В рубрику "Цифровое телевещание" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

Технология мультисервисных сетей кабельного телевидения

Павел Барабаш
Проректор по научной работе Смольного университета Российской академии образования

Станислав Воробьев
Научный сотрудник ФГУП НИИ "Рубин"

Олег Махровский
Руководитель информационно-аналитического сектора ФГУП НИИ "Рубин"

Оправданный интерес

Технология мультисервисных сетей кабельного телевидения (МСКТВ) детально рассмотрена в работах авторов [1-5], а также в трудах [6-7]. Интерес к таким сетям не ослабевает, особенно в США, где они являются существенной составляющей информационной супермагистрали. Причины понятны: МСКТВ, с одной стороны, относятся к классу широкополосных систем, что позволяет реализовывать различные интеллектуальные службы, требующие широкой полосы пропускания, а с другой – являются привычными для многочисленных пользователей кабельного телевидения (КТВ). По прогнозам, к 2010 г. число абонентов КТВ в мире увеличится до 429 млн человек, а доходы от него возрастут до $138 млрд.

Оптимальный вариант

Широкополосность, требуемая для МСКТВ на всех уровнях и не идущая в сравнение со спектрами, необходимыми для передачи других видов информации, приводит к тому, что оптимальным сетевым вариантом для всех остальных сетей и систем передачи информации становится их наложение на МСКТВ. В составе развитой МСКТВ на базе ВОЛС и технологий IP, MPLS, ATM или других, более совершенных, прочие сигналы (включая цифровую телефонию и данные, цифровое радиовещание и Интернет) с точки зрения требующихся для их передачи цифровых потоков становятся лишь малозаметным дополнением и практически вписываются в МСКТВ в качестве сигналов дополнительной информации. Также теряют актуальность разнообразные системы сетевого доступа (xDSL, ISDN), поскольку с реализацией МСКТВ проблема доступа решается автоматически. МСКТВ, как и Интернет, относятся к классу инфо-коммуникационных сетей, они обеспечивают узкополосные и широкополосные телекоммуникационные службы (подобно В.ISDN), а также множество информационных служб типа телемедицины, телеобразования и других.

Основой для построения перспективных МСКТВ служат цифровые интерактивные сети телевизионного вещания. Их развитие определяет глобальный подход, ориентированный на создание комплексных интерактивных систем для использования как в наземном, так и в спутниковом телевизионном и звуковом вещании. Этот метод [8] предусматривает мобилизацию всех возможных, в первую очередь радиотехнических, средств для передачи обратных сигналов от телезрителей к компьютерным центрам сбора и обработки информации. Он стал основой международной стратегии и тактики исследований интерактивности с учетом сложившихся структур аналоговых трактов вещания и модели цифровой системы вещания (рис. 1).

Рис. 1. Глобальная модель системы вещания
^{Нажмите на картинку для увеличения}

Глобальный подход к интерактивности и рассмотренная модель легли в основу функциональной модели интерактивной системы [6], включенной в Рекомендацию МСЭ-Р ВТ.1369. В этой модели, показанной на рис. 2, используются следующие интерфейсы:

А_а– интерфейс между абонентским блоком (пультом) управления (АПУ) и модулем интерактивного интерфейса. Может быть внешним или встроенным в блок АПУ;

А_о – интерфейс между АПУ и блоком сетевого интерфейса. Может быть внешним или встроенным в АПУ;

А_b – интерфейс между модулем интерактивного интерфейса и средствами для организации интерактивных каналов;

А₁ – интерфейс между блоком сетевого интерфейса и средствами для вещательных и интерактивных систем передачи;

А_х – интерфейс между средствами вещания и адаптером двухсторонней связи для интерактивной сети;

А₄ – интерфейс между средствами для вещательных и интерактивных систем передачи и соответствующими адаптерами сетей;

А_у – интерфейс между адаптером интерактивной сети и провайдером интерактивных услуг;

А₉ — интерфейс между адаптерами интерактивной и вещательной сетей и провайдерами интерактивных и вещательных услуг.

Интерфейсы А_а, А_о, А_у, А₉ не зависят от сети обратных каналов, а интерфейсы А_b, А₁; А_х, А₄ – зависят.

Рис. 2. Функциональная модель интерактивной ТВ-системы
^{Нажмите на картинку для увеличения}

Диалог провайдера и зрителя

В состав системы входит интерактивный канал, позволяющий телезрителю вести диалог с провайдерами услуг. Различают прямой и обратный интерактивные каналы. Прямой канал может быть "врезан" в канал вещания путем уплотнения передаваемой вещательной информации.

Для организации интерактивного канала применяются:
•          существующие телефонные сети общего пользования PSTN, цифровые сети с интеграцией служб ISDN, асимметричные цифровые абонентские линии ADSL и др.;
•          Интернет;
•          существующие системы КТВ с обратными каналами;
•          спутниковые системы;
•          системы подвижной радиотелефонной связи.

Для описания структур сетей электросвязи часто используют модели системы доставки информации пользователям [7] или сквозные тракты передачи информации [9] от источника до получателя. Структура такого сквозного тракта МСКТВ, соответствующая модели кабельной сети системы доставки, представлена на рис. 3. В ее состав входит транспортная сеть (или сетевое ядро), сеть доступа, внутридомовая сеть, а также линии раздела между сетями и устройствами, соответствующие эталонным точкам стыка А_о – А₄, А₉.

Рис. 3. Структура сквозного тракта передачи информации МСКТВ
^{Нажмите на картинку для увеличения}

Основными функциями транспортной сети являются:
•          надежная передача информации между объектами провайдера услуг сети и сетью доступа;
•          коммутация информационных потоков между объектами провайдера услуг сети и сетью доступа;
•          установление и разъединение соединений;
•          обеспечение технического обслуживания.

Подключение оборудования провайдера услуг к транспортной сети производится через интерфейс Ау, а подключение со стороны абонента осуществляется с помощью местного коммутатора (LocalExchange – LE).

Сеть доступа, структура которой показана на рис. 4, рассчитана на обеспечение следующих функций [7]:
•          транспортировка сигналов других служб (телефония, аналоговое ТВ, службы ЦСИС и пр.);
•          передача, мультиплексирование, концентрация и вещание услуг и прикладных информационных потоков между конечными пользователями и остальной частью системы доставки, включая транспортную сеть и серверы;
•          контроль и управление сетью.

Рис. 4. Структура типовой сети доступа

Сеть доступа состоит из узла доступа (AccessNode – AN), распределительной сети и блока сетевого окончания (NetworkTermination – NT). Узел доступа AN получает сигналы от коммутатора LE транспортной сети по стыку А4 и адаптирует их для передачи по распределительной сети конкретного типа.

Достойный функционал

Распределительная сеть обеспечивает транспортировку сигналов от транспортной сети до сетевого окончания, выдающего сигналы на абонентский интерфейс. Распределительная сеть может иметь самую разную топологию, среду передачи и протоколы, что будет влиять на сигналы и интерфейсы в точках А2 и А3.

Основной функцией блока сетевого окончания NT считается разделение сети доступа, находящейся в ведении сетевого оператора, и внутридомовой сети, которой владеет конечный пользователь. Другой важной функцией блока NT становится окончание передачи и топологии сети доступа или адаптация сигналов для другой cети передачи и топологии абонентской сети. В случае пассивного сетевого окончания NT, стыки Ai и А2 являются идентичными. Если интерфейсные окончания сети доступа содержат различные активные компоненты, то вводятся раздельные точки стыка А2 для NT и А3 для AN.

Внутридомовая сеть расположена между абонентским оборудованием и сетевым окончанием сети доступа, как показано на рис. 3. Варианты построения домовых сетей разнообразны – от простой кабельной разводки до локальных сетей различной топологии и сетей с возможностью коммутации сигналов. Чтобы отвечать запросам всех домашних сетей, на модели системы внутри домовой сети введен дополнительный интерфейс помещения пользователя (UserPremisesInterface – UPI).

В состав абонентского оборудования (рис. 3) входят блок сетевых интерфейсов (NetworkInterfaceUnit – NIU) и блок обработки данных (Set-TopUnit – STU).

В зависимости от организации домовой сети абонентское оборудование имеет сетевой интерфейс Aj или Aj*. Функцию преобразования сетевого интерфейса в независимый от сети интерфейс Ао выполняет блок сетевых интерфейсов NIU. Подключение терминалов пользователя к интерактивной сети осуществляет абонентский блок STU, реализующий со стороны сети интерфейс Ао. Интерфейс Ао имеет сложную организацию и подразделяется на три шины:
•          высокоскоростная шина данных нисходящего потока;
•          двунаправленная шина ячеек ATM;
•          шина местного управления.

Магистральные транспортные сети

МСКТВ позволяют объединить в единое информационное пространство большое число различных систем, включая сети КТВ, корпоративные сети ПД и ПД ОП, Интернета, ТфОП и другие сети.

Магистральная транспортная сеть МСКТВ строится, как правило, по кольцевой схеме. Пример ее создания с оптическими волокнами, раздельными для распределения широковещательных программ и обмена интерактивными данными, приведен на рис. 5. На головных станциях (ГС) сети устанавливаются высокопроизводительные АТМ-коммутаторы, обеспечивающие выход как в кольцевую сеть SDH, так и во взаимодействующие сети: Интернет, ТфОП, СПД ОП, а также к провайдерам других услуг.

Рис. 5. Кольцевые магистральная и субмагистральная сети
^{Нажмите на картинку для увеличения}

Магистральная сеть МСКТВ, выполненная на базе оптоволоконных линий связи, состоит из двух независимых подсетей – распределительной (для передачи широковещательных аналоговых и цифровых программ ТВ) и наложенной транспортной цифровой подсети (для передачи интерактивных данных). С целью передачи широковещательных программ используются отдельные волокна, а для организации дуплексного канала передачи данных – пара других волокон. В качестве разветвительных элементов на ВОЛС используются магистральные ответвители, в состав которых входят оптические кросс-коннекторы и синхронные цифровые мультиплексоры (SDM).

Магистральные ответвители берут на себя все функции по добавлению, удалению и транзиту информации. Эти модули имеют двунаправленные электрические и оптические интерфейсы STM-1. Наличие стандартных интерфейсов обеспечивает возможность передачи цифровых потоков по различным типам взаимодействующих сетей. Магистральные ответвители рассчитаны также на передачу IP-потоков от стандартных АТМ-сетей.

На основе международных стандартов

Вся обработка цифровых сигналов базируется на существующих международных стандартах для MPEG-2, ATM и SDH. MPEG-2 является оптимальным методом компрессии цифровых видеосигналов для передачи по сетям SDH. Особенности SDH-структур позволяют иметь практически неограниченное количество каскадно включенных магистральных ответви-телей. Это гарантирует перспективу построения крупных городских сетей большой протяженности.

Непосредственно к магистральной транспортной сети МСКТВ примыкает субмагистральная волоконно-оптическая сеть, строящаяся также по кольцевой схеме и включающая в себя оптические субмагистральные ответвители (СМО), к которым подключаются оптико-волоконные узлы (ОВУ).

Оптико-волоконный узел является оконечным устройством волоконно-оптической магистрали МСКТВ и обеспечивает переход от оптоволоконной к коаксиальной части. ОВУ располагается в непосредственной близости от группы обслуживаемых домов или прямо в большом многоквартирном доме, что сокращает длину коаксиальных линий распределительной сети, уменьшает количество усилителей и влияние помех.

ОВУ преобразует оптические сигналы в электрические и, наоборот, электрические сигналы – в оптические. Кроме того, он разветвляет электрические сигналы прямого потока на несколько направлений коаксиальной части МСКТВ (обычно на 4 направления). В ОВУ предусмотрено предварительное разветвление оптических сигналов на 4 составляющие (волны) по технологии WDM или HDWDM. В этом случае число коаксиальных направлений распределительной сети будет составлять 16. При использовании оптического волокна в магистральной и субмагистральной сетях МСКТВ очень важно полностью использовать его ресурс. Для этого применяются, помимо технологий спектрального уплотнения WDM или HDWDM, технологии SDH и ATM, обеспечивающие высокие скорости передачи информации (155, 622 Мбит/с и 2,5 Гбит/с).

Большая гибкость волоконно-оптических магистральных транспортных сетей позволяет реконструировать сеть SDH, что особенно важно для построения МСКТВ в крупных городах с миллионным населением. Использование оборудования SDH в качестве базовой системы передачи гарантирует взаимодействие с существующими цифровыми и аналоговыми сетями. Для построения трассы магистральной сети МСКТВ допустимо применение кабельной канализации и линий метрополитена. В некоторых случаях трассы могут прокладываться по воздуху между домами.

Иногда волоконно-оптическую часть МСКТВ целесообразно иметь полностью кольцевой структуры, в которой и РЦ МСКТВ, и ОВУ соединяются волоконно-оптическими линиями. Такая сеть, показанная на рис. 6, обладает большей надежностью за счет использования двойных колец и более экономична из-за уменьшения длины волоконно-оптических линий. Однако выбор структуры определяется конкретными условиями, имеющимися в данном регионе.

Рис. 6. Кольцевая структура волоконно-оптической части МСКТВ
^{Нажмите на картинку для увеличения}

Системы абонентского доступа способны строиться на основе использования систем кабельных модемов (СКМ), set-top box (STB) или их комбинаций. Наибольшее распространение получили системы кабельных модемов. В комплект оборудования абонентского доступа на основе СКМ входят:
•          кабельный контроллер, расположенный на ГС;
•          кабельный модем абонента;
•          система управления.

Кабельные контроллеры представляют собой оборудование, предназначенное для организации цифровых наложенных служб передачи данных и речи на базе сети КТВ. Их работа регламентируется стандартом IEEE 802.14. Последний описывает асимметричную двунаправленную передачу сигналов, которая допускает для прямых каналов соединения типа "точка – множество точек" с обобщенной топологией доступа разветвленного дерева, а для сигналов обратного канала – соединения типа "множество точек – точка" – с топологией шинного доступа. Цифровые сигналы прямого канала формируются кабельным контроллером и совместно с широковещательными сигналами передаются в прямой канал магистрального кабеля. Ширина полосы прямого канала принята равной 8 МГц, исходя из параметров телевизионной частотной сетки. Для передачи цифровых потоков прямого канала применяется 4-, 16- или 64-по-зиционная квадратурная амплитудная манипуляция, что позволяет передавать в полосе 8 МГц цифровой поток со скоростью 30 Мбит/с.

Сигналы обратного канала формируются абонентскими кабельными модемами и "восходят" к контроллеру головной станции по общей распределенной среде. Поскольку обратный канал целиком предназначен для передачи цифрового трафика, нет никаких системных ограничений на ширину обратного канала. Согласно стандарту IEEE 802.14 ширина полосы для одного цифрового канала в обратном потоке установлена в 1,8 МГц. Из-за высокого уровня шумов в обратном канале, в основном, применяется 4-позиционная фазовая модуляция, что позволяет передавать в одном канале цифровой поток со скоростью до 2 Мбит/с. Рассмотренная технология широко применяется в мире для построения многофункциональных интерактивных систем массового информационного обслуживания. Операторы КТВ во многих городах России также принимают эту концепцию в качестве стратегической для развития своих сетей [1-2].

Литература

1. Барабаш П.А., Воробьев СП., Махровский О.В., Шибанов B.C. Мультисервисные сети кабельного телевидения. – СПб.: Наука, 2000.

2. Барабаш П.А., Воробьев СП., Махровский О.В., Шибанов B.C. Мультисервисные сети кабельного телевидения. 2-е издание. – СПб.: Наука, 2004.

3. Барабаш П.А., Воробьев СП., Махровский О.В. От кабельного телевидения к мультисервисным сетям // Broadband. Кабельное телевидение и мультисервисные сети. 2004.

Вып. 2.

4. Воробьев СП., Махровский О.В., Шибанов B.C. Кабельное телевидение как основа развития широкополосных мультисервисных сетей / /Телекоммуникационные технологии.

2005. Вып. 1.

5. Воробьев СП., Махровский О.В. О выборе технологии для сетей следующего поколения // Век качества. 2006. Вып. 4.

6. Кривошеее М.И., Федунин В.Г. Интерактивное телевидение. – М.:Радио и связь. 2000.

7. Зубарев Ю.Б., Кривошеее М.И., Красносельский И.Н. Цифровое телевизионное вещание. Основы. Методы. Системы. М.: НИИР, 2001.

8. Кривошеее М.И. Новый подход к массовой многоцелевой интерактивности // Электросвязь. 1997. № 5.

9. Воробьев СП. Технология и методологические основы проектирования системного алгоритмического обеспечения сетей передачи информации // Средства связи. 1989. Вып. 3.

Опубликовано: -2008
Посещений: 43346

Автор