掌握广电接入技术的重要性

任务描述

小王是广电网络工程设计师,最近需要对花溪小区的10栋多层住宅进行广电网络接入设计。要求小王对花溪小区进行现场勘查,根据勘查结果设计合理的入户网络方案。

任务分析

花溪小区的广电光缆入户属于新建工程,该小区共有10栋单元楼,每栋楼有4个单元,每个单元有7层,每层有2户。根据广电FTTH全光接入网建设要求,可以采取有线电视光信号和数据双向信号通过双纤三波方式接入用户,有线电视光信号波长为1 550 nm,数据上行光信号波长为1 310 nm,下行光信号波长为1 490 nm。

任务目标

一、知识目标

(1)掌握CATV(Community Antenna Television,有线电视)网络的特点。

(2)掌握HFC(Hybrid Fiber Coax,混合光纤同轴网)网络双向改造的方法。

(3)掌握广电FTTH全光接入网的实现方式。

二、能力目标

(1)能够完成广电接入网的勘查。

(2)能够完成广电接入网的组网设计。

专业知识链接

一、CATV

CATV原指共用天线电视、闭路电视,现在通常指有线电视。CATV利用屏蔽同轴电缆向用户传送多路清晰的电视信号。在1990年以前,有线电视系统由同轴干线网和同轴分配网组成。CATV有线电视系统由四部分组成:信号源系统、前端系统、传输系统和用户分配系统,如图4-2所示。

图4-2 CATV系统组成

1.信号源系统

信号源是电视节目来源,主要有四类信号来源。

(1)卫星传送的广播电视节目信号和数据广播信号。

(2)经光缆、电缆或微波传送的广播电视节目信号和数据广播信号。

(3)经天线开路收转的电视台或电台发射的地面射频广播电视节目信号。

(4)由本地节目制作单位提供的自办广播电视节目信号。

2.前端系统

前端系统是信号的接收与处理中心。完整的有线电视前端三个组成部分为模拟前端部分、数字前端部分和数据前端部分。

(1)模拟前端

模拟前端主要完成模拟广播电视各类信号源的接收,下行模拟电视信号和调频声音广播信号的加工、处理、组合和控制,并将各路信号混合成复合RF信号后发送给传输干线,提供用户所需要的模拟广播电视节目信号以及与系统正常运行相关的参考信号。

模拟前端主要设备包括调制器、信号处理器、射频混合器、解调器、卫星接收机、传输设备、自办节目播出设备等。

(2)数字前端

数字前端主要完成数字电视节目的接收、复用、加解扰、调制混频,各种多媒体数据信息的采编、制作和播出,准视频点播节目的调度、编排和播出,节目的接收、存储、管理、加密、播出以及对用户的授权、管理、计费等。

数字前端主要设备包括数字卫星接收机、编码器、视频服务器、适配器、复用加扰器、QAM调制器电子节目指南(EPG)和条件接收系统(CAS)等。

(3)数据前端

数据前端主要完成交互信道中数据中心的功能,对各种数据信号的交换和处理,保障双向交互业务的开展。

数据前端主要设备包括交互信道中心双向数据交换和传输设备、Cable Modem头端系统(CMTS)、各种对应的服务器、交换机和路由器等。

3.传输系统

传输系统主要为干线传输系统和配线传输系统,负责连接前端和信号分配点之间的电缆与设备,传输方式主要为三种:光纤、微波、同轴电缆。

4.用户分配系统

用户分配系统负责将干线传输系统送来的信号合理分配到各个用户。

二、HFC技术

在1990年以后,有线电视系统由光纤干线网和同轴分配网组成,又称为HFC网络。

HFC是在CATV网的基础上发展起来的,主要对单向的CATV网络进行了双向改造,并且除了提供原有业务外,还可以提供双向电话业务、高速数据业务、交互型业务等。

1.HFC频率划分

有线电视经历了300 MHz系统、450 MHz系统、550 MHz系统,发展到750 MHz系统和862 MHz系统。HFC网络对频率的规划如图4-3所示,分为上行通道和下行通道。

图4-3 HFC网络对频率的规划

(1)R频段:上行业务通道。

Ra:5.0～20.2 MHz,用于上行窄带业务、上行网络管理。

Rb:20.2～58.6 MHz,用于上行宽带数据业务。

Rc:58.6～65 MHz,用于上行窄带数据业务、上行网络管理。

(2)FM频段:下行业务通道。

87～108 MHz,用于调频、数字广播业务。

(3)A、B、C、D、E频段:下行业务通道。

111～1 000 MHz用于模拟电视、数字电视业务、下行网络管理、下行宽带数据业务。其中,111～550 MHz通常用于模拟电视,而550～862 MHz通常用于下行数字电视、下行数据业务,允许传输附加的模拟电视信号、数字电视信号、双向交互型业务(如VOD等)。

为了适应三网融合的发展,一些广电运营商对频谱资源进行了进一步开拓,使得同轴电缆上的频谱范围从5 MHz～1 GHz扩展到5 MHz～2.7 GHz。

2.有线电视的频道

地面电视广播使用的标准频道分为48.5～108 MHz、167～223 MHz、470～566 MHz、606～958 MHz四个频段,规划了68个电视频道,即DS-1～DS-68,每个频道的带宽都是8 MHz。

有线电视系统是一个独立的、封闭的系统,一般不会与通信系统互相干扰,可以开发利用地面电视四个频段之间的可用频道,以扩展节目的套数,即有线电视系统中的增补频道。在111～167 MHz范围,增加Z-1～Z-7增补频道,在223～470MHz范围,增加Z-8～Z-37增补频道;在566～606范围,增加Z-38～Z-42增补频道。这样共计42个增补频道。

因为65～87 MHz为过渡带,因此原来的DS1～DS5频道无法使用。750 MHz邻频系统的频道容量为79个频道,即37个标准频道,42个增补频道;862 MHz邻频系统的频道容量为93个频道,即51个标准频道,42个增补频道。

3.HFC网络双向改造

(1)HFC单向网络结构

HFC网络起初主要针对干线传输网进行光纤改造,多数仍然为单向网络结构,用户没有返回信息的通道。HFC网络一般为树形结构,利用同轴电缆做上行改造颇有难度。HFC单向网络结构如图4-4所示,由前端系统、光纤干线传输网和同轴电缆分配网组成。

在图4-4中,总前端接入卫星电视、数字电视节目、本地节目、VOD点播源等,总前端在一般情况下是通过环形光纤网到分前端,如果规模较不则直接通过星型网到分前端,波长可选择1 310 nm和1 550 nm两种;分前端混合来自总前端的电视节目及自办节目,采用星型网或者树型网到光节点,波长可选择1 310 nm和1 550 nm两种;光节点接收上面的节目,分配到用户家;光纤干线传输网以光纤为传输介质,提高传输质量;同轴电缆分配网负责下行信号分配并进行上行回传信号的传输,主要由分配器和分支器组成树型网络。

图4-4 HFC单向网络结构

(2)HFC双向改造方案(CMTS+CM)

基于DOCSIS(有线电缆数据服务接口规范)的“CMTS+CM”网络结构如图4-5所示。

在图4-5中,CMTS为电缆调制解调器的头端设备,CM为用户端电缆调制解调设备。

图4-5 “CMTS+CM”网络结构

CMTS的功能:直接或通过网络与相关的服务器连接;通过HFC网与用户的CM设备连接;给每个CM授权、分配带宽,解决信道竞争,并根据不同需求提供不同的服务质量。

CM的功能:通过HFC网与前端CMTS连接,接受CMTS授权,并根据CMTS传来的参数,实现对自身的配置;与用户设备(如计算机、HUB等)或局域网连接;部分地完成网桥、路由器、网卡和集线器的功能。

在“CMTS+CM”改造方案中,CMTS放在中心机房,光节点放在远端小区,上下行光路分开独立,下行传输有线电视信号,上行需要独立的回传光缆,这增加了接入网络的复杂度;一个CMTS头端的覆盖范围较大,设备价格昂贵,在双向改造过程中需要增加大量的光发射机和电双向放大器,投入成本高;CMTS带宽有限,并且带宽严重不对称,不能满足用户日益增长的带宽需求,后续扩容成本较高;带宽共享会带来一定的安全性问题。

(3)HFC双向改造方案(C-DOCSIS)

C-DOCSIS称为边缘同轴接入方案,它将CMTS从分中心机房下移至有线电视光节点或楼道处,向下通过射频接口与同轴电缆分配网络相接,向上通过PON或以太网与汇聚网络相连。C-DOCSIS网络结构如图4-6所示。

图4-6 C-DOCSIS网络结构

C-DOCSIS改造方案全面兼容DOCSIS 3.0标准,边缘CMTS一般部署在光节点,用户数较少,故网络稳定性高;上行最高支持4通道,速率可达160 Mbit/s,下行最多支持16通道,速率可达800 Mbit/s;可以将下行的16通道配置成8通道用于DOCSIS 3.0,下行带宽为400 Mbit/s,另外8通道用于IPQAM,带宽也为400 Mbit/s,IPQAM适用于大规模开通VOD点播,特别是高清点播。

(4)HFC双向改造方案(PON+EOC)

“PON+EOC”网络结构如图4-7所示。

在图4-7中,PON为无源光纤接入网络,由OLT、ODN和ONU组成;EOC将以太网数据信号与有线电视信号通过频分复用在一根同轴电缆里共缆传输,由EOC局端设备和EOC终端设备组成。

图4-7 PON+EOC

“PON+EOC”改造方案利用原有的同轴电缆资源,增加了EOC局端和用户端设备,初始投资较小,并且增加了PON相关设备,用于IP数据业务传输。“PON+EOC”方案业务承载能力强,带宽易升级,满足运营商的发展需要,可以平滑过渡到将来的光纤到户方案。

虽然“PON+EOC”具备多重优势,但是目前EOC标准众多,包括HomePlug AV、HomePlugBPL、HomePNA、MoCA、WiFi降频以及国家广播电视总局广科院研发的HiNOC等,这造成网络不统一,设备不兼容。

三、广电全光网络FTTH

1.FTTH与HFC的关系

FTTH将ONU安装在用户住家或企业用户处,从而实现从运营商前端到用户终端之间的线路全部光纤化。

在原有HFC网络基础上进行FTTH网络建设需要考虑原有HFC网络光纤光缆资源和接入系统的利用,从而实现网络升级的平滑演进。FTTH和有线电视单向/双向HFC网络的关系如图4-8所示。

图4-8 FTTH与HFC的关系

HFC网络向FTTH网络演进需要进行入户方式和光纤分配网的改造,并结合存量资源选择宽带接入技术方案。

(1)入户方式改造

原有单向/双向HFC网络采用同轴电缆入户,广播电视业务和宽带接入业务通过同轴电缆分配网络接入有线电视机顶盒和同轴电缆接入系统终端。

当向FTTH网络演进时,光纤将取代同轴电缆成为有线电视网络入户的基础设施,广播电视业务和宽带接入业务将通过FTTH入户终端接收并处理后再分发给用户终端。入户方式改造主要考虑两点:一是入户光纤和管道应保证独立;二是根据入户环境和业务需求,确定室内业务分发方式及其信息箱和室内网络要求。

(2)分配网络改造

原有单向/双向HFC网络中,小区节点或楼道节点到用户家中为同轴分配网。

当向FTTH网络演进时,应根据FTTH技术特点设计光分配网,并在充分利用原有HFC网络光纤和管道资源的条件下进行同轴分配网的改造。分配网改造主要考虑两点:一是充分利用原有HFC网络光纤和管道资源,并通过粗波分或OLT下沉的方式解决光纤资源不足的问题;二是可以采取同轴分配网和光纤分配网叠加的过渡方案,广播电视业务仍可通过同轴承载。

(3)宽带接入技术方案选择

原有单向/双向HFC网络向FTTH网络演进,应根据用户带宽需求配置,或者增加宽带接入系统。宽带接入方案的选择和部署主要考虑充分利用存量资源,在原有的DOCSIS、“PON+C-DOCSIS”“PON+HINOC”“PON+C-HPVA”基础上平滑演进。

2.广电FTTH体系架构

广电FTTH体系结构基本可以划分为广播与宽带接入系统、ODN、网络管理系统和配置系统,如图4-9所示。

图4-9 广电FTTH接入网组成

(1)广播与宽带接入系统

广播与宽带接入系统由头端和终端两部分组成。

接入系统头端和接入系统终端之间通过ODN连接。接入系统头端连接城域网交换节点和ODN,负责它们之间的数据转发,并通过城域网接入运营商的网络管理及配置系统。

接入系统终端连接ODN和用户设备,负责它们之间的数据转发。用户设备包括机顶盒、家庭路由器、计算机、电视等。

不管采用何种技术形式,必须要保证接入系统头端和接入系统终端的互通性。(www.xing528.com)

(2)ODN

ODN位于接入系统头端和接入系统终端之间,提供物理通道。ODN是由光纤、光分路器、光交接箱等无源器件组成的点到多点的网络。

(3)网络管理系统和配置系统

网络管理系统和配置系统主要实现FTTH网络设备的管理和配置等功能。

3.广电FTTH全光网技术实现

(1)双平台实现FTTH全光网

有线电视网采用A/B平台实现FTTH全光网覆盖,A平台选用1 550 nm广播传输技术,B平台选用EPON/GPON/10G EPON技术。采用A、B平台的优势主要如下。

①可以保证有线电视标清、高清等丰富的视音频节目的传送。

②交互平台用IP以太网架构,可满足互联网业务及其他交互业务使用。

③A/B平台分别运行,安全可靠,又可优势互补。

(2)入户光纤选择

①入户光纤为单纤:需要用波分复用器,调试技术相对复杂,但可节省光纤资源。

②入户光纤为双纤:分路器和光纤用得多一点,业务开展灵活,广播和交互业务各行其道,互不干扰,仅在家庭网关或数字机顶盒实现交互。

(3)典型FTTH实现方式

典型的FTTH实现方式主要有三种。

①RF混合技术

RF混合技术是射频广播电视+基带PON双平台叠加方式,其双向交互部分采用PON技术,广播通道采用射频广播技术。

②RFoG技术

RFoG技术是基于DOCSIS协议全射频传输方式,其光结构由原来的HFC网络的点到点结构演变为点到多点结构,传统的光站演变为单个家体用户使用或少量用户共用的微型光站R-ONU。在R-ONU之后信号还原为传统的射频方式,可以为单个或多个家庭使用。RFoG系统上所运行的数据系统采用DOCSIS技术,DOCSIS 3.0标准通过24信道绑定可以支持高达1 Gbit/s的传输速率,而DOCSIS 3.1标准可以支持高达10 Gbit/s以上的传输速率。

③I-PON技术

I-PON技术是基于以太网协议的全基带数字传输方式,其万兆IP广播技术将万兆以太网技术应用于单向广播网,双向交互部分采用PON技术。

三种FTTH实现方式都有双纤三波入户方式和单纤三波入户方式。图4-10为双纤三波入户示意图,图4-11为单纤三波入户示意图。

图4-10 双纤三波入户示意图

图4-11 单纤三波入户示意图

在双纤三波入户方式中,PON数据光信号与CATV光信号分别在不同的纤芯中传输,各自经过不同的物理传输通道到达用户家庭。入户后CATV光信号经过FTTH入户型光接收机接收后转变为射频电信号,并发送到数字机顶盒,从而完成业务的呈现,而PON数据双向信号(上行1 310 nm,下行1 490 nm)经过FTTH入户型ONU后转发到计算机等网络设备,从而实现业务的呈现。

在单纤三波入户方式中,1 550 nm广播网光信号和PON设备发送的数据双向信号在分前端机房经过DWDM波分复用设备后,广播光信号和数据双向信号被合并到一条光纤物理通道,然后经过各级ODN设备的传输和分光后到达用户家庭。在用户家庭内部,广播电视信号和数据双向信号经过家庭网关式光网络终端ONT后被分离,然后被分别送到有线电视机顶盒和计算机等网络终端,从而实现业务的呈现。

(4)FTTH全光网波长规划

对于RF混合组网或I-PON组网,射频广播或万兆广播采用1 550 nm波长传输;PON上下行业务所用光波长根据PON技术确定。

①若选择EPON,下行数据信号用1 490 nm波长承载,上行数据信号用1 310 nm波长承载。

②若选择10G EPON,下行数据信号用1 577 nm波长承载,上行数据信号用1 270 nm波长承载。

③若选择GPON,下行数据信号用1 490 nm波长承载,上行数据信号用1 310 nm波长承载。对于RFoG组网,下行可以采用1 310 nm或1 550 nm波长,而考虑可能叠加PON系统,上行采用1 310 nm或1 610 nm波长。

任务实施

一、任务实施流程

本次任务要求对花溪小区进行广电FTTH光纤接入,采用“薄覆盖”建设ODN网络,在集中施工阶段完成从分前端到楼栋分纤箱的线路施工,在业务开通阶段完成引入光缆的敷设。一般的工作流程如图4-12所示。

图4-12 广电接入网工程设计流程

二、任务实施

(一)现场勘查

1.确定勘查内容

(1)光交的位置。

(2)进入小区的位置以及接入小区的敷设方式(走管道/走架空/墙壁吊线接入)。

(3)小区楼栋分布及小区内管线资源情况。

(4)小区的楼栋数、单元数、每单元用户总数。

(5)小区分光分纤箱(又称楼道箱体)的位置选址。

(6)小区光缆接头盒的位置选址。

2.确定勘查工具与材料

(1)人手孔开孔工具。

(2)光交开箱钥匙。

(3)皮尺或电子尺。

(4)3 m钢卷尺。

(5)相机、纸、笔、证件。

(6)勘查记录表。

3.确定路由选址

路由选址是到达目标小区现场后,现场查看小区内外的环境状况、管道资源状况,根据技术性兼顾经济性的原则,科学合理地设计小区接入路由的走线方案的工作过程。

4.施工测量

按照施工图要求完成小区内外的路由距离测量。

5.绘制接入方案草图

在现场勘查的基础上,通过勘测图草绘确定园区光交的位置、小区接头的位置、分光分纤箱体的位置、路由走向置、入户通道的位置等。

(二)组网方案设计

1.组网分析

花溪小区共10栋楼,每栋有4个单元,每个单元有7层,每层有两户,一共有560户住户。

本次组网方案采用有线电视光信号和数据双向信号通过双纤三波接入用户。OLT设备和光放大器放置在分前端机房,且分前端机房到小区的距离在5 km以内。OLT的每个PON口采用1∶64的总分光比,以二级分光方式接入该小区用户;光放大器的输出光功率为22 d Bm,每个端口采用1∶512的总分光比,以三级分光方式接入用户。

2.组网方案设计

花溪小区的最后组网方案如图4-13所示:

图4-13 组网方案

(三)施工图绘制

1.分路器分光图

花溪小区接入网的分光结构中广播通道采用三级分光,数据通道均采用三级分光。

(1)广播通道总分光比为1∶512。

首先在分前端机房采用1∶4分光,然后在小区光交接箱完成1∶8分光,最后在每个单元完成1∶16的用户分光后,通过皮线光缆接入用户家庭。

(2)数据双向通道总分光比为1∶64。

首先在小区光交接箱完成1∶4的分光,然后在用户光交接箱(分纤箱)完成1∶16的分光后,通过皮线光缆接入用户家庭。花溪小区具体的分光结构如图4-14所示。

图4-14 花溪小区的分光结构

2.ODN配线图

(1)光交接箱

根据纤芯使用情况,在小区安装一个288芯容量的光交接箱。

(2)配纤情况

广播电视先在分前端机房完成1∶4分光。

从分前端引入的主干光纤布放24芯,实际使用16芯。广播电视A平台布放5芯,数据业务B平台10芯,分别经过小区交接箱内部分光器进行1∶8和1∶4的分光,最后从小区的机房引一根4芯的配线光缆到达各个单元楼(2芯业务,2芯备份)。花溪小区配线图如4-15所示。

(3)入户段

配线光缆经过楼头引入,在配线箱内对广播平台和数据双向平台的光信号进行分光,采用2个1∶16的分路器完成分光后通过皮线光缆引入用户家庭,在用户家庭采用SC头完成FTTH的接入。

图4-15 花溪小区配线图

(4)光通道衰减预算

1∶4的分光器损耗为7.2 dB,1∶8的分路器损耗为10.3 dB,1∶16的分路器损耗为13.3 dB,总接头损耗为2 dB左右,光缆传输损耗为1.5 dB,熔接损耗可忽略不计,另外,需考虑1 dB工程裕量。

数据双向信号的总衰减为7.2+13.3+1.5+2+1=25 dB,满足衰减要求。

有线广播平台的总衰减为7.2+10.3+13.3+1.5+2+1=35.3 d B,满足衰减要求。

任务成果

(1)在对现场进行勘查前,设计好勘查记录表;在勘查完毕后,填写勘查记录表,绘制勘查草图。

(2)结合勘查记录表和勘查草图,比较其他项目相关文件资料,完成组网方案的设计,绘制组网拓扑结构。

(3)根据入户组网的方案,完成FTTH接入施工图纸绘制。

任务思考与习题

一、不定项选择题

1.CATV是有线电视网络,它的组成包括(　)

A.信号源接收系统　B.前端系统

C.干线传输系统　D.用户分配系统

2.属于Cable Modem使用的工作频段为(　)

A.10～66 GHz　B.5～65 MHz

C.550～750 MHz　D.2.4 GHz

3.Cable Modem业务是一种利用(　)为传输介质,为用户提供高速数据传输的宽带接入业务。

A.普通电话线　B.同轴电缆　C.HFC　D.光纤

二、简答题

1.思考不同场景(如高层接入、郊区接入、偏远农村接入等)进行FTTH接入网设计时,采取怎样的组网方案?

2.思考如何编制花溪小区的广电FTTH接入工程的预算?