宽带网络的“窄”问题
2019-11-03 09:00:30
供稿：网友
蔡晓栋
目前有线电视网络正朝着业务综合化、数字化发展，其中双向数据通信越来越多，作为现代通信领域的重要技术之一的CRC算法，目前除了在计算机网络、电信网中应用，还可以在HFC网络的软硬件通信设备中得到充分的应用。CRC自身机制确保有效克服恶劣的网络通信环境的干扰，有效降低通信误码率，实现信号的正确传输，保障了网络业务的开展，因此，CRC数据校验技术作为提高数据传输质量、高效检错的有力手段，将在HFC中大有用武之地。
传统意义上，我们将有线电视HFC网络定义为宽带网络，是信息高速公路的“最后1 km”，而将电信的固话网络定义为窄带网络，因为它仅能提供简单的语音和低速的数据服务。但从多年的发展和运营来看，HFC网络的宽带特性并不明显，业务的发展远落后于固话网络的一次又一次变革，尤其是在固话网络xDSL技术不断发展的今天，HFC网络承受着巨大的挑战，宽带的优势正在面临着严重的威胁。究其原因，是HFC的宽带特性在实际应用上和我们的预期有些出入，HFC并不是完全意义上的宽带网络，它也有其一定的局限性和弱点，各种不可回避的问题，使HFC网络变“窄”了。
1HFC网络拓扑结构使其成为一个“窄带”的网络
我们将HFC网络定义为宽带网络，是从光缆和电缆的特性而言的。毫无疑问，从带宽特性来说，光缆是宽带网络使用最广泛的干线、超干线传输媒介，是被各个通信运营商用得最为广泛的宽带传输媒介，HFC网络被称为“宽带”网络的根本原因在于采用了同轴电缆作为最终的入户媒介。单纯地从传输媒介而言，相对于固话网络双绞线，同轴电缆的频带特性确实称得上是“宽带”，但这是仅就电缆本身特性得出的结论，并不能就此说HFC网络就是完全意义上的宽带网络。
我们熟知的传统HFC网络采用的都是星树型的拓扑结构，前端提供所有的信号源并经光电转换，从前端发送光信号到各个光节点，各个光节点往下全部采用同轴电缆进行电信号的分配，可以看出，所有的用户分享的是前端的带宽。所以，对于1个550 MHz或750 MHz的系统，真正平均到每个用户的带宽有限，前端覆盖的范围越大，服务的用户越多，实际的网络带宽越“窄”。
过去，我们经常这样对比：HFC网络是个550 MHz或750 MHz的宽带网路，而固话网络只是传输3.4 kHz语音的窄带网络。这种对比其实还仅仅是对电缆传输特性的对比，而并未从网络的整体考虑，事实上，所谓的固话网络3.4 kHz是单个用户的带宽，而HFC的550 MHz或750 MHz是网络的总体带宽，两者并不完全可比。过分强调这样的对比，只能影响我们对网络发展的思考。2噪声的存在使HFC网络变“窄”
我们可以将HFC网络上的噪声简单划分为内部噪声和外部噪声。内部噪声包括放大器中的热噪声、散粒噪声，光设备的量子噪声等。外部噪声主要分为两部分，一部分是来自于用户终端的噪声，这部分噪声和信号混叠在一起，当它们落在同一个频带内，很难进行控制；另一部分是来自于传输线路的侵入噪声，如各种电器设备产生的瞬时脉冲、各种无线通信设备产生的持续的电磁干扰等。外部噪声是不可预知、不可控的，而内部噪声中，传输器件的噪声是可预知的，而来自用户终端的噪声也有很多的未知性。
HFC网络结构不同于固话网络，固话网的传输线路是平衡传输，有较强的抵御外部干扰的能力，而同轴电缆采用的是非平衡的传输方式，抗干扰能力弱，当屏蔽层导体接地不良时，问题更加突出。对于HFC网络的星树型拓扑结构，在上行信道上是个汇聚的网络，带来的问题就是噪声的叠加，同轴电缆的传输长度越长，噪声控制能力越差。按照当前的频谱规划，5～65 M为上行频带，事实上，在很多地方，由于大量噪声的存在，5～30 M基本不能被使用，30 M以上也仅部分可用，这就使得可用带宽被大大缩减；另一方面，也正因为噪声的存在，使得调制方式受到限制，例如，在很多的运营网络中，上行只能采取QPSK等低效率的调制方式，下行一般只能采用64QAM，所以，不仅HFC的可用带宽受到了限制，传输速率也受到了限制。
3信息的有效性使HFC网络变“窄”
宽与窄，是相对于业务方式而言的。传统上，我们将电视业务看作是宽带业务。就模拟电视而言，1套电视占用8 MHz的频带，即便数字电视，一套节目的码率基本也大于4 Mbps，要用固话的双绞线同时传送数十套电视节目，显然是不行的。所以，我们自然将HFC网络定义为宽带网络。
但我们必须看到，尽管电视业务是宽带业务，但它的业务特征是广播，所有的用户接收相同的信号，这些信号携带了大量的信息，但这些信息并不都是用户需要的或能够被用户使用的。信息的价值在于它的可用性或者有效性，虽然传统的广播电视也携带了大量的信息，但对单个具体的用户而言，并不是到达用户的所有的信号都被使用了，用户也并不是总能接收全部信息。事实上，对于用户而言，用户感兴趣的或者能被用户利用的信息只是其中很小的一部分。
对于网络来说，因为对相同的信息只需发送并且传输一次，网络的效率提高了，但对于用户来说，却是大量的无用信号占用了信道，大量的广播式业务的应用，使HFC可被利用的信道变“窄”了。
而现在的宽带网络，，是基于互联网基础的计算机信息网络，在该网络上，有价值的信息在信号中的百分比提高了，只有被用户选中的信息才会以信号的方式传送到用户端，即用户参与到了信号的传送中而不再只是被动地接收——最多就是和电视机的互动，信道的利用率被大大提高了，信息的时效性也明显提高。当然，在宽带网络上也流动着大量的无用信息，如垃圾邮件，病毒等，但这些都是人为因素，不是技术因素。
所以，从信息的有效性看，HFC网络是个信号的宽带网络而并不总是信息的宽带网络，所以当前即便是HFC网络的看家业务——广播电视业务本身也在遭受着宽带网络的冲击。
4用户密集的特点使HFC网络变“窄”
同轴网络被称为信息高速公路的“最后1 km”，被认为是三网融合的最佳入户传输媒介，所以为了开展多项业务，充分利用HFC网络的频带资源，许多运营商都对HFC网络进行了双向改造，开展了宽带业务。但从技术上说，这“最后1 km”放到实际的运营网络中，就要打个折扣了。
以目前国内大多运营商采用的DOCSIS标准为例，在一个8 MHz的频带内，能够传输的数据速率是40 Mbps，如果以１个E1，即1.554/2.048 Mbps作为宽带的底线，一个8 MHz的频带只能分配给不到30个用户同时使用。
在上行通道的3 MHz的频带内，如果采用QPSK调制方式，能够提供的数据传输速率为10 Mbps，同样，参照ADSL的性能，上行速率最大768 kbps，那么1个3 MHz的频带内，仅能供13个用户同时共享。
实际上，在大多数运营网络里，无论上行通道还是下行通道，每个通道都在被至少数百个用户共享。也许按照当前所有宽带运营商共同面对的问题，速度的瓶颈不在接入网络，而在于宽带出口，在于干线承载的压力，但随着骨干网络的不断扩容、出口的增加、本地宽带应用服务的提升，传输瓶颈最终还会落实到接入网络上来。
同轴网络将会成为信息高速公路的“最后1 km”，这个说法来自于国外，但应用到国内，这种说法并不一定准确。信息发达国家，基本都是经济发达国家，对于它们，这“最后1 km”可能就是一段传输线路，最终的用户可能就是一个，但对于国内，这“最后1 km”可能还是一个很大的分配网络，这个分配网络要分享这“1 km”上的带宽资源，从前面的分析看，由于网络拓扑、用户规模等的限制，这“1 km”的宽带事实上并不如我们想象的那样宽。
如果为了克服用户集中的问题，我们将同轴接入的半径缩小，使之成为“最后半千米”甚至更小，就失去了同轴电缆作为中长距离传输的意义了，那时也许还是双绞线的性价比更好，光纤接入则会占据高端市场，同轴电缆的压力更大。
5简单的信号处理方式使HFC变“窄”
众所周知，HFC在开展宽带业务的时候，在下行信道采取的是和电视业务一样的广播方式，即数据被发送到所有的Cable Modem上，由Cable Modem对信号进行择取，将发送到本地的数据接收下来，摒弃非本地的数据；数据的转发在工作方式上有点类似HUB。在上行信道，用户并没有独享的信道，采用的是TDM的方式分享信道，而在信号的传输上，采用的是信号混叠的方式，由于没有独占的信道，用户终端只是在某一个时刻通过该公共信道向头端发送数据，而无论是否发送数据，来自该用户终端的噪声却持续地发送到信道上，在从用户到头端之间，经过的都是分支分配器、放大器及光工作站等设备，他们对信道没有控制能力，仅简单地将来自节点下的信号通过功率叠加的方式向上传送。
从以上分析可以看出，无论是上行还是下行，使用的都是公共信道，共享同一信道的用户越多，数据的发送率就越高，但用户的实际带宽越“窄”。更为严重的是，在上行通道，任何用户终端上发生问题，都会对该信道产生影响，头端只能对公共信道进行处理，而不能够针对单个用户的终端进行处理。这样，由于某个终端可能出现的问题，也使得HFC网络可用性降低，带宽变“窄”。
综上所述，HFC网络有先天优势，也有不足，HFC网络应该走适合网络本身特点的道路，网络运营商也应从多方面认清自身的优势，而不仅仅局限于同轴的“宽带”这一特长。
（1）数字化是手段。HFC网络是为了传输广播电视而发展起来的，正因为如此，它也是最适合广播式业务的网络。但传统的模拟电视对频带的资源占用比较多，使得业务的发展空间受到限制。将模拟传送的电视数字化，对于网络自身来说，最大的好处就是能够节约很多的频带资源，一方面有效地提高了频带的利用率，把被传送广播式业务“吃”掉的带宽“夺”回来，另外一方面也有效地提高了系统的容量，便于开展更多的基本业务。按照DVB－C标准，采用64QAM调制，原来一个模拟电视频道能够提供约38 Mbps的数据速率，大多数运营商都在1个频带内提供6~8套数字电视节目，这样传送相同的节目量只需要占用原来模拟传输的1/6甚至更少的频道，或者能够用原数量的模拟频道传输6倍甚至更多的电视业务。
（2）网络拓扑优化是根本。首先缩短网络上电信号的传输距离，用光纤逼近用户。对于HFC网络，回传噪声是个“天敌”，噪声的主要来源无非两个，一个来自于用户终端，一个来自于传输线路。利用光纤，能够有效地减少来自于电缆网络的侵入噪声，而这些侵入噪声正是噪声的主要来源。光纤逼近用户还有利于将来头端的下移。其次是减少星树型分配网络的层次深度。现在还有一些网络大量采用星树型的分配方式，因为这样能够显著地节约电缆，但这种方式不适宜作为信息网的拓扑，一方面，不利于网络的维护——对任何节点的终端，都会影响该节点下的所有用户，另一方面，不利于回传电平的调整。再次，头端逼近用户。当头端逼近用户时，一方面，意味着共享头端的用户少了，每个用户可用的带宽资源多了，另一方面，有可能采用更高效率的调制方式，比如下行可以采用256QAM调制等。
（3）多种接入方式协同发展。尽管同轴电缆的带宽是明显的，但为了利用这种带宽资源所付出的代价也是巨大的，首先要进行双向改造，质量较差的网络投入的成本更大，双向网络受环境噪声的影响也很大，有着很多的未知性。其次，付出的技术成本和设备成本也是巨大的。尽管Cable Modem的价格已经降低了很多，但前端的价格仍不菲。当前的很多宽带业务的应用基础都是计算机，而五类线是计算机组网的最成熟的方式，光缆的价格及协议转换器的价格也正迅速降低，宽带网络的最终接入方式最终会归结到光缆和五类线上来，五类线的接入应当是固话双绞线接入最大最强劲的竞争对手，尽管5类线现在使用的是基带传输方式，传输距离有限，但相信将来也会有基于5类线的频带传输方式，届时，5类线的应用会更为广泛。发展不同的业务，就应当有不同的技术方式，不应当因为有HFC网而排斥其他接入方式，广电的优势不仅仅在于有同轴电缆用户，更在于广电已经树立了入户的形象和概念，广电完全能够借助自身的优势建设适合不同业务的各种网络。
摘自《中国有线电视》
