利用ＨＦＣ网提供数据通信服务的技术挑战及其应对措施

于海平

摘要 本文针对HFC 网在提供数据通信服务中面临的两大关键技术问题，即反向通道噪声问题和媒体访问控制（MAC）协议问题，在探讨问题根源的基础上，提出了相应的解决措施，以推动HFC 网更好地开展高速数据通信业务。

HFC 有线电视网络结构以其特有的宽带入户，节目数量多、图像质量好、频谱资源丰富、双向传输，除传输广播电视节目外，具有支持多种通信业务和连接千家万户等的优势，近几年发展非常迅速。有线电视网络向具有双向功能及交互式包括电视业务、通信业务和计算机业务在内的HFC 宽带综合业务方向发展，构成了国家信息基础设施的重要组成部分。目前，HFC 网在提供数据通信服务中尚面临着一些关键的技术挑战，其中迫切需要解决的两个问题是：反向通道噪声问题和媒体访问控制（MAC）协议问题。

HFC 网的数据通信标准

基带局域网和宽带局域网是一样的。由美国电子电气工程师协会IEEE802 委员会制订IEEE802.3 规范建议的三种标准，包含了基带同轴电缆、宽带同轴电缆和对绞线。IEEE802.3采用的是最简单的访问控制方法就是带碰撞检测的载波侦听多址接入协议CSMA/CD。IEEE802.3 规定的是持续算法，即数据帧必须有足够的长度，以便传输结束之前能够冲突检测。在基带CSMA/CD 中，数据包长应大于等于两倍传输时延。在宽带CSMA/CD 中，应大于等于四倍传输时延，否则，冲突只能在传输完成以后检测，系统性能将下降。为了在宽带系统上双向传输数据，需要双电缆，或者单电缆频分复用、频率变换器。

反向通道噪声及其抑制措施

反向通道使用5～42MHz 的频带，这是具有良好的衰减特性的低频部分，但另一方面，由于其他服务也采用这个频带，导入的噪声成为一个严重的问题。更重要的是，反向通道共享特性产生“漏斗”效应，室内的同轴电缆好像一个巨大的天线，接收到噪声并把它们上行传送，这些噪声随信号从电缆网的支线送至干线，汇集起来，也就是说，越向上行传输，噪声汇集得越大，信号越难恢复。

1、入侵噪声的来源

入侵噪声是电缆有泄漏或桥接器从外界环境中收集到的。主要包括：民用波段收音机使用的5～42MHz 频带；户外隔离较差的电器，如微波炉、电视、收音机和电子马达，如果一个安装不牢固的F 型连接器周围有上述电器在使用，电缆就会收集噪声并上行传送；室外的影响，如闪电、霓虹灯、车辆点火和电线的干扰；用户终端的数字信号输出，有时，电缆调制解调器或数字机顶盒本身就是噪声源；用户的F 型接头松动；反向信号完整性下降，腐蚀引起的干线电缆性能下降，接头的设计寿命为15 年，但实际上街道的接头只能维持5 年，土壤中的酸性物质会侵蚀电缆和接头之间的绝缘层。反向通道中的大部分噪声来源于用户室内的设备，而这恰好是营运商无法管理的，问题是电缆网络是个共享媒体，很难确定噪声源。

2、反向通道噪声的抑制措施

目前为克服反向通道噪声而采取的措施包括：

（1）提高同轴电缆分配网的屏蔽能力，以防止干扰入侵。经营者认为，大约70%的入侵杂波来源于家庭，同时也说明提高同轴电缆分配网的屏蔽能力是防止干扰入侵的根本手段。对反向通道噪声电平的测试结果表明，在5～20MHz 频段的噪声电平明显较高。

选用屏蔽特性优秀的同轴电缆，以消除各种从空间耦合进电缆的杂波干扰。直线电缆可采用铝管密封的物理发泡电缆，入户电缆采用四屏蔽的物理发泡电缆。要选用连接特性好的无电磁波泄漏的电缆连接头，以消除因连接泄漏而引入的噪声。接头应在5～1000MHz 的频率范围内提供80dB 或更好的屏蔽衰减，线路上的F 头全部采用卡接式的，要及时更换接触不良或锈蚀的电缆接头。分配器、分支器和其他无源器件在带宽为5～1000MHz 的范围内提供110dB 的电磁干扰屏蔽衰减，必须选用具有良好屏蔽功能和较高隔离度的用户终端，用户盒带有屏蔽压条或压铸封闭成型，每个无源器件应带有机械F 端口，在端口上可刻上深螺纹，用于各种高级接头的连接。在分支分配器中采用滤波器封闭尚无反向业务的用户和支路。要选用优质器材，不能为了降低造价而采用劣质器材，否则会得不偿失。同轴电缆分配网要具有良好的接地系统。对采用集中供电的，必须对电源进行隔离处理，以防电源线路的杂波信号入侵上行通道。规范施工工艺，确保施工质量。

（2）加装滤波器。保证上行信道质量的一个方法是在地区内的每个接头附近都装上全阻滤波器，禁止任何用户反向传输信息。当用户要求双向服务时，移走全阻滤波器并为用户安装一个低通滤波器（LPF）以限制反向通道，低通滤波器只允许低频通过，而阻塞了高频分量。假如某用户需要电缆网络数据服务，需要在其室内电缆线上为计算机安装LPF，以便计算机的数据可以送至前端，而连接电视的电缆线上要有全阻滤波器来防止电视对邻近地区电缆网络上行线路的干扰。因此，如果用户要移动电视和计算机，可能需要重新安装低通滤波器和全阻滤波器。这样，那些使用双向服务的用户仍然有可能导入噪声，但是可以保证的是只有使用双向服务的用户才可能导入噪声。

（3）跳频。在使用时分复用接入系统时，可能会有持久严重的窄带干扰以至于反向通道无法使用，这时，用户调制解调器的反向通道频率必须直接移至其他频带。CMTS（电缆调制解调器终端服务器）向电缆调制解调器发送一条控制信息以指明新的发送频率，这样就完成了跳频操作。当反向通道频带较宽时，跳频处理就比较困难了。比如，当使用6MHz的反向通道频带的电缆调制解调器需要跳频时，必须在频谱中找到另一个连续的6MHz 的频带，而有时这是不可能的。有些调制解调器使用的频带较窄，这使它在实现跳频时十分方便，但是，这严重限制了用户进行信息返回的码率。反向通道带宽的确定需要在码率和可靠性间均衡。跳频处理对窄带噪声的消除非常有效，但不适用于宽带脉冲干扰，这时，需要应用前向纠错和扩频技术。

（4）扩频。由于反向通道干扰严重，扩频技术可以视为除跳频处理之外的另一个选择。据称使用扩频和码分多址接入（CDMA）技术后，扩频调制解调器可以在信噪比相当低的情况下正常工作。频谱扩展的另一个好处是减少了激光器削波现象，因为多个发射器同时达到能量峰值和同相的可能性减少了。频谱扩展不适用于前向传输，因为前向传输的噪声较小而频谱扩展技术复杂、费用较高。

（5）自动电平设定。自动电平设定（ALS）缓解了反向通道传输中的功率管理问题。CMTS 通过此处理调节用户调制解调器的传输功率。ALS 与自动增益控制（AGC）的不同在于AGC 通常不适用遥控技术。当某个调制解调器的输出电平不当时，CMTS 发现后通过前向传输发送一个信息，指导调制解调器修改电平。在极端情况下，网络营运商可在远端将失常的调制解调器置为失效。

（6）物理层选择适当的调制和编码方式。目前，HFC 网络上数据通信协议的物理层一般选择QPSK 和QAM 调制方式以及R-S 编码方式对反向通道的噪声进行抑制。

媒体访问控制（MAC）协议问题

HFC 网络中，所有的站点都使用一个公共的媒体传输信息，当多个站点都想使用同一个时间片的时候，就不可避免地发生碰撞冲突。例如，当用户H 和用户E 几乎同时决定发送信息，它们的信号就会在前端撞在一起，导致两者都失效。因此必须有一个控制任一时刻由哪个使用者使用资源的机制，这就是媒体访问控制（MAC）协议。因为下行传输是广播形式的传播，它只有一个使用者，不需要MAC，所以只有反向通道需要MAC。

MAC 层协议主要解决的是如何分配共享媒体的带宽资源，使各个用户在数据传输时尽可能少地发生碰撞冲突，使共享媒体的带宽利用率尽量高。HFC 网络由于结构上的原因，在实现媒体访问控制功能时存在以下困难。

1、HFC 网络是树分支拓扑结构

前端控制器的信号经过树的分支传送到各个站点，各个站点将信息汇集到树的根节点即前端控制器。站点只能与前端控制器进行通信，站点与站点之间不能直接通信，只能经由前端控制器路由功能将信息转送。使用同一个上行信道的所有站点发出的信道都要经过前端控制器至光节点之间的光纤送到前端控制器，所以它们共享同一频率的带宽。

2、站点和前端控制器之间的往返传播时延很长

在普遍的局域网中，所有站点都限制在一个很小的范围之内，各站点之间的距离很短，整个共享媒体的长度也很短，任何一个站点发出信号，别的站点都能在很短的时间内侦听到。而在HFC 网络中，站点分布的范围很宽，站点到前端控制器的距离可以是几千米或者几十千米。如果信号在电缆或光纤中传播的速率按5μs/km 来计算，一个距离前端控制器80km 的站点，从它发出消息到收到前端控制器在收到消息后立即回应的消息这么一个往返传播时间是0.8ms。这是一个非常大的时延，在这段时间内站点如果发送速率为3Mb/s 的话，它可以发出2400 比特的信息。以往的局域网基本都是立即反馈网站，站点在很短的时间内就能知道上一个信息是否发生碰撞冲突，可以根据此信息做出相应的决定。HFC 网络是一个长时延的返回系统，站点必须等待较长的时间才能获知自己上一次发出的信息是否发生冲突。如果每次发送都要等待这么长的时间，那么它的发送速率将是非常慢的，同时也使共享媒体的带宽利用率和整个系统的效率非常低。

3、单向收，单向发

前端控制器通过下行信道将信息传送给各个站点，各个站点通过上行信道将信息发送到前端控制器。上行信道和下行信道使用不同的频率资源，它们之间相互独立，站点只能“收听”前端控制器从下行信道发来的信息，而不能“收听”到上行信道中的任何消息，站点也只能通过上行信道向控制器发送信息，而不允许从下行信道发送信息。也就是说，站点只能单向收，单向发，而不像其他局域网那样收发在同一个信道中进行。由于只能单向收发，站点本身无法判断自己发出的信息是否与其他站点发出的信息发生碰撞，它们只能依靠前端控制器将此信息反馈回来。在HFC 网络的MAC 层协议中，前端控制器成为这个协议的控制中心，协议中大部分工作由前端控制器承担。通过设计合理的帧结构以及采用合理的冲突化解算法和优先级机制，可以提高HFC 网络的带宽利用率。

由于 HFC 是共享资源，理论上小区中的每个用户都可以看到别人的数据或收看本应付费的节目。有线电视网营运商需要提供加密措施，以防止用户的数据被非法接收和篡改。试验表明，在有线电视HFC 双向电视网上进行高速数据通信是可行的，这种技术已经成熟，在传输速率和价格上都优于ISDN，是有线电视系统发展增值业务的有效手段。有线电视系统只要具备合格的HFC 交互式宽带网，便可开展高速数据通信业务。■