汕头市广电局有线电视网络中心 洪锐锋
一、引言
中国有线电视业自近十年来取得了巨大的发展，广播电视传输干线网络建设已经基本完成，全系统光缆网络已经超过40万公里，我国现有3亿5千万部电视机，有线电视用户9000多万，居世界第一。随着电视技术、光纤技术、数据技术的发展，有线网络除了是传输模拟信号的天然载体之外，更是传输数字信息的良好介质，并能全面提供数据业务、语音业务、数字电视、视频点播等业务，形成真正的多业务综合平台。本文从网络规划、网络设计两大方面讨论如何利用现有的网络资源，将有线网络建设成为一个综合的信息平台。
二、网络规划
1、网络目标
有线网络的定位应该是有线电视综合信息网，既要保证传统的模拟电视节目传输，又要与计算机结合传输数字信号。因为有线网络是一个整体的网络，在进行网络设计时，要充分考虑有线网络所具有的传输特点，扬长避短，才能建成一个性能先进、服务保证的综合平台。
因此，有线网络的目标是建成一个覆盖全市的交互式综合信息平台，为全社会提供三位一体（数据、视频、语音）的信息服务。网络能够承载多种服务类型、灵活的用户接口和从窄带到宽带的各种接入方式，无时无刻不为用户提供服务。
2、业务目标
整个综合信息网能为社会提供如下的业务：
（1）基本业务：在现有传输模拟节目的基础上，改善节目的传输质量，增加节目套数，为过渡到数字电视打好坚实的基础。 （2）扩展业务：可开办图文电视、加密频道、付费电视、准视频点播（NVOD）等，增加专业频道，开展电视购物等。（3）增值业务：开展各种数据业务，为全网用户提供高速的互联网接入，为商业用户提供虚拟联网、视频会议、远程监控等业务，为个人用户提供家庭大户室、电子购物、网上银行、智能家居、网络游戏、网上教育、远程医疗等业务。
3、设计原则
在技术高速发展的今天，系统选型并非越先进越好，而应该注重性价比，因此总体的原则应是：立足需求、适当超前、分步实施、滚动发展。 具体的原则为：
（1）高性能：采用具备足够端口、全线速的交换能力和充足的接入容量的网络设备，才能适应各种高带宽的应用需求。
（2）高性价比：从保护投资的角度考虑，从当前的业务需求出发，采用性能/价格比高、已经被业界广泛使用的设备。
（3）可扩展性：易于增加新用户、设备，易于和各类公网连接，可随着业务的发展、带宽需求的增加而不断的扩展和扩充。可针对不同特性的 用户提供合适的接入服务，如Cable Modem、以太网、快速以太网、千兆以太网等。
（4）标准化：从设计、技术到设备的选择，必须支持国际标准的网络接口和协议，以提供高度的开放性，确保将来和不同厂家设备、不同应用、不同协议连接，并符合今后发展的主流。
（5）高可靠性：从链路、设备、模块、到配置都必须具备容冗，系统需具有可靠、快速的自愈能力。
（6）安全性：整个网络必须具备高度的安全性，保证用户的信息不被偷窃。
（7）可管理性：通过智能化的管理，实现基于策略的管理、实地监控全网的状况、提供灵活的计费方式。
4、运营步骤
（1）网络的首期建设应以模拟传输主前端为中心，建立有线网络数据中心，结合全市的模拟传输分前端的拓扑结构，构成一个或多个主干光纤自愈环，组建城域的宽带数据骨干网，从最易实现、最快盈利的高速局域网互联入手，为全市的商业用户提供虚拟专网服务，快速进入运营状况。 （2）建立有线网络中心网站，添置路由器、交换机，通过卫星或地面光纤与吉通/网通相连，取得Internet出口，为集团用户提供高速互联网接入、虚拟主机、主机托管、IP视频会议、IP远程监控等业务，这部分的业务也是市场需求比较大、容易盈利。（3）综合分析本地区的网络状况，结合全市不同地区的环境，选择不同的接入方式为家庭用户提供高速上网服务，并结合有线网络自身的优势，提供家庭大户室、网上点播、网上直播、网上教育等业务。（4）当技术发展更为成熟、市场需求成为现实之后，可开始投入数字机顶盒系统，除提供上网、家庭大户室、实时游戏等常规数据业务外，更能提供带宽要求苛刻的视频业务，如VOD、数字电视等，为用户提供全方位的视听新感受，极大发挥有线网络的带宽优势。（5）随着WTO的进入，电信业务开放，有线网络应当可以经营IP电话（包括市话和长话），可投入IP电话系统，通过IP电话网关或带语音接口的Cable Modem为用户提供IP电话服务，有线网络将迎来新的业务增长点。（6）当业务增长到一定程度，首期建成的宽带骨干网可能无法满足总带宽的需要，可将核心层的交换机移到汇聚层，而在核心层投入性能更高、交换更快、容量更高的交换机，并增加宽带网的主干带宽，提高整个宽带骨干网的综合性能，以承受更多、更复杂的接入业务。
三、网络设计
1、网络结构
当今流行的城域网是采用优化的宽带IP网络结构，有别于传统的窄带的Internet网络结构所采用的路由器加专线形成的网状结构，宽带IP网都是采用分层结构，由核心层、汇聚层、接入层组成。采用分层结构可以有效地隔离各个层次之间的相互影响，为每个层次的需求实现优化设计，提高整个网络的灵活性、扩展性、有效性和可靠性。各个层次的要求如下：
（1）核心层：线速的交换能力、高带宽、高可靠性、良好的扩展能力、清晰的网络结构、多业务的支持能力，包括QoS保证、流量管理等等。
（2）汇聚层：高端口密度、高性能、高容量、多技术支持，支持各种接入技术如以太网、ATM、Cable Modem等、安全控制、流量管理、多业务支持、计费管理等。
（3）接入层：高性能、高容量、多技术支持、多业务支持、用户管理能力等。
2、主干网设计
主干网指的是核心层加汇聚层，在一个中等规模的城市里，城域网上可以省略汇聚层，即核心交换机兼有汇聚交换机的功能。
1)技术分类
（1）IP OVER ATM
IP Over ATM融合了IP和ATM的技术特点，其基本原理是：将IP数据包在ATM层全部封装为ATM信元，以ATM信元形式在信道中传输。当网络中的交换机接收到一个IP数据包时，它首先根据IP数据包的IP地址通过某种机制进行路由地址处理，按路由转发。随后，按已计算的路由在ATM网上建立虚电路（VC）。以后的IP数据包将在此虚电路VC上以直通方式传输。其优势是：可利用ATM技术所提供QoS特性提高IP业务的服务质量；具有良好的流量控制均衡能力以及故障恢复能力，网络可靠性高；适应于多业务接入，具有良好的网络可扩展能力。其缺点是：网络体系结构复杂且重复，IP数据包需映射成ATM信元，ATM与TCP/IP都具寻址、选路和流量控制功能，开销损失大，主要用于网络边缘多业务的收集和一般IP骨干网，不太适合超大型IP骨干网应用。
（2）IP OVER SDH
IP Over SDH以SDH网络作为IP数据网络的物理传输网络，它使用链路及PPP协议对IP数据包进行封装，把IP分组根据RFC1662规范简单地插入到PPP帧中的信息段中，然后再由SDH通道层的业务适配器把封装后的IP数据包映射到SDH的同步净荷中，再经过SDH传输层和段层，把净荷装入一个SDH帧中，最后到达光层，在光纤中传输。目前的传输带宽为2.5G。IP Over SDH本质上仍是一个路由器网（IP网），网络的整体性能的提高将取决于路由器技术是否有突破性进展。其优点是：省略了不必要的ATM层，简化了网络结构，降低了运行费用；对IP路由的支持能力强，具有很高的IP传输效率；通过SDH技术本身的环路，利用自愈合能力达到链路纠错，同时又利用OSPF协议防止链路故障造成的网络停顿，提高网络的稳定性有利于实现IP多点广播技术。其缺点是：仅对IP业务提供好的支持，对大规模的网络需处理庞大复杂的路由表，而且路由表查找困难，不适合于多业务平台；不能像IP over ATM技术那样提供较好的服务质量保障。
（3）IP OVER WDM/Optical
IP over WDM，也称光因特网，就是在光域内的复用技术，通过在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，让数据传输速度和容量获得倍增。其基本原理是：在发送端将不同波长的光信号组合（复用）送入一根光纤中传输，在接收端将组合光信号分开（解复用）并送入不同终端。IP over WDM是一个真正的链路层数据网，高性能路由器通过光ADM或WDM耦合器直接连至WDM光纤，由它控制波长接入、交换、选路和保护。IP over WDM在光纤上使用SDH帧封装或千兆以太网帧格式传输IP数据包。其特点是充分利用光纤的带宽资源，极大地提高了带宽和相对的传输速率，不仅可以与现有通信网络兼容，还可以支持未来的宽带业务网及网络升级，并具有可推广性、高度生存性等特点，非常适用于超大型IP骨干网。
按照IP在光纤上传输格式的不同，目前IP OVER WDM/Optical存在以下两种方案：
千兆以太网（GE）
千兆以太网技术代表了以太网技术中的一种演进，其技术原理、安装实施和管理维护都与快速以太网相似，提供了无确认、无连接的传递服务，保证了与以往以太网的平滑过渡。IP OVER WDM的GE方案就是将千兆以太网技术扩展到城域网，在城域范围内构建纯IP的网络平台，技术要素主要就是高端路由交换机。其单链路的最高传输带宽为1Gbps，增加带宽的方法有：端口捆绑等技术、CWDM（稀疏波分复用）技术、TE（万兆以太网）技术。千兆以太网在环形组网结构中提供自愈恢复手段主要有三种：利用以太网的生成协议（Spanning Tree Protocol）在链路层实现自愈恢复（30秒左右）；利用IP层的路由协议的收敛功能（1秒左右）；利用MPLS的快速收敛能力（小于50ms）。GE的优点是效率高、设备简单、易维护，而且价格低廉。其缺点是只适合于传输数据，而不能有效支持语音和视频等多业务，缺乏网络管理和计费能力，在QoS方面天生不足，需要新技术如MPLS来加以解决。
动态IP光纤传输技术（DPT）
DPT（Dynamic Packet Transport）是Cisco公司提出的包优化的光传输解决方案。DPT将ＩＰ路由的带宽效率、业务能力与光纤环丰富的带宽、自愈能力相结合，可支持多种业务类型和基于LAN、MAN、WAN的低成本应用。目前的传输带宽为2.5G。DPT的特点是：在双环结构一个环传送数据，另一环在相反方向上回送控制包；引入了一个新的MAC层协议，即空间再利用协议（SRP），利用两个专利算法（SRP公平算法和IPS智能保护切换），构成了新一代的环形光传输技术；采用了SONET／SDH帧结构，可在所有主要的光纤传输网络中运转，使带宽效率达到最高。DPT的缺点是双向环的总带宽固定，环节点越多每个节点的可用带宽即相对减少，而且目前属于Cisco的专有技术，没有统一的规范，能否成为国际标准仍难定论，采用此技术具有一定的风险性。
2)技术选择
目前，IP网络已经成为全世界大型网络的主流协议，要使IP网络成为电信级的综合信息平台，就必须解决IP天生的缺陷，即网络拥塞、时延和服务质量问题以及与传统电信网络之间的无缝连接和业务综合，因此产生了以上所描述的各种技术，其最终目的就是如何优化IP网络，即宽带ＩＰ网的核心交换技术是基于ATM还是纯IP，在IP与DWDM之间是否需要ATM和SDH中间层。通过以上分析可以看出，IP OVER WDM／Optical的GE方案由于省去了中间层，是构建纯IP网络平台的理想技术，可以与以太网接入网实现无缝连接，保证全网采用统一的802.3以太网帧格式，不需要任何中间协议转换，设备简单、易维护、价格低廉，而且通过CWDN和万兆以太网进行带宽扩展，成本较低，是构建有线网络综合信息平台的理想解决方案。
3、接入网设计
1)设计思想
在设计有线网络综合信息网的接入方式时，要同时考虑到视频、数据、语音的传输，必须从运营的角度综合考虑如何解决模拟传输、数字传输各自存在的问题，除满足目前的数据通信需求外，还应从战略的眼光考虑到未来业务如机顶盒、数字电视等的发展。有线网络综合信息网是一个交互式网络，回传是必不可少的，用户端除了通过同轴电缆回传之外，通过五类线回传也是一种途径，可以综合考虑。
2)存在问题
(1)模拟传输存在的问题
模拟电视信号的传输都是广播式传输，在传统的树支型（总线型）的入户方式下，传输前端无法控制每用户端的信号接收，因此造成“收费难”、“偷接”、“私接终端”等现象。解决的办法有：电视节目加解扰；使用可寻址的分支、分配器配合计算机管理解决“收费难”问题；使用可寻址同轴电缆集线器配合计算机管理解决“收费难”、“偷接”问题；使用机顶盒解决“收费难”、“偷接”、“私接终端”问题。
(2)数字传输存在的问题
有线电视众多用户端口及电缆接头所引入的各种干扰和传输电缆受环境中的各种电磁干扰侵入，并经上行信道传输汇聚至头端系统（CMTS），造成上行信号的信噪比（C/N）严重低下，使通信速率急剧下降，甚至使通信中断，称为“噪声汇聚”。这是传统同轴电缆数据通信方式所具有的缺陷，是最大的难题。
“噪声汇聚”的成因：一是用户室内的电视机信号输入端，是产生强干扰的源头；二是由于接头松动及电缆屏蔽性能差造成环境电磁干扰侵入电缆，如短波电台信号、家用电器突发脉冲产生的强电磁场等。用户使用不规范的分支器来偷接线路，用户家中私自增接终端，接头质量差，接法不规范，都是“噪声汇聚”的重要根源。 “噪声汇聚”的重要根源。
“噪声汇聚”的解决办法有：入户同轴电缆采用四层屏蔽线，提高抗干扰的能力；入户线驳接高通滤波器隔阻回传噪声；采用连接特性好，无电磁波泄漏的终端盒；定期检查线路，加固松动的接头，更换氧化的电缆和接头；使用可寻址系统，控制“偷接”、“私接终端”现象，可大大碱少噪声的来源；使用集中分配式入户，减少楼梯的接头数量，统一控制用户端电平，有利于减少不同用户入侵噪声的影响；通过增加CMTS头端的数量，来减少头端所带的用户数，抑制“漏斗效应”；采用抗噪能力较强的S-CDMA的Cable Modem；采用自动调节信噪比的头端，牺牲带宽来提高干扰能力。
3)技术分类
在分析有线网络接入方式时，在兼顾模拟电视传输的情况下，主要考虑数据传输，按照回传的介质的不同，目前有线网络上较为主流的接入方式有以下几种：
（1）通过同轴电缆回传
总线型同轴入户：即传统的有线电视入户方式，从楼梯头拉一根同轴线直到顶楼，每一楼层通过分支器驳接入户。
特点：入户线为总线型/树枝型，每户独享Cable Modem。
优点：用户单独使用Cable Modem，带宽较有保证，10-38M共享；用户PC上连的交换设备为CMTS，可管理性较强，用户较为安全。
缺点：无法控制用户的“偷接”、“私接终端”现象，加上楼梯的接头多，导致“噪声汇聚”严重，影响回传业务的开展；用户的初装费用高，目前TDMA的Cable Modem价格约1000元，S-CDMA的Cable Modem价格约2000元，且CMTS价格高，性能价格比差，不利于业务推广。
集线型同轴入户：指在楼梯口放置一可寻址同轴电缆集线器，由每一端口拉一根同轴电缆至用户家中。
特点：入户线为集线分配型、每户独享Cable Modem。
优点：用户单独使用Cable Modem，带宽较有保证，10-38M共享；集中分配式即减少楼梯的接头数量，又能统一控制用户端口的电平，减少很多噪声入侵源；配合“可寻址路权管理系统”，通过控制每用户端口的关断，有效解决“偷接”、“私接终端”现象，大大减少噪声入侵的根源，通过对用户端口分频段关断对没有开通回传业务的用户隔断65M以下的频段，有效抑制大面积的用户噪声汇聚，从而保证整个网络的数据通信环境良好，有利回传业务的开展。
缺点：对于已经按总线型入户改造完成的网络来说，需重新改造楼梯线；用户的初装费用高，目前Cable Modem和CMTS价格都比较高，且需投资整套“可寻址路权管理系统”，包括可寻址同轴电缆集线器和计算机管理系统，总体投资较大，性能价格比差，不利于业务推广；楼梯头的同轴电缆集线器为有源器件，易受雷击，安全隐患大，如若集线通过同轴电缆集线器为有源器件，易受氧化，造成故障；可寻址管理系统通过载波的形式将计算机控制信号传递至集线器，一旦载波受破坏，会造成系统失控。 融通天网方式：指光机之后电缆部分不进行改造，放大器的回传通过并联一路由器来解决，头端、用户端都是融通公司专有产品。
特点：结合扩频、跳频、令牌环技术，通过融通公司自主开发的路由器、头端完成数据在同轴电缆上的回传。
优点：光节点后的电缆线路不用改造；使用令牌环技术，同一时刻只有一用户与头端通信，从而解决“噪声汇聚”的问题；头端、路由器、用户端都较便宜，从而使接入部分的投资减少，性能价格比较高，有利于业务推广；接入速率较高，目前可达1-10M共享。
缺点：使用令牌环技术，限制了头端所带的用户数，随着用户数的增加，接入速率会明显下降，而且容易造成“失包”现象；太过专利化技术，大规模运作没被证实，在提交为标准之前，技术依赖性过强，系统的升级难；支持的业务少，受融通公司的开发实力所限；接入部分的投资有所减少，光链路部分一样要改造，同样要建数字骨干网，因此总体投资仍然较大。
（2）通过五类线回传
纯五类线入户：指在楼梯头放置交换机或集线器，五类线以星型连入用户家中。
特点：入户线为集线型、纯以太网接入。
优点：非常适合于开展数据业务；用户接入速度快，可达独享10/100/1000M，可按市场需求弹性地提供带宽，有助于各种用户的接入；用户端仅需一块网卡，用户易接受，利于推广。
缺点：用户PC上连的交换设备为集线器或交换机，用户PC之间在一个广播域内，安全性较差，选用带VLAN功能的交换机则成本大；光缆需布至楼梯头，全城的光纤、光缆使用量大，楼梯头需放置集线器或交换机加光纤收发器，或带光纤接口的交换机，成本巨大，性能价格比较差；全城的以太网管理、维护难度高，运营成本大；仅适合于数据业务，不适合开展视频业务如视频点播（VOD）等；需从楼梯头布五类线至用户家中，工程量大。
Cable Modem+五类线入户：指在楼梯头放置一CABLE Modem与宽带骨干网通信，楼梯内仍然是五类线接入方式。
特点：入户线为集线型、以太网入户、通过Cable Modem与主干网通信。
优点：每楼梯头放置一个Cable Modem，大大减少全网的Cable Modem的使用量，降低首期投资，有利于业务的迅速开展，占领市场；无需与用户的入户同轴电缆打交道，直接在楼梯头调试回传信号，大大加速双向调通的速度；在楼梯头的分配器加装高通滤波器滤掉回传通道，以隔绝来自楼梯同轴线的噪声，解决“噪声汇聚”问题；不仅可使用S-CDMA的Cable Modem，还可使用TDMA的Cable Modem，极大降低首期Cable Modem的投资；将楼梯头的Cable Modem拿走，换成光缆与主干相联，即可无缝过渡到纯五类线接入，具有良好的升级能力。
③缺点：用户PC上连的交换设备为集线器或交换机，用户PC之间在一个广播域内，安全性较差；一条楼梯的所有用户共亨一个Cable Modem,用户上网速度明显受限，当一个Cable Modem所带的用户数超过5户，可在楼梯头加放CM以增加带宽；全城的以太网管理、维护难度高；仅适合于数据业务，不适合开展视频业务如视频点播（VOD）等；需从楼梯头布五类线至用户家中，工程量大。
（3）通过同轴电缆和五类线回传
指集线型同轴入户与五类线入户两种方式同时使用。
特点：数据、语言通信通过五类线回传，视频业务如机顶盒通过同轴电缆回传。
优点：用户上网速度较快，可达独享10/100/1000M，所有数据业务可自由拓展，带宽充裕；可对全网进行路权管理控制，充分发挥同轴电缆下行带宽无限的优势，开展视频业务，如VOD、数字电视等；两种传输介质互补，可充分拓展业务，提高竞争力。
缺点：总体投资巨大；可寻址管理系统存在安全隐患；全城的以太网管理、维护难度高；需重新布楼梯线、入户线。
4)技术选择
综合比较以上几种接入方式，可以得到这样的结论：
传统的总线型/树枝型的同轴入户方式，存在“偷接”、“私接终端”现象，加剧“噪声汇聚”现象，极大制约回传业务的开展。而集中同轴入户方式，既减少楼梯的接头数量，又可统一控制用户电平，如果配合可寻址管理系统则同时解决“偷接”、“收费难”、“噪声汇聚”三大难题，从长远来看为机顶盒业务打下良好的网络基础。
同轴电缆通过各种调制方式来传输数据，一是传输效率低，二是共享信道，接入速率不高，三是易受噪声干扰，可见通过 同轴电缆传输数据不是长远的办法，特别是由于我国的国情，即人口居住密集、有线网络线路质量参差不齐、用户偷接意识强、缴费意识弱，通过Cable Modem开展数据业务，一是网络性能难以提高，二是网络维护难度大，三是用户数增加到一定水平接入速率会大幅度下降，因此最好不要采用Cable Modem系统，如果要使用也该当作一种占领市场的过渡手段。反过来，同轴电缆是传输视频信号的良好载体，通过QAM调制方式，同轴电缆的传输带宽可达几G，非常适合于未来视频业务的开展。
五类线是数据传输的良好载体，其接入带宽可达10/100/1000M，且可扩展性好，适合于开展多种多样的数据、语音业务，如高速上网、家庭大户室、网上教育、智能家居、网络游戏、IP电话等。反过来，以太网因为IP网络的限制而不适合于传输视频信号。
因此，从理论上讲应充分发挥同轴电缆和五类线的优势，进行双网入户，才能为用户提供从数据、语音到视频应有尽有的服务，全面提高有线网络整体的竞争实力。当然，我国各地有线网络的发展参差不齐，早期的网络规划没有统一的标准，建成的网络性能各不相同，各地的运营实力高低不一，因此选择接入方式时应结合具体的网络情况，全理选择，甚至可以多种方式相互结合，一并使用。 集线同轴入户：明显优于总线 同轴入户方式，适合于还没改网的有线网络使用，以及新建的住宅小区。
总线同轴入户：适合于老住宅区、居住较分散的区域。
五类线入户：适合于新住宅小区，楼宇建筑过程中就按综合布线的要求布好五类线，是目前比较流行的数据通信入户方式，电信、网通、长城宽带、蓝波万维等有名的宽带运营商都在大力推广。
Cable Modem+五类线入户：是一种良好的过渡方式，既可避开“噪声汇聚”问题，又减少初期投入的Cable Modem数量，降低用户初装费用，在业务推广初期每Cable Modem带5用户的情况下带宽较有保证，特别适合于迅速开展业务，占领市场，当用户数量增大，带宽无法满足时，可无缝过渡到纯以太网接入。
融通方式：适合于无法进行网络改造或重新布线的地方，如高层建筑、酒店、郊区、农村等。
四、结束语
有线宽带城域网对于有线网络运营商来说是一个崭新的领域，不管是技术的选择还是业务的运营，都仍处于摸索阶段，相信随着我国WTO的进入，国内电信环境逐步开放，有线网络迎来新机遇与挑战，将充分发挥潜在的网络优势，成为最有竞争力的多业务运营商，在宽带的战场上获胜。
摘自《广播电视网络技术》2002.2
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