使用。

(4)獲取傳輸參數:通過初始化過程,用戶終端得到傳輸上行信號所必需的工作頻段和擴頻碼等信息。

4.用戶接入方案

  用戶網絡以750MHz的雙向有線電視網絡(HFC)為主,除有線電視節目外,主要傳輸符合DOCSIS標準的數據信號、準視頻點播(N—VOD)信號,兼可提供IP電話、視頻會議、遠程教育等增值服務。用戶家中使用電纜調制解調器(Cable Modem)接收網絡的寬帶信息。

在用戶端,具體的接入方式有三種:

(1) 單機單用戶

  在這類接入方式中,每個用戶使用一個電纜調制解調器(Cable Modem),為用戶提供雙向14Mbps的接入速率。原有的到用戶端有線電視網絡只需進行雙向改造,其他不必進行改造。

(2)單機多用戶(以太網方式)

  這種方式中多用戶通過集線器(HUB)共用一個電纜調制解調器(Cable Modem),可有效降低用戶端成本。但這種方式需要從HUB到用戶鋪設五類線,故較適用于機關、企業、辦公樓(智能大廈)、網吧等已鋪設局域網的地方。

(3) 單機多用戶(混合器/分離器方式)

  在這種方式中,通過一個電視/數據信號混合器,把來自電纜調制解調器(Cable Modem)的數據信號和來自有線電視分支器的電視信號混合在一起,再通過混合器的同軸電纜接口把混合信號傳至用戶家中。用戶家中安裝一個電視/數據信號分離器,通過分離器的以太網接口把數據傳給PC機,通過分離器的同軸電纜接口把電視信號傳給電視機。這種方法只需很少的設備,既降低了用戶端成本,同時又省去了重鋪五類線的投資,每用戶成本要大大低于任何其他Internet的接入方案。

5.系統功能

  基于S-CDMA技術的有線電視寬帶網絡數據接入系統可實現如下功能:

(1)高速Internet訪問

  通過有線電視網高速接入Internet,可以瀏覽豐富多彩的網上多媒體信息、打各種聯網游戲等等,其速度比單純電話線上網(56K Modem)要快100多倍。

(2)各種信息服務

  可提供基于寬帶網絡的各種信息服務:比如:準視頻點播、視頻會議、網絡股市、社區服務、IP電話、遠程教育、遠程醫療以及電子商務等。

(3)VLAN與VPN

  基于SCDMA技術的系統擁有最高的通信保密等級,允許你根據業務需求對網絡進行任意劃分,完全基于軟件輕松實現VLAN、VPN。

(4)基于QoS的多級別服務

  基于SCDMA技術的系統允許網絡運營商在保證QoS的前提下,針對有不同業務要求的用戶提供多級別服務,實現多級別收費,充分挖掘利潤空間。

  HFC網在實際應用中面臨的一個關鍵問題是由于其電纜部分的樹狀拓撲結構致使其上行通道的噪聲比較嚴重,而現行處理辦法均有不盡人意之處,因此,解決噪聲干擾問題成為HFC雙向設計的關鍵。S-CDMA技術則非常圓滿地解決了上行路徑中的干擾和脈沖噪聲,解決了HFC網絡中雙向高速傳輸數據時最棘手的問題。加之S-CDMA在經濟上具有較低的設備調整費用、較低的設備維護費用和間接費用、投資少的特點。并且能夠提供分層次服務,確保不中斷的服務。我們相信隨著技術成熟和標準的制定,S-CDMA技術在有線電視網絡雙向改造及寬帶數據接入中有廣闊的應用前景。

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