有线电视宽带网络结构
光技术的快速发展给有线网络带来了革命性的变化，有线网络需要考虑所有业务(E-mail、语音、视频等)的基带传输(模拟的和数字的)以及IP数据传输的特性。问题的关键是能提供一个灵活的、可升级的而且在未来若干年内能够使用的网络。有线电缆正通过提供新的和强制性的业务来解决这“最后一英里”的问题。
本文的焦点是放在物理层或者实际的网络。与任何其它的网络相比，宽带有线电视使光纤应用于网络之中。其目标是建成特定宽带业务网。有线网络开创性地把光纤和传统的同轴电缆结合在一起成为一个混合网络。这个混合光纤同轴(HFC)网络对于有线网络来说具有战略上的重要性。光纤把模拟和数字电视从前端向终端发送。该技术目前可把光纤信号往用户家庭的几英里范围内发送。同轴电缆再把宽带业务传送至家庭。最后一英里的同轴电缆被用于支持譬如电话之类的可选业务的传输媒体。
有线运营商已经把同轴电缆网络进行升级以支持双向通信，从而使用户可以享受他们的多项服务,这当然要追加投资。当新的HFC网络完全实现后，将具有许多好处，它们包括:
?有线电话的能力
?高速Internet接入
?有线电视频道数目的增加(超过200个模拟的和压缩的数字频道)
?利用机顶盒的视频点播(VOD)能力?交互式电视
?为满足新的数字电视标准而建立的基础结构，所有标准都是基于HFC骨干网。
本文将阐述两种HFC网络结构：“供电范围节点”(PDN)和“小型光纤节点”(MFN)。PDN结构或类似的变种是北美配置的HFC网络的主要代表，它能支持许多新的业务。PDN与其它HFC结构的不同之处在于，节点的大小并不是由固定用户数决定的，而是由光纤节点接收机的数量决定的。RF放大器和网络用户终端可以由单个网络供电(AC)。MFN是网络发展的下一步，它表现了一个深层次光纤结构。MFN是非常重要的，因为它可去除同轴有线电缆段上所有的放大器(除了必不可不的以外)。这不仅仅增加了可靠性，而且还保证了宽带业务所需要的带宽。首先，本文将定义一些术语和有线电视产业和正在建造的HFC网络的相关信息。
2.传统的同轴有线电视网络
一个简单的有线电视系统从前端到终端,包括接收卫星等电视信号源的接收设备。从这些源来的信号将通过有线网络发送。然后被放大,再把模拟视频传送给传统的全同轴有线电缆网络。
有线电视系统是基于载波的，每套节目均占用一个载频。载波的幅度是不断变化的，这叫幅度调制(AM)。所有的视频信道将在一个频分多路复用器(FDM)内合并起来，北美每个载波距离是6MHz。有线电视系统以两个方向传送信息，一个是向用户传送，称为前向路径(或称下行)，另一个是从用户那里来，称为反向路径(或称上行)。在美国，前向信道被放置在54MHz以上的频率上，而5到42MHz 之间的频率就被分配给反向信道。
显示了一个代表性的有线电视袭用的传输频谱，它的前向路径信道达到了860MHz。在前向路径，模拟信道是从54到550MHz，而数字信道是从550MHz到
有线电视网络是由三个主要部分构成的:干线、馈线和引线。干线是用于覆盖广大的距离，经常超过10英里。当干线是由同轴电缆组成时，那么每2000英尺就需要一个放大器。令人吃惊的是，有线电视系统的干线部分只占了整个系统总长度的百分之十二。放大器的级联限制了带宽，典型的级联具有20到40个放大器。因为每个放大器都是有源部件，所以每个放大器都会给信号加入噪声和非线性失真，并且会带来放大器链的不可靠性。
有线电视系统的馈线部分面向用户的接口。它最大的长度约为1.5英里。这一限制是因为RF能量被分配对各个家庭进行馈送。因此，RF电平与在长距离干线部分的电平相比,要相对更高一些。这些更高电平进入了放大器的非线性区。结果，导致质量指标下降。在有线电视系统中，大约百分之三十八的长度是馈线部分。
引线是从分散的馈线进入家庭的同轴电缆。它最大的长度为400英尺，但在典型情况下要少于150英尺。一个有线电视系统中的大约一半的长度是引线和家庭中的布线。有线电视系统中的馈线部分是变化很平凡的部分。每天都有新的用户增加，和老用户退出。美国每年大约有20%的人搬往新的住处。这样就造成20%的用户数波动。对于馈线而言，支持这一持续不断的用户数波动是非常重要的。它必须使网络具备工作有效性、物理健壮性并且易于配置。
图1. 一个有线电视系统传输频谱
放大器被用于补偿传输电缆和信号分配器、分支器的频率失真。因为放大器的电路是单向的，所以放大器单元必须先在两个方向上分离信号流。信号分离是利用双工器电路进行的。在经过双工之后，每个信号被放大，然后利用同样的双工器连接到同轴电缆上。
总而言之，这些早期的有线电视网络向用户发送模拟视频信号是非常好的。但由于放大器的级联，这些网络并不适合于实时的双向高带宽业务，最主要的是网络中单收集点聚集所有回传信号的漏斗效应。使之从80年代中期陆续开始实施光纤同轴电缆混合(HFC)传输结构。
3.混合光纤同轴(HFC)有线电视系统
因为有线电视和通信公司不断努力引入新的业务，必须找到一个合理的成本提高网络容量的方法。这个困难问题的一个极其出色的解决方案,就是HFC系统中的光电子学的实现。光电子学技术在高容量交互式多媒体传输所需的HFC网络的发展上具有极其巨大的影响。这种技术的引入使得最初为视频业务而设计的网络能够为各种交互式视频、数据和语音业务提供可靠的带宽。
HFC结构使以一种成本高效的方式提高带宽、信号质量和可靠性成为可能，这种方式能够减少维护成本和保持操作人员界面友好性。它使两种业务成为现实。在干线部分覆盖低损耗的光纤能够去除干线上的放大器。这也就使同轴电缆大大缩短，典型的是四到六个放大器。这样带来的好处包括大大减少放大器中断的脆弱性、减少带宽限制和由于放大器串联而导致的噪声积累,以及大大简化输入部分。采用双向传输有两个原因。第一，光纤本身不再是干扰信号的入口了。第二，有线电视系统被分割成大量的小型有线电视系统，而且这些小型系统彼此隔离。如果在某个小型有线电视系统入口形成干扰的话，该干扰将不会削弱整个有线电视系统其它部分的性能。
有线电视信号的光传输用单模光纤来完成，该光纤在1310nm的波长处大约有0.35dB/km的衰减，在1550nm的波长处大约有0.25dB/km的衰减。激光波长的
的同轴电缆的最后一英里。光纤延伸的结构使节点大小变为50个家庭，这与一个有500个家庭的节点相比,就能够使用户潜在地产生多出10倍的交互带宽,这是由于具有了使用小范围广播频谱的能力。AT&T宽带已经提出了这样一个网络的实现计划，并把它叫做LightWire结构。在这个结构中，同轴电缆段基本上所有的放大器都被去除了(除了那些在节点接收机内部的)。只有无源的同轴电缆才被用于向用户家庭传送信号。这种最终的同轴电缆也被用于电路交换或IP上的语音(VoIP)业务的家庭终端的网络电力供应。这种结构特性保持了对各种不同信号格式和协议对整个HFC网络的透明性，因此它完全支持目前业务的已有的操作。
工业界面临的另一项挑战,是在减少不断增加的成本的同时，为未来的业务扩展和增长提供灵活性。为了解决这个问题，在它们的地理位置的基础上，MFN 与三条光纤以雏菊链的方式相连：一个携带下行流的广播信号，一个携带剩下的下行流小范围广播信号，一个携带上行流信号。这种拓扑技术实现了光纤总线(物理的)结构。它的好处是简化了处理并减少了相关成本，以及带来了未来扩展的灵活性(光纤总线以后可以扩展以覆盖更多的区域)。分析显示，这种结构的成本与传统的HFC网络的成本相同。
在物理总线的基础上，逻辑星型或总线操作都可以实现。譬如在使用反向传输的情况下，每个MFN能够进行循环功能以实现总线操作。另一方面，利用WDM 技术，逻辑星型可以由不同波长携带的每个MFN来实现反向传输。
7.结论
线性光波技术使得在HFC基础结构上的RF副载波链路得以实现。这种端到端的透明链路,为有线电缆提供了许多不同的业务传输机制和新的业务机会。本文中举例说明的PDN和MFN是HFC网络结构的两个高级的例子。
MFN的下一步甚至会更加令人兴奋。这种网络将使得HFC有线网络能够向用户提供接近对称的数字带宽，包括向住宅用户和商业用户提供交换10Mb/s和100Mb/s业务的能力。这种额外的带宽将通过减少有线电视系统上的模拟信号的数量来获得，为数字业务释放出更多的容量。这些数字业务将包括视频和数据。
这些网络将显示出无源光网络(PON)的许多特性，但是成本却低得多。不但新的业务机会将成为现实，而且网络本身也将变得更加可靠。
为了达到端到端的可管理宽带业务的潜能，基础网络必须发展成能够支持几乎无处不在的高速对称带宽。有线HFC网络正处在提供这些能力的轨道之上。随着光电子技术的不断发展，HFC将能够提供最容易升级的高带宽网络。