Введение
Термин телекоммуникационной отрасли. Гибридно-волоконно-коаксиальная сеть (HFC) — это широкополосная телекоммуникационная сеть, сочетающая в себе оптическое волокно и коаксиальный кабель. Она широко используется операторами кабельного телевидения по всему миру с начала 1990-х годов. В гибридно-волоконно-коаксиальной системе телевизионные каналы передаются из распределительного центра кабельной системы (головной станции) в местные сообщества по абонентским линиям оптического волокна. В местном сообществе оптический узел преобразует сигнал из светового луча в радиочастотный (РЧ) и передает его по коаксиальным кабельным линиям для распределения в дома абонентов. Волоконно-оптические магистральные линии обеспечивают достаточную пропускную способность для предоставления дополнительных услуг, интенсивно использующих пропускную способность, таких как доступ в интернет по кабелю через DOCSIS. Пропускная способность совместно используется абонентами HFC.
Hybrid fiber coaxial (HFC) is a broadband telecommunications network that combines optical fiber and coaxial cable. It has been commonly employed globally by cable television operators since the early 1990s. In a hybrid fiber coaxial cable system, television channels are sent from the cable system's distribution facility, the headend, to local communities through optical fiber subscriber lines. At the local community, an optical node translates the signal from a light beam to radio frequency (RF), and sends it over coaxial cable lines for distribution to subscriber residences. The fiberoptic trunk lines provide enough bandwidth to allow additional bandwidth intensive services such as cable internet access through DOCSIS. Bandwidth is shared among users of an HFC.
Описание
Сеть оптических волокон простирается от главного головного оборудования кабельных операторов, иногда до региональных головных центров, и далее к узлу в районе, и, наконец, к узлу оптико-коаксиального кабеля, который обычно обслуживает от 25 до 2000 домохозяйств. В главном головном оборудовании обычно имеются спутниковые антенны для приема удаленных видеосигналов, а также IP-агрегирующие маршрутизаторы. Некоторые главные головные центры также содержат телефонное оборудование (например, автоматические телефонные станции) для предоставления телекоммуникационных услуг населению. Региональный или зональный головной центр/хаб принимает видеосигнал от главного головного оборудования и добавляет к нему общественные, образовательные и государственные кабельные телеканалы (PEG), как того требуют местные органы лицензирования, или вставляет целевую рекламу, ориентированную на местную аудиторию, а также интернет-доступ от CMTS (интегрированной CMTS, включающей все компоненты, необходимые для работы), или CCAP, который обеспечивает как интернет, так и видео. Отдельные Edge QAM могут использоваться для обеспечения QAM-модулированного видео, пригодного для передачи по коаксиальной кабельной сети из цифровых источников видео. Edge QAM также могут быть подключены к CMTS для предоставления интернет-данных вместо видео в модульной архитектуре CMTS. CCAP предназначены для замены традиционных интегрированных CMTS, которые обеспечивают только передачу данных, и отдельных Edge QAM, используемых для видео. Видео может быть закодировано в соответствии со стандартами, такими как NTSC, MPEG 2, DVB C или QAM, а данные – в соответствии с DOCSIS. Аналоговое видео может быть зашифровано, сигналы могут быть модулированы аналоговыми или цифровыми видеомодуляторами, включая QAM-модуляторы или Edge QAM для видео и/или данных, в зависимости от того, используется ли модульная CMTS только для данных или CCAP для видео и данных, и преобразованы в радиочастотные несущие в этом оборудовании. Различные сервисы от CMTS, CCAP, Edge QAM и QAM-модуляторов объединяются в единый радиочастотный электрический сигнал с использованием модулей управления RF головного оборудования, таких как разветвители и сумматоры, а полученные сигналы подаются на широкополосный оптический передатчик, который на практике представляет собой передающий модуль в "оптической платформе" или головной платформе, такой как Arris CH3000, Scientific Atlanta Prisma или Cisco Prisma II. Эти платформы размещают несколько передатчиков и приемников, последние из которых могут использоваться для кабельного интернета, а также могут размещать усилители на волокнах, легированных эрбием (EDFA) для увеличения дальности передачи оптических сигналов по оптоволокну. Каждый передатчик и приемник обслуживает один оптический узел. Этот оптический передатчик преобразует радиочастотный электрический сигнал в нисходящий оптически модулированный сигнал, который отправляется в узлы. Оптоволоконные кабели соединяют головное оборудование или хаб с оптическими узлами в топологии "точка-точка" или "звезда", или в некоторых случаях – в топологии защищенного кольца. Каждый узел может быть подключен через собственное выделенное волокно, поэтому проложенные на открытом воздухе оптоволоконные кабели внешней сети могут содержать от нескольких десятков до нескольких сотен или даже тысяч волокон, например, 6912 волокон.
Волоконно-оптические узлы
У оптоволоконного узла есть широкополосный оптический приемник, который преобразует оптически модулированный сигнал, поступающий от головной станции или концентратора, в электрический сигнал, идущий к абонентам. По состоянию на 2015 год, нисходящий сигнал представляет собой радиочастотный модулированный сигнал, который обычно начинается с 50 МГц и варьируется от 550 до 1000 МГц в верхней части диапазона. Оптоволоконный узел также содержит передатчик обратной или восходящей линии связи, который отправляет сообщения от абонентов обратно на головную станцию. В Северной Америке этот обратный сигнал представляет собой модулированный радиочастотный сигнал в диапазоне от 5 до 42 МГц, а в других частях мира – от 5 до 65 МГц. Этот электрический сигнал затем выводится через коаксиальный кабель, формируя коаксиальную магистраль. Оптическая часть сети обеспечивает высокую гибкость. Если к узлу подведено небольшое количество оптоволоконных кабелей, можно использовать мультиплексирование по длине волны для объединения нескольких оптических сигналов на одном волокне. Оптические фильтры используются для объединения и разделения оптических длин волн на одном волокне. Например, нисходящий сигнал может передаваться на длине волны 1550 нм, а обратный сигнал – на длине волны 1310 нм.
Окончательное подключение к клиентам
Коаксиальная магистральная часть сети соединяет от 25 до 2000 домов (типично 500) в конфигурации «дерево-ветвь» от узла. Коаксиальные кабели магистрали подключаются к оптическому узлу и формируют коаксиальную основу, к которой подключаются более мелкие распределительные кабели. Радиочастотные усилители, называемые магистральными усилителями, устанавливаются через определенные интервалы в магистрали для компенсации затухания кабеля и пассивных потерь электрических сигналов, вызванных разделением или «отводами» от коаксиального кабеля. В магистральных кабелях также передается переменный ток, который добавляется в кабельную линию обычно на 60 или 90 В источником питания (с резервной свинцово-кислотной батареей внутри) и устройством ввода питания. Питание подается в кабельную линию, чтобы оптические узлы, магистральные и распределительные усилители не требовали отдельного внешнего источника питания. В зависимости от местных правил энергоснабжения, рядом с источником питания может располагаться измеритель мощности. От магистральных кабелей к порту одного из магистральных усилителей, называемому «мостом», подключаются более мелкие распределительные кабели для передачи радиочастотного сигнала и переменного тока по отдельным улицам. Обычно магистральные усилители имеют два выходных порта: один для магистрали, а другой – в качестве моста. Распределительные усилители (также называемые системными усилителями) могут подключаться к мостовому порту для подключения нескольких распределительных кабелей к магистрали, если требуется большая пропускная способность, поскольку они имеют несколько выходных портов. В качестве альтернативы, линейные расширители, представляющие собой небольшие распределительные усилители с одним выходным портом, могут подключаться к распределительному кабелю, отходящему от мостового порта в магистрали, и использоваться для усиления сигналов в распределительных кабелях, чтобы поддерживать мощность телевизионного сигнала на уровне, приемлемом для телевизора. Затем распределительная линия подключается к отдельным абонентским кабелям, ведущим в дома клиентов. Эти радиочастотные отводы пропускают радиочастотный сигнал и блокируют переменный ток, если только нет телефонных устройств, которым требуется надежность резервного питания, обеспечиваемая коаксиальной системой питания. Отвод заканчивается небольшим коаксиальным кабелем с использованием стандартного винтового разъема, известного как F-разъем. Затем кабель подключается к дому, где заземлитель защищает систему от посторонних напряжений. В зависимости от конструкции сети сигнал может быть передан через разветвитель на несколько телевизоров или на несколько приставки (кабельные приставки), которые затем могут быть подключены к телевизору. Если для подключения нескольких телевизоров используется слишком много разветвителей, уровень сигнала снизится, и качество изображения на аналоговых каналах ухудшится. Сигнал на телевизорах после этих разветвителей потеряет качество и потребует использования «абонентского» или «домового» усилителя для восстановления сигнала.
to connect several distribution cables to the trunk if more capacity is needed as they have multiple output ports. Alternatively, line extenders, which are smaller distribution amplifiers with only one output port, can be connected to the distribution cable coming off the bridger port in the trunk and used to boost the signals in the distribution cables to keep the power of the television signal at a level that the TV can accept. The distribution line is then "tapped" into and used to connect the individual drops to customer homes. These RF taps pass the RF signal and block the AC power unless there are telephony devices that need the back up power reliability provided by the coax power system. The tap terminates into a small coaxial drop using a standard screw type connector known as an F connector. The drop is then connected to the house where a ground block protects the system from stray voltages. Depending on the design of the network, the signal can then be passed through a splitter to multiple TVs or to multiple set top boxes (cable boxes) which may then be connected to a TV. If too many splitters are used to connect multiple TVs, the signal levels will decrease, and picture quality on analog channels will decrease. The signal in TVs past those splitters will lose quality and require the use of a "drop" or "house" amplifier to restore the signal.
Эволюция сетей HFC
Исторически сложилось так, что кабельные операторы стремились к уменьшению количества коаксиального кабеля в своих сетях для повышения качества сигнала, что изначально привело к внедрению HFC. HFC заменила коаксиальные кабельные сети, в которых использовались коаксиальные магистральные кабели, идущие от головной станции, заменив часть этих магистральных кабелей волоконно-оптическими кабелями и оптическими узлами. В этих сетях вдоль магистральных кабелей устанавливались магистральные усилители для поддержания достаточного уровня сигнала, для распределения сигнала от магистралей к отдельным улицам могли использоваться распределительные ответвления, для улучшения качества сигнала применялись направленные ответвители, магистральные усилители могли оснащаться автоматической регулировкой уровня (АРУ) или автоматической регулировкой усиления (АРУ), также могли использоваться гибридные усилители с гибридной интегральной схемой, а для соединения магистрали с распределительными ответвлениями использовались отдельные мосты. В 1953 году компания C COR впервые представила кабельное питание, которое передает электроэнергию по коаксиальному кабелю для питания кабельных усилителей. В 1965 году она внедрила использование интегральных схем в усилителях, устанавливаемых на столбах линий электропередач, а в 1969 году первой начала использовать радиаторы для усилителей. Первые усилители в наружных корпусах с петлями и уплотнениями для установки между столбами, подвешенными на проволоке, были предложены в 1965 году. Около 1973 года в кабельных сетях начали использовать хабы для повышения качества сигнала в результате расширения сети, и кабельные операторы стремились сократить количество усилителей, включенных последовательно в коаксиальных частях сети, примерно с 20 до 5. Супермагистрали, состоящие из коаксиального кабеля с FM-модулированным видеосигналом, могли также передавать FM-видео по оптоволокну, и в конечном итоге оптоволокно заменило коаксиальный кабель в супермагистралях. В 1990-х годах полоса пропускания была расширена до 550 МГц, 600 МГц и 750 МГц, а в 2000 году – до 870 МГц. Для удовлетворения потребностей в увеличении цифровой полосы пропускания, например, для интернета DOCSIS, кабельные операторы расширили радиочастотный спектр в сетях HFC до 1 ГГц и выше, до 1,2 ГГц, перешли на обработку исключительно IP-трафика в сети, использовали цифровые адаптеры (DTA) для передачи обычно аналоговых сигналов или использовали Switched Digital Video (SDV), что позволяет уменьшить количество телевизионных каналов в коаксиальном кабеле без уменьшения количества предлагаемых каналов. К концу 1990-х годов транзисторы на арсениде галлия (GaAs) были внедрены в узлы и усилители HFC, заменив кремниевые транзисторы, что позволило расширить спектр, используемый в HFC, с 870 МГц до 1 ГГц к 2006 году. Remote PHY – это эволюция сети HFC, направленная на сокращение использования коаксиального кабеля и повышение качества сигнала. В традиционной сети HFC оборудование головной станции, такое как CMTS и CCAP, подключается к сети HFC с помощью RF-интерфейсов, которые физически представляют собой коаксиальные кабели, а оптические сигналы в оптоволоконных кабелях в сети являются аналоговыми. В Remote PHY оборудование, такое как CMTS или CCAP, подключается непосредственно к сети HFC с помощью оптоволокна, передающего цифровые сигналы, что устраняет RF-интерфейс и коаксиальные кабели на CMTS/CCAP и RF-модуляцию на головной станции, улучшает качество сигнала и позволяет использовать модуляцию, например, 4096 QAM вместо 1024 QAM, что позволяет передавать больше информации за один такт. Для этого требуются более сложные оптические узлы, которые также могут преобразовывать сигналы из цифрового в аналоговый, выполняя модуляцию, в отличие от традиционных оптических узлов, которым требуется только преобразование оптического сигнала в электрический. Эти устройства известны как устройства Remote PHY (RPD) или устройства Remote MACPHY (RMD). RPD выпускаются в виде полочных блоков, которые можно устанавливать в многоквартирных домах (MDU) и в оптических узлах или на небольших узлах, которые распределяют сигналы аналогично традиционной сети HFC. Кроме того, Remote PHY может позволить разместить CMTS/CCAP в удаленном центре обработки данных, вдали от абонентов. Remote MACPHY, помимо достижения той же цели, что и Remote PHY, также переносит всю функциональность протокола DOCSIS на оптический узел или внешнюю установку, что может снизить задержку по сравнению с Remote PHY. Remote CMTS/Remote CCAP развивает эту концепцию, перенося всю функциональность CMTS/CCAP во внешнюю установку. Виртуальные CCAP (vCCAP) или виртуальные CMTS (vCMTS) реализуются на коммерческих серверах x86 со специализированным программным обеспечением, часто внедряются вместе с DAA и могут использоваться для увеличения емкости сети без покупки новых шасси CMTS/CCAP или для более быстрой реализации новых функций CMTS/CCAP. Исследования в области использования частотного диапазона до 3 ГГц проводились с использованием транзисторов на нитриде галлия (GaN). Предложены изменения в частотном диапазоне, используемом для восходящих сигналов: mid-split, использующий частоты от 5 до 85 МГц для восходящего канала, high-split, использующий диапазон от 5 до 205 МГц, и ultra high-split с несколькими вариантами, позволяющими использовать диапазоны до 5–684 МГц. DOCSIS с полной дуплексной связью (FDX) позволяет восходящим и нисходящим сигналам одновременно занимать один и тот же частотный диапазон без использования мультиплексирования по времени. Кабельные операторы постепенно переходят к сетям FTTP, использующим PON (Passive Optical Networks).
Транспорт по сети ГФУ
Используя мультиплексирование с частотным разделением, сеть HFC может передавать различные услуги, включая аналоговое телевидение, цифровое телевидение (SDTV или HDTV), видео по запросу, телефонию и интернет-трафик. Услуги в этих системах передаются по радиочастотным сигналам в полосе частот от 5 МГц до 1000 МГц. Сеть HFC обычно работает в двунаправленном режиме, то есть сигналы передаются в обоих направлениях по одной и той же сети от головной станции/центрального офиса до дома и от дома до головной станции/центрального офиса. Сигналы прямого канала или нисходящего потока передают информацию от головной станции/центрального офиса в дом, например, видеоконтент, голос и интернет-трафик. Самые первые сети HFC и очень старые, не модернизированные сети HFC являются системами односторонней связи. Оборудование для систем односторонней связи может использовать POTS или радиосети для связи с головной станцией. HFC делает двунаправленную связь по кабельной сети практичной, поскольку уменьшает количество усилителей в этих сетях. Канал обратной связи или восходящий поток передает информацию из дома в головную станцию/центральный офис, например, управляющие сигналы для заказа фильма или восходящий интернет-трафик. Прямой и обратный каналы передаются по одному и тому же коаксиальному кабелю в обоих направлениях между оптическим узлом и домом. Для предотвращения взаимных помех сигналов полоса частот разделена на два диапазона. В странах, традиционно использующих систему NTSC M, диапазоны составляют 52–1000 МГц для сигналов прямого канала и 5–42 МГц для сигналов обратного канала. Другие страны используют разные размеры диапазонов, но схожи тем, что для нисходящей связи доступно гораздо больше полосы пропускания, чем для восходящей связи. Традиционно, поскольку видеоконтент передавался только в дом, сеть HFC была структурирована асимметрично: одно направление имеет значительно большую пропускную способность данных, чем другое. Канал обратной связи первоначально использовался только для некоторых управляющих сигналов для заказа фильмов и т. п., что требовало очень мало полосы пропускания. По мере добавления в сеть HFC дополнительных услуг, таких как доступ в Интернет и телефония, канал обратной связи используется все активнее.
Операторы многосистем
Операторы многосистемных сетей (ОМС) разработали методы передачи различных услуг по радиочастотным сигналам через волоконно-оптические и коаксиальные медные кабели. Изначальный метод передачи видео по сети HFC, и до сих пор наиболее распространенный, заключается в модуляции стандартных аналоговых телевизионных каналов, что аналогично методу, используемому для эфирного вещания. Один аналоговый телевизионный канал занимает полосу частот шириной 6 МГц в системах NTSC или 8 МГц в системах PAL или SECAM. Каждый канал центрирован на определенной несущей частоте, чтобы избежать помех с соседними или гармоническими каналами. Для просмотра цифрового канала требуется, чтобы домашнее или клиентское оборудование (CPE), например цифровые телевизоры, компьютеры или приставки, преобразовывало радиочастотные сигналы в сигналы, совместимые с устройствами отображения, такими как аналоговые телевизоры или компьютерные мониторы. Федеральная комиссия по связи США (FCC) разрешила потребителям получать кабельную карту у своего местного ОМС для авторизации просмотра цифровых каналов. Благодаря использованию цифровых методов сжатия видео, на одной несущей частоте 6 или 8 МГц можно передавать несколько стандартных и каналов высокой четкости, тем самым увеличивая пропускную способность сети HFC в 10 раз или более по сравнению с полностью аналоговой сетью.
Сравнение с конкурирующими сетевыми технологиями
Цифровая абонентская линия (DSL) — это технология, используемая традиционными телефонными компаниями для предоставления расширенных услуг (высокоскоростной передачи данных и иногда видео) по витой паре медных телефонных проводов. Как правило, она обладает меньшей пропускной способностью, чем сети HFC, а скорость передачи данных может быть ограничена длиной линии и её качеством. Спутниковое телевидение успешно конкурирует с сетями HFC в предоставлении услуг широковещательного видео. Интерактивные спутниковые системы менее конкурентоспособны в городских условиях из-за больших временных задержек при передаче сигнала туда и обратно, но привлекательны в сельской местности и других районах с недостаточной или отсутствующей наземной инфраструктурой. Аналогично HFC, технология «оптоволокно в локальной сети» (FITL) используется телефонными компаниями местной связи для предоставления расширенных услуг телефонным абонентам по существующей телефонной сети (POTS). В 2000-х годах телекоммуникационные компании начали масштабное развертывание сетей «оптоволокно до конечного пользователя» (FTTX), таких как решения на основе пассивных оптических сетей, для доставки видео, данных и голоса и конкуренции с кабельными операторами. Развертывание этих сетей может быть дорогостоящим, но они способны обеспечить высокую пропускную способность, особенно для услуг передачи данных.