小区HFC方案的规划及设计
2003-06-09 《世界宽带网络》

李巍 周韬

本文作者李巍先生，遵义市广播电视信息传播网络中心中级工程师；周韬先生，助理工程师。

关键词: HFC 光工作站 电缆分配网 光链路 规划设计

HFC(光纤同轴混合网)，作为广播电视宽带网络的基础网络，是开展高速视频、数据流业务的重要组成部分。不断提升HFC的网络品质是增强广播电视宽带网络生命力的关键。为此，我们一直致力于提高HFC的网络品质，力求向用户提供更加全面、优质、个性化的服务。遵义市政府小区HFC网络的建设，采用光纤到楼栋、无源同轴电缆分配网至用户端的网络结构。2002年3季度工程建设的顺利完成为我们建设高品质网络提供了一个可参考的范例。

一 方案规划

在小区HFC网络建设之前，我们参照了许多先行单位在网络建设方面的经验及广电总局有线电视城域网络改造指导意见，根据自身技术水平和经济承受能力，力求做到全面、系统、实效、长远地规划网络建设与宽带业务开展。

1. 方案规划的9个要点

a. 网络业务的规划

(1)电视业务：电视业务按45套设计，现已开通35套；数字电视业务采用MPEG-2压缩方式，以3~6Mb/s的码流传送1套数字电视节目，一个8MHz的模拟频道，采用64QAM调制方式可传送6~8套数字电视节目(数字电视节目按48套以上设计)。

(2)广播业务：模拟调频广播使用的频段为87~108MHz，可以传送15套以上的调频广播，现规划设计6套，其中，中央台3套、省台2套、市台1套。现已开通模拟调频广播2套。数据广播业务规划新建工程采用64QAM调制方式，在一个独立8MHz的模拟频道带宽内可传送近36Mb/s的净载数据流。在有线数字视频广播系统中，采用传输流(TS)的方式来进行广播数据。建成IP数据交互信道，可采用IP多点广播方式来开展数据广播业务。

(3)数据业务：网络建成初期，开展宽带数据通讯业务、小区智能化业务。向集团用户(政府办公楼)提供VPN (虚拟专用网)服务。随着用户需求，可逐步开展VOD(视频点播)、会议电视等服务。

b. 网络拓扑结构

网络由一个总前端和若干个分前端、一级或二级光链路、用户分配网络这三部分组成。

一级光链路采用“逻辑环型，物理星型”拓扑结构；二级光链路采用星型和环型相结合的拓扑结构。

总前端至分前端光缆采用30芯，便于信号传输采用1+1热备份冗余保护及业务拓展。

c. 网络频率配置

网络频率配置如表1所示。

d. 小区HFC用户的共享带宽

CMTS(Cable Modem终端系统)带动6台光工作站，及“一下六上”。逐步扩展到“一上一下”，以满足用户不断增长的带宽需求。

CMTS采用DOCSIS 64QAM调制方式，单一频道净载数据率BD= 36Mb/s，预计同一时间上网的总户数占CM用户数的百分比RB=30%，上网用户网络使用时间占在线时间的百分比UF=25%(下载5秒，20秒阅读)。则小区1200户宽带用户每户平均共享带宽BW=BD/(1200×RB×UF)=400kb/s。拓展到“一上一下”方式，每户平均共享带宽BW可到2.4Mb/s。

e. 网络光设备工作波长

鉴于小区距总前端距离较近(约10km)，光链路采用1310nm工作波长。

f. 小区HFC光工作站(或光节点)

规模

遵义市政府小区共有住宅楼宇46栋、政府办公大厦1栋，用户共计1200户。楼群中设立6个光工作站，每个光工作站覆盖约200户用户。

g. 小区同轴电缆分配网设计原则

采用无源同轴电缆分配网，光工作站及反向光发射模块设置于小区楼栋。采用高电平输出，然后通过分支、分配器送到用户端。

分配网设计按1000MHz传输频率技术要求，电缆传输距离控制在150m以内，回传信号损耗控制在20dB以内。

分配网干线采用集中分配至单元，星型分配至用户端。

h. 小区同轴电缆分配网施工要求

采用高屏蔽器材：干线采用铝屏蔽导管电缆，用户采用4层屏蔽电缆，屏蔽系数干线大于110dB、用户大于90dB、用户接入端采用双向高屏蔽终端盒，屏蔽系数大于90dB，分支、分配器采用1GHz后厄盖焊接式一体化高屏蔽器件，屏蔽系数大于100dB。室外电缆接头采用针型头、室内接头采用六角型压接式接头；使用专用工具电缆钳进行电缆剥皮和接头压接；按工艺规范进行施工。

i. 小区HFC供电系统

光工作站由小区分前端机房UPS电源集中供电，并进行接地处理。

2. 规划小区HFC结构

根据网络设备工作原理,构架小区HFC如图1所示：

a. 下行信号工作原理

在有线电视的总前端，设置CMTS，通过路由卡与路由器相连，接入Internet。例如从Internet下行的数据信息通过CMTS下行卡调制成中频IF信号，经过上变频器，将IF信号调制到特定的下行频谱段上(550~862MHz)，同另一路下行的广播电视信号(110~ 550MHz)一起接入混频器，输出电信号，再由光发射机转换为光信号，由1芯光纤传至政府小区机房，与1x6的光分路器连接，均分为6路，再用光缆传至各楼栋的6台光工作站，每个光工作站由4路RF输出，通过高电平(105dB)输入无源同轴电缆分配网，采用分配器将下行信号送至用户端。

b. 回传信号工作原理

光工作站内部配置反向光发射模块，将Cable Modem(或用户机顶盒)发送的反向RF信号转换成光信号，并发送至总前端机房的光接收机，再转换成RF信号。通过独立回传/共享回传组网方式将各路回传信号(混频)接入CMTS的上行卡，至此完成了回传信号的传输。

3. 小区HFC特点

根据以上规划要点，按图1构建的小区HFC具有以下特点：

(1)采用光纤到楼栋，为开展高速视频、数据流业务奠定了良好基础；

(2)每个光工作站(内置反向光接收模块)覆盖约200个用户，有效抑制了反向回传噪声效应，增加了用户平均可用带宽；

(3)光工作站工作电源采用小区分前端机房内的UPS(不间断电源)集中供电，保证了网络供电系统的可靠性；

(4)用户接入部分采用无源同轴电缆分配网，C/N(载噪比)、CM(交调比)、CSO(互调比二次)、CTB(互调比三次)指标得到良好改善；

(5)无源同轴电缆分配网采用高屏蔽器材、使用专用工具按工艺规范进行施工，有效降低了汇集噪声对反向回传系统的影响；

(6)无源同轴电缆分配网尽量采用集中分配结构将信号分配到每个单元，再由单元分配箱星型分配到每个用户端。网络可靠性得到了良好保证，并抑制了上行、下行信道的不平度。

二 方案设计

1. 系统技术指标

影响系统指标的主要因素是网络中的有源器件。它包括：放大器、光发射机、光接收机、光缆以及用户接入端的Cable Modem、机顶盒等；次要因素为电缆、分支器、分配器等无源器件，对系统的电平、屏蔽系数产生影响。我们在进行设计方案确定系统指标时，以影响网络系统指标的主要因素为依据。

a. 下行系统指标

(1)下行系统指标分配

现行系统的指标分为前端、光链路和同轴电缆分配网三部分组成，其技术指标为4项：C/N、CM、CSO、CTB。

指标设计标准：按GY5063-1998标准进行设计。

●光链路设计：一级光缆：C/N≥50dB、CSO≥60dB、CTB≥65dB；

二级光缆：C/N≥48dB、CSO≥58dB、CTB≥63dB；

●系统设计总指标，在国标的基础上预留1dB的余量：C/N≥44dB、CSO≥55dB、CTB≥55dB。

指标分配比例：

●C/N：由于前端调制器指标较好(C/N可大于70dB)，分配比例为25%；同轴电缆分配网采用无源器件指标较好, 分配比例为25%；而光缆传输系统为主要网络，分配比例为50%；

●CM：由于光传输链路不存在交调比指标，故前端分配40%；同轴电缆分配网分配多一点，分配比例为60%；

●CSO、CTB：既要考虑光传输链路达到的指标，又鉴于前端多数为邻频设备，各频道独立处理，隔离度高因而指标较好。故分配比例为：前端20%和30%、光链路60%和50%、同轴电缆分配网20%和20%。

设计计算公式：

分配指标(dB)=设计值-Algd；

分配系数d =10-(分配指标-设计值)A。

式中“A”计算值(如表2所示)：

例如：计算载噪比C/N，当分配系数为25%时，则分配指标=44~10lg25% =50dB

系统指标分配表：根据以上分配比例及设计公式，得出表3数据。

(2)光链路技术指标的验证

如图1所示，下行光链路由光发射机起，光工作站终，则按二级光缆标准设计，即：C/N≥48dB、CSO≥58dB、CTB≥63dB。

由澳大利亚PBN太平洋宽频通讯公司提供的光设备在PAL制64频道测试环境所得各项技术指标如表4所示：

在实际承载频道数N‘情况下，技术指标的改善值：

改善值计算公式：DC/N=10lg(N/N’)；

DCSO=15lg(N/N’)；

DCTO=20lg(N/N’)。

式中，N=64(额定频道数)、N‘=实际频道数。

系统模拟电视、数字电视、数据业务下行信道频率范围为110~862MHz，其中包括56个正规频道，42个增补频道。鉴于目前对频谱的使用情况，频道数按56个设计，则N‘=56。按以上公式计算得各项技术指标改善值为：

DC/N=10lg(64/56)=0.58dB；

DCSO=15lg(64/56)=0.87dB；

DCTO=20lg(64/56)=1.16dB。

故当系统在承载56套节目情况下，光设备各项技术指标如表5所示：

根据表5，下行光链路的技术指标为光发射机和光工作站之和，计算得：

C/N光≥50.0dB；

CSO光≥60.7dB；

CTB光≥63.5dB。

通过对光链路各项指标的计算，验证了光链路的各项指标即满足了GY5063-1998标准(二级光缆：C/N≥48dB、CSO≥58dB、CTB≥63dB)的要求，同时也满足表3中光链路分配指标(C/N≥47dB、CSO≥58dB、CTB≥61dB)的要求。证明表3中对光链路的指标分配是可行的。

(3)系统总指标

根据表3的各项指标，计算系统总指标为前端、光链路和同轴电缆分配网之和：

C/N总≥45.2dB；

CM总=47dB；

CSO总≥58.0 dB；

CTB总≥56.3 dB。

系统总指标满足设计要求：C/N≥44dB、CSO≥55dB、CTB≥55dB。

b. 上行技术指标

按照厂家提供反向光发射模块、光接收机以及用户端机顶盒或CM的指标，根据同样的设计原则和方法可计算出系统上行技术指标，这里就不再复述。

2. 光链路功率计算

a. 下行链路

从总前端到政府小区光缆最长距离10km，共由5段光缆组成，则光损Lf= -10×0.35=-3.5dB。

5段光缆共6个熔接点，分光器熔接光缆至光工作站。链路共7个熔接点，则接续损耗Lc=-0.04×6=-0.28dB。

如图1所示的下行链路中，光缆同光发射机、光工作站采用活接头连接，则活接头损耗Lj=-0.6×2=-1.2dB。

由于小区机房距各光工作站距离基本相等，采用6路均分，则分光损耗按16.67%计算，Li=10lg(1/6)= -7.77 dB，附加损耗Le=-0.5dB，总的插入损耗Ld=Li+Le=-7.77-0.5= -8.27 dB。

根据以上数据，得下行光链路总的损耗为：L =Lf+Lc+Lj+Ld=-13.25dB。

选用功率为16mW的光发射机，转换为P(dBm)=10lg(16/1)=12.04dBm。

光信号经光链路传输至光工作站的光功率为：P(dBm)=12.04-13.25= -1.21dBm。

工作站要求输入光功率：-4~ +2dBm 则下行链路光功率满足要求。

b. 反向回传链路

反向接收模块设置于总前端，则光纤损耗Lf=10×0.35= -3.5dB；

接续损耗Lc=-0.04×7=-0.28dB；

活接头损耗Lj=-0.6×2=-1.2dB；

则总的损耗为：L =Lf+Lc+Lj=-4.98dB。

选用功率为2mW的反向光发射模块，转换为P(dBm)=10lg(2/1)=3dBm；回传光信号至反向光接收模块输入光功率为：P(dBm)=3-4.94=-1.98dBm；反向光接收模块要求输入光功率：-12~ +1 dBm 则反向回传链路光功率满足要求。通过以上系统技术指标的设计与验证，论证了小区HFC方案的规划和设计是可行的。

三 小区HFC的拓展

1.改进方案之一

目前从总前端机房到光分部器传输的信号由单纤传输，随着以后业务的发展，提高小区HFC QoS，可在机房同分前端之间加设射频保护开关，对信号传输采用1+1热备份冗余保护，下行信号通过两条信道进行传输，从而提高下行链路的可靠性、稳定性(改进方案1如图2所示)。同理，反向回传信道也可通过射频保护开关提高上行链路的可靠性、稳定性。

2. 改进方案之二

目前在市政小区的分前端区域开展的双向用户不多，所预留的光纤有富余，则由反传光发射模块发射的6路回传信号分别由6路光纤传送到前端机房，如图1所示。随着以后双向业务的增长，采用“一上一下”方式。即一台CMTS支持一台光工作站(内置反向光接收模块)，网络反向回传链路改进方案2(如图3所示)，可向用户提供净载速率为2.4Mb/s的宽带服务。

四 小结

总之，在网络的组建过程中，要根据网络的实际情况需要，制定组网方案，避免过度投资、网络功能过剩。同时，在方案中要为HFC网络的拓展、升级作充分的考虑。(全文完）