寬帶網絡的“窄”問題
2019-11-03 09:00:30
供稿：網友
蔡曉棟
目前有線電視網絡正朝著業務綜合化、數字化發展，其中雙向數據通信越來越多，作為現代通信領域的重要技術之一的CRC算法，目前除了在計算機網絡、電信網中應用，還可以在HFC網絡的軟硬件通信設備中得到充分的應用。CRC自身機制確保有效克服惡劣的網絡通信環境的干擾，有效降低通信誤碼率，實現信號的正確傳輸，保障了網絡業務的開展，因此，CRC數據校驗技術作為提高數據傳輸質量、高效檢錯的有力手段，將在HFC中大有用武之地。
傳統意義上，我們將有線電視HFC網絡定義為寬帶網絡，是信息高速公路的“最后1 km”，而將電信的固話網絡定義為窄帶網絡，因為它僅能提供簡單的語音和低速的數據服務。但從多年的發展和運營來看，HFC網絡的寬帶特性并不明顯，業務的發展遠落后于固話網絡的一次又一次變革，尤其是在固話網絡xDSL技術不斷發展的今天，HFC網絡承受著巨大的挑戰，寬帶的優勢正在面臨著嚴重的威脅。究其原因，是HFC的寬帶特性在實際應用上和我們的預期有些出入，HFC并不是完全意義上的寬帶網絡，它也有其一定的局限性和弱點，各種不可回避的問題，使HFC網絡變“窄”了。
1HFC網絡拓撲結構使其成為一個“窄帶”的網絡
我們將HFC網絡定義為寬帶網絡，是從光纜和電纜的特性而言的。毫無疑問，從帶寬特性來說，光纜是寬帶網絡使用最廣泛的干線、超干線傳輸媒介，是被各個通信運營商用得最為廣泛的寬帶傳輸媒介，HFC網絡被稱為“寬帶”網絡的根本原因在于采用了同軸電纜作為最終的入戶媒介。單純地從傳輸媒介而言，相對于固話網絡雙絞線，同軸電纜的頻帶特性確實稱得上是“寬帶”，但這是僅就電纜本身特性得出的結論，并不能就此說HFC網絡就是完全意義上的寬帶網絡。
我們熟知的傳統HFC網絡采用的都是星樹型的拓撲結構，前端提供所有的信號源并經光電轉換，從前端發送光信號到各個光節點，各個光節點往下全部采用同軸電纜進行電信號的分配，可以看出，所有的用戶分享的是前端的帶寬。所以，對于1個550 MHz或750 MHz的系統，真正平均到每個用戶的帶寬有限，前端覆蓋的范圍越大，服務的用戶越多，實際的網絡帶寬越“窄”。
過去，我們經常這樣對比：HFC網絡是個550 MHz或750 MHz的寬帶網路，而固話網絡只是傳輸3.4 kHz語音的窄帶網絡。這種對比其實還僅僅是對電纜傳輸特性的對比，而并未從網絡的整體考慮，事實上，所謂的固話網絡3.4 kHz是單個用戶的帶寬，而HFC的550 MHz或750 MHz是網絡的總體帶寬，兩者并不完全可比。過分強調這樣的對比，只能影響我們對網絡發展的思考。2噪聲的存在使HFC網絡變“窄”
我們可以將HFC網絡上的噪聲簡單劃分為內部噪聲和外部噪聲。內部噪聲包括放大器中的熱噪聲、散粒噪聲，光設備的量子噪聲等。外部噪聲主要分為兩部分，一部分是來自于用戶終端的噪聲，這部分噪聲和信號混疊在一起，當它們落在同一個頻帶內，很難進行控制；另一部分是來自于傳輸線路的侵入噪聲，如各種電器設備產生的瞬時脈沖、各種無線通信設備產生的持續的電磁干擾等。外部噪聲是不可預知、不可控的，而內部噪聲中，傳輸器件的噪聲是可預知的，而來自用戶終端的噪聲也有很多的未知性。
HFC網絡結構不同于固話網絡，固話網的傳輸線路是平衡傳輸，有較強的抵御外部干擾的能力，而同軸電纜采用的是非平衡的傳輸方式，抗干擾能力弱，當屏蔽層導體接地不良時，問題更加突出。對于HFC網絡的星樹型拓撲結構，在上行信道上是個匯聚的網絡，帶來的問題就是噪聲的疊加，同軸電纜的傳輸長度越長，噪聲控制能力越差。按照當前的頻譜規劃，5～65 M為上行頻帶，事實上，在很多地方，由于大量噪聲的存在，5～30 M基本不能被使用，30 M以上也僅部分可用，這就使得可用帶寬被大大縮減；另一方面，也正因為噪聲的存在，使得調制方式受到限制，例如，在很多的運營網絡中，上行只能采取QPSK等低效率的調制方式，下行一般只能采用64QAM，所以，不僅HFC的可用帶寬受到了限制，傳輸速率也受到了限制。
3信息的有效性使HFC網絡變“窄”
寬與窄，是相對于業務方式而言的。傳統上，我們將電視業務看作是寬帶業務。就模擬電視而言，1套電視占用8 MHz的頻帶，即便數字電視，一套節目的碼率基本也大于4 Mbps，要用固話的雙絞線同時傳送數十套電視節目，顯然是不行的。所以，我們自然將HFC網絡定義為寬帶網絡。
但我們必須看到，盡管電視業務是寬帶業務，但它的業務特征是廣播，所有的用戶接收相同的信號，這些信號攜帶了大量的信息，但這些信息并不都是用戶需要的或能夠被用戶使用的。信息的價值在于它的可用性或者有效性，雖然傳統的廣播電視也攜帶了大量的信息，但對單個具體的用戶而言，并不是到達用戶的所有的信號都被使用了，用戶也并不是總能接收全部信息。事實上，對于用戶而言，用戶感興趣的或者能被用戶利用的信息只是其中很小的一部分。
對于網絡來說，因為對相同的信息只需發送并且傳輸一次，網絡的效率提高了，但對于用戶來說，卻是大量的無用信號占用了信道，大量的廣播式業務的應用，使HFC可被利用的信道變“窄”了。
而現在的寬帶網絡，，是基于互聯網基礎的計算機信息網絡，在該網絡上，有價值的信息在信號中的百分比提高了，只有被用戶選中的信息才會以信號的方式傳送到用戶端，即用戶參與到了信號的傳送中而不再只是被動地接收——最多就是和電視機的互動，信道的利用率被大大提高了，信息的時效性也明顯提高。當然，在寬帶網絡上也流動著大量的無用信息，如垃圾郵件，病毒等，但這些都是人為因素，不是技術因素。
所以，從信息的有效性看，HFC網絡是個信號的寬帶網絡而并不總是信息的寬帶網絡，所以當前即便是HFC網絡的看家業務——廣播電視業務本身也在遭受著寬帶網絡的沖擊。
4用戶密集的特點使HFC網絡變“窄”
同軸網絡被稱為信息高速公路的“最后1 km”，被認為是三網融合的最佳入戶傳輸媒介，所以為了開展多項業務，充分利用HFC網絡的頻帶資源，許多運營商都對HFC網絡進行了雙向改造，開展了寬帶業務。但從技術上說，這“最后1 km”放到實際的運營網絡中，就要打個折扣了。
以目前國內大多運營商采用的DOCSIS標準為例，在一個8 MHz的頻帶內，能夠傳輸的數據速率是40 Mbps，如果以１個E1，即1.554/2.048 Mbps作為寬帶的底線，一個8 MHz的頻帶只能分配給不到30個用戶同時使用。
在上行通道的3 MHz的頻帶內，如果采用QPSK調制方式，能夠提供的數據傳輸速率為10 Mbps，同樣，參照ADSL的性能，上行速率最大768 kbps，那么1個3 MHz的頻帶內，僅能供13個用戶同時共享。
實際上，在大多數運營網絡里，無論上行通道還是下行通道，每個通道都在被至少數百個用戶共享。也許按照當前所有寬帶運營商共同面對的問題，速度的瓶頸不在接入網絡，而在于寬帶出口，在于干線承載的壓力，但隨著骨干網絡的不斷擴容、出口的增加、本地寬帶應用服務的提升，傳輸瓶頸最終還會落實到接入網絡上來。
同軸網絡將會成為信息高速公路的“最后1 km”，這個說法來自于國外，但應用到國內，這種說法并不一定準確。信息發達國家，基本都是經濟發達國家，對于它們，這“最后1 km”可能就是一段傳輸線路，最終的用戶可能就是一個，但對于國內，這“最后1 km”可能還是一個很大的分配網絡，這個分配網絡要分享這“1 km”上的帶寬資源，從前面的分析看，由于網絡拓撲、用戶規模等的限制，這“1 km”的寬帶事實上并不如我們想象的那樣寬。
如果為了克服用戶集中的問題，我們將同軸接入的半徑縮小，使之成為“最后半千米”甚至更小，就失去了同軸電纜作為中長距離傳輸的意義了，那時也許還是雙絞線的性價比更好，光纖接入則會占據高端市場，同軸電纜的壓力更大。
5簡單的信號處理方式使HFC變“窄”
眾所周知，HFC在開展寬帶業務的時候，在下行信道采取的是和電視業務一樣的廣播方式，即數據被發送到所有的Cable Modem上，由Cable Modem對信號進行擇取，將發送到本地的數據接收下來，摒棄非本地的數據；數據的轉發在工作方式上有點類似HUB。在上行信道，用戶并沒有獨享的信道，采用的是TDM的方式分享信道，而在信號的傳輸上，采用的是信號混疊的方式，由于沒有獨占的信道，用戶終端只是在某一個時刻通過該公共信道向頭端發送數據，而無論是否發送數據，來自該用戶終端的噪聲卻持續地發送到信道上，在從用戶到頭端之間，經過的都是分支分配器、放大器及光工作站等設備，他們對信道沒有控制能力，僅簡單地將來自節點下的信號通過功率疊加的方式向上傳送。
從以上分析可以看出，無論是上行還是下行，使用的都是公共信道，共享同一信道的用戶越多，數據的發送率就越高，但用戶的實際帶寬越“窄”。更為嚴重的是，在上行通道，任何用戶終端上發生問題，都會對該信道產生影響，頭端只能對公共信道進行處理，而不能夠針對單個用戶的終端進行處理。這樣，由于某個終端可能出現的問題，也使得HFC網絡可用性降低，帶寬變“窄”。
綜上所述，HFC網絡有先天優勢，也有不足，HFC網絡應該走適合網絡本身特點的道路，網絡運營商也應從多方面認清自身的優勢，而不僅僅局限于同軸的“寬帶”這一特長。
?。?）數字化是手段。HFC網絡是為了傳輸廣播電視而發展起來的，正因為如此，它也是最適合廣播式業務的網絡。但傳統的模擬電視對頻帶的資源占用比較多，使得業務的發展空間受到限制。將模擬傳送的電視數字化，對于網絡自身來說，最大的好處就是能夠節約很多的頻帶資源，一方面有效地提高了頻帶的利用率，把被傳送廣播式業務“吃”掉的帶寬“奪”回來，另外一方面也有效地提高了系統的容量，便于開展更多的基本業務。按照DVB－C標準，采用64QAM調制，原來一個模擬電視頻道能夠提供約38 Mbps的數據速率，大多數運營商都在1個頻帶內提供6~8套數字電視節目，這樣傳送相同的節目量只需要占用原來模擬傳輸的1/6甚至更少的頻道，或者能夠用原數量的模擬頻道傳輸6倍甚至更多的電視業務。
?。?）網絡拓撲優化是根本。首先縮短網絡上電信號的傳輸距離，用光纖逼近用戶。對于HFC網絡，回傳噪聲是個“天敵”，噪聲的主要來源無非兩個，一個來自于用戶終端，一個來自于傳輸線路。利用光纖，能夠有效地減少來自于電纜網絡的侵入噪聲，而這些侵入噪聲正是噪聲的主要來源。光纖逼近用戶還有利于將來頭端的下移。其次是減少星樹型分配網絡的層次深度?，F在還有一些網絡大量采用星樹型的分配方式，因為這樣能夠顯著地節約電纜，但這種方式不適宜作為信息網的拓撲，一方面，不利于網絡的維護——對任何節點的終端，都會影響該節點下的所有用戶，另一方面，不利于回傳電平的調整。再次，頭端逼近用戶。當頭端逼近用戶時，一方面，意味著共享頭端的用戶少了，每個用戶可用的帶寬資源多了，另一方面，有可能采用更高效率的調制方式，比如下行可以采用256QAM調制等。
?。?）多種接入方式協同發展。盡管同軸電纜的帶寬是明顯的，但為了利用這種帶寬資源所付出的代價也是巨大的，首先要進行雙向改造，質量較差的網絡投入的成本更大，雙向網絡受環境噪聲的影響也很大，有著很多的未知性。其次，付出的技術成本和設備成本也是巨大的。盡管Cable Modem的價格已經降低了很多，但前端的價格仍不菲。當前的很多寬帶業務的應用基礎都是計算機，而五類線是計算機組網的最成熟的方式，光纜的價格及協議轉換器的價格也正迅速降低，寬帶網絡的最終接入方式最終會歸結到光纜和五類線上來，五類線的接入應當是固話雙絞線接入最大最強勁的競爭對手，盡管5類線現在使用的是基帶傳輸方式，傳輸距離有限，但相信將來也會有基于5類線的頻帶傳輸方式，屆時，5類線的應用會更為廣泛。發展不同的業務，就應當有不同的技術方式，不應當因為有HFC網而排斥其他接入方式，廣電的優勢不僅僅在于有同軸電纜用戶，更在于廣電已經樹立了入戶的形象和概念，廣電完全能夠借助自身的優勢建設適合不同業務的各種網絡。
摘自《中國有線電視》
