Статья рассчитана на кабельных операторов.

Принцип работы интерактивной КСКТП

В настоящее время подавляющее большинство вновь строящихся КСКТП использует частотный диапазон 5 – 862 МГц. При этом большая часть выделенного диапазона используется для передачи сигналов в прямом направлении (downstream), т.е. от головной станции (ГС) к абонентам (рис.1), и значительно меньшая низкочастотная часть – для передачи сигналов в реверсном (обратном) направлении (upstream) – от абонентов к ГС. КСКТП, у которой задействован (активизирован) реверсный канал, называется интерактивной. Интерактивность является “изюминкой” любой КСКТП, вне зависимости от частотного диапазона, и позволяет существенно увеличить прибыль оператора за счет предоставления дополнительных услуг (помимо традиционных телевизионных каналов) абонентам. 

Для предоставления дополнительных услуг используют стандартные TV каналы, по которым транслируют цифровые сигналы в прямом и реверсном направлениях. В составе головного оборудования устанавливается головная станция кабельных модемов – CMTS (Cable Modem Termination System), соединяемая с одной стороны (по низкой частоте) с провайдерами услуг, а с другой стороны (по высокой частоте) – с HFC (Hybrid Fiber-Coaxial - гибридной оптико-коаксиальной) сетью. У абонента (или группы абонентов) устанавливается кабельный модем (СМ – Cable Modem), на выходе которого восстанавливается исходный сигнал (рис.2).

Таким образом, любая двунаправленная кабельная сеть уже потенциально является интерактивной. При этом, если в вашем распоряжении имеется устаревшая сеть диапазона 47 – 240 МГц , то она быстро и экономично, может быть превращена в интерактивную сеть диапазона 10 – 300 МГц с потенциальным числом TV каналов до 29. 

Остановимся на этом вопросе подробнее. Все магистральные разветвители российско-го производства (серия ОМ ) успешно работают в диапазоне частот 10-300 МГц. Для использования этой полосы следует только заменить старые магистральные усилители на модели, работающие в этой полосе и обладающие повышенным коэффициентом усиления, который будет компенсировать рост потерь на частотном отрезке 240-300 МГц. Специально для такой модернизации компанией «СтандарТелеком» были разработаны усилители УМ-GPV-851R. Они обладают высоким коэффициентом усиления 28/35 дБ (магистральное/домовое использование), повышенным уровнем выходного сигнала (114 dBmV на 30 каналов) и коммутируемым кабельным эквалайзером на диапазон 5-300/862 МГц. Подробнее ознакомиться с техническими аспектами использования таких усилителей в устаревших кабельных сетях можно в [1,6,7]. 

Абонентские разветвители российского производства (серия ОАР) работает только в полосе 40-300 МГц. Поэтому предлагаемый вариант модернизации предусматривает коллективное использование модемов, с установкой одного модема на дом. Такой вариант подключения не только исключает необходимость замены домовой разводки, но и снижает шумы ингрессии, наводимые абонентами в сеть. Подробнее он будет рассмотрен ниже .

Видами предоставляемых услуг могут быть практически все услуги, предоставляемые по другим кабельным сетям. Наиболее востребованными являются следующие виды: 

• Internet
• Телефония
• Системы видеонаблюдения
• Пожарная и охранная сигнализации
• Диспетчеризация коммунальных услуг
• Видео по требованию (VoD – Video-on-Demand)
• Видео игры
• Видео конференции

Высокоскоростной доступ в Internet пользуется наибольшей востребованностью, простоте реализации и максимальной прибыльностью. Число активных пользователей Internet неуклонно растет. Еще в большей степени растет требование к скорости передачи запрашиваемой информации. 

Телефония также пользуется спросом у населения. Однако процент подключаемых абонентов зависит от уровня телефонизации конкретного региона. Кроме того, телефония требует значительно больших частотных ресурсов (весьма ощутимых в реверсном канале). Как минимум, абонентам, пользующимся услугами телефонии (PSTH – Public Switched Tele-phone Network), должна предоставляться выделенная скорость (QoS – Quality of Service). 

Системы видеонаблюдения требуют еще большей полосы частот в реверсном канале. Вся собираемая информация от контролируемых объектов (обычно от 1 до 16 видеокамер на объект - лифт, входная дверь, детская площадка, автостоянка и т.п.) по реверсному каналу поступает на центральный видео сервер, располагаемый в составе головного оборудования (ГО), с последующим перераспределением на пункты видео наблюдения, включая самих абонентов. На величину полосы выделяемых частот влияет не только число камер, но и их тип (в первую очередь цветность и наличие звукового сопровождения), частота сканирования (число кадров в секунду) и тип местного сервера (выполняющего также функцию мультиплексера видео потоков), соединяемого с СМ, посредством которого мультиплексирован-ный сигнал поступает на ГС. В составе ГО устанавливается самостоятельная CMTS, принимающая видео потоки с реверсного канала и формирующая поток(и) в прямом направлении. На пунктах сбора информации устанавливаются СМ в комбинации с демультиплексером и последующей передачей видео сигналов на контрольные мониторы. Иногда для служебных видео потоков используют систему кодирования. Конфигурация системы видеонаблюдения может сильно разниться в зависимости от поставленных требований и типа используемого оборудования. 

Система пожарной и охранной сигнализации (СПОС) не требует широкой полосы частот, но является довольно “дорогим удовольствием” в силу большого числа датчиков. Система пожарной сигнализации (ПС) должна обеспечивать: фиксацию пожара на ранней стадии и места его возникновения с автоматическим оповещанием и выводом информации на дисплей диспетчерского поста (ДП); архивацию событий; автоматический контроль работоспособности СПОС; возможность индивидуальной проверки датчиков; сигнализацию о срабатывании сплинкерной системы пожаротушения, об отключении энергоснабжения пожарных насосов, о прекращении внешнего энергоснабжения; возможность выполнения функций дистанционного контроля и управления технологическим оборудованием (например, включение/отключение сплинкерной системы пожаротушения, блокировка/разблокировка портов и т.п.) и т.д. 

Проектируемая ПС должна удовлетворять требованиям СНиП 2.04.09-84 “Пожарная автоматика зданий и конструкций”. 

Система диспетчеризации (СД), управления и мониторинга систем инженерных сооружений предназначена для создания многоуровневых (абонент, объект, ТЕЦ и т.д.) автоматизированных систем контроля и коммерческого учета всех видов энергоресурсов в энергосистеме города с возможностью дистанционного управления технологическими процесса-ми [1]. 

Как минимум, СД должна позволять: автоматическое измерение, сбор данных и создание архива потребления тепловой, электрической энергии, газа и холодной воды; отображение данных о потреблении энергоресурсов и состояния технологического оборудования на мнемосхемах, в виде графиков, гистограмм, таблиц и т.п.; формирование отчетных форм требуемой конфигурации и вывод документов для расчета за потребляемые энергоресурсы. 

Условная функциональная схема построения интерактивной СД приведена на рис.3. ДП размещается в любой точке КСКТП, на любом удалении от ГС. В него входит СМ и компьютер (РС) с программным обеспечением по контролю, управлению и проведению расчетов по каждому из видов предоставляемых услуг по установленному тарифу. 

Сигналы с радиочастотных датчиков (имеются варианты использования электронных датчиков с подключением по витой паре) поступают на домовой концентратор (формирует команды с каждого датчика) и далее на СМ. Сформированные сигналы по реверсному каналу поступают на ДП, где осуществляется их обработка, электронная запись и хранение. При необходимости, вся поступающая информация может быть распечатана на принтере (с учетом установленных расценок для каждого абонента). 

Такие СД используют помехоустойчивое кодирование, благодаря которому возможна работа в низкочастотной части диапазона реверсного канала (наиболее зашумленная область). Опыт эксплуатации СД (г. Москва, Митино) показал, что в связи с отсутствием жесткого закона о несанкционированном подключении к коллективной кабельной сети, некоторые хакеры взламывают систему доступа и самостоятельно устанавливают любые показания радиочастотных датчиков. Однако, с внедрением помехозащищенного стандарта DOCSIS (BPI+), защищенность таких СД резко возрастает. 

Услуга Видео по требованию не нашла пока широкого распространения ни за рубежом, ни в России. Скорее всего, это вызвано высокой суммарной стоимостью целого комплекса оборудования (включая и абонентское). Следует надеяться, что с широким внедрением DVB, данный вид сервиса найдет должное применение. 

Видео игры и видео конференции все более распространяются благодаря применению традиционной Internet-технологии, используемой в КСКТП. 

Требования к прямому и реверсному каналам 

В настоящее время для внедрения услуг интерактивного сервиса по традиционным КСКТП наибольшее распространение получил американский стандарт DOCSIS (Data-Over-Cable Service Interface Specifications). Все версии этого стандарта (сейчас широко используется версия 1.1 и начинает внедряться версия 2.0) можно найти на сайте [2]. 

Требования стандарта DOCSIS сформулированы таким образом, что его внедрение возможно практически в любых КСКТП любого частотного диапазона Стандарт DOCSIS ориентирован на американскую частотную сетку расстановки каналов (полоса канала 6 МГц, частотный диапазон реверсного канала 5 – 42 МГц). Но в целях расширения сферы действия стандарта, в нем приводится и европейская версия (EuroDOCSIS) с ссылкой на CENELEC EN 50083 (полоса канала 8 МГц, частотный диапазон реверсного канала 5 – 65 МГц). Применительно к российским сетям, наиболее целесообразно использовать EuroDOCSIS (полоса канала 8 МГц). Европейская версия стандарта, при выполнении требований CENELEC EN 50083 [3] или отечественного стандарта [4], позволяет в одном канале прямого направления при использовании формата модуляции 256 QAM получить скорость цифрового потока 55.6 Мбит/с .Для достижения максимальной скорости цифрового потока в реверсном канале (RC) величиной 10.24 Мбит/с (максимальная полоса канала 3.2 МГц), необходимо, по крайней мере, позаботиться о реализации отношения несущая/шум (тепловые шумы, шумы ингрессии и интермодуляционные помехи) не менее 22 dB. Именно это требование и вызывает максимальные затруднения при активации реверсного канала. 

Оборудование, разработанное в соответствии с основным стандартом DOCSIS, так-же может использоваться в российских сетях, но при условии, что оно поддерживает частотный план OIRT. Правда, его возможности для европейских сетей не оптимальны. В частности, максимальная скорость передачи будет несколько меньше, около 43 Мбит/с , а требуемое отношение несущая /шум на входе приемника обратного канала несколько выше - 25 дБ .

Важно также отметить, что максимальный уровень сигнала с выхода СМ может дос-тигать величины 118 dBmV (для QPSK) или 115 dBmB (для 16QAM).

Головное оборудование. 

За ГС устанавливается комплекс компьютерного оборудования, связанного в локальную сеть. Подключение локальной сети к Internet, как правило, осуществляется по выделенным линиям ТЗ (44,736 Мбит/с) или Е3 (34,368 Мбит/с) через пограничный шлюз (маршрутизатор), имеющий соответствующие интерфейсы. Кабельный оператор должен внимательно отнестись к выбору шлюза, так как именно на это устройство возлагается функция защиты локальной сети от несанкционированного доступа из Internet. 

Локальная сеть может иметь сколь угодно сложную структуру, однако для предоставления интерактивных сервисов достаточно, чтобы в нее входили следующие устройства: 

• Ethernet-коммутатор – является центральным коммутационным узлом локальной сети, к нему подключаются все остальные устройства: серверы, CMTS и пограничный маршрутизатор. Коммутатор в совокупности с управляющим сервером также может использоваться для разграничения доступа абонентов к различным ресурсам сети и сбора статистики доступа.
• CMTS, организующая связь между головным оборудованием и кабельной сетью. С одной стороны CMTS подключается к Ethernet – коммутатору, а с другой – к HFC.
• Сервер управления системой кабельных модемов – компьютер, выполняющий функции сервера сетевых служб. Используется для обеспечения процесса начальной загрузки кабельных модемов и для управления доступом абонентов к сетевым ресурсам. На нем также может работать система сбора статистики и биллинга.
• Серверы интерактивных услуг – различное программное обеспечение для предоставления абонентам локальных интерактивных услуг: игровые сервера, видео сервер, web-сервер и т.д.

Все виды CMTS (при условии удовлетворения стандарту DOCSIS) обеспечивают гарантированные скорости передачи. Тем не менее, они могут существенно отличаться по своим техническим параметрам и функциональным возможностям (например, надежностью, версией стандарта, предельной пропускной способностью в реверсном направлении, возможностью резервирования, системой менеджмента, видами протоколов маршрутизации и/или коммутации, техническими приемами защиты от шумов ингрессии, наличием встроен-ных повышающих конвертеров, типом питания и т.п.). Внешний вид возможной CMTS (Arris, США, CMTS 1500), представлен на рис.4. Такая CMTS ориентирована на малые и средние КСКТП с числом абонентов до 50.000.
Существуют и значительно более мощные CMTS (например, CADANT-C4, Arris, США), рассчитанные на подключение до 1.000.000 абонентов (рис.5). В любом случае, правильный выбор типа CMTS играет важную роль при внедрении услуг интерактивного сервиса и может быть выполнен только технически грамотным специалистом, имеющим практический опыт в построении интерактивных КСКТП.

Подключение CMTS для общего случая (коаксиальная близлежащая зона около ГС и коаксиальные кластеры через HFC сеть) показано на рис.6.

При этом предполагается, что в состав CMTS входит повышающий конвертер, преобразующий сигнал промежуточной частоты (ПЧ) в высокочастотный (ВЧ) сигнал требуемой частоты (канала). Частотные диплексеры реверсного канала должны обладать развязкой не менее 40 … 45 dB (например, ДЧ-30/47 или ДЧ-65/87, “СтандарТелеком”, Россия). Если в составе CMTS на входах приемников реверсного канала не предусмотрены переменные аттенюаторы, то их установка крайне желательна, т.к. они позволяют устанавливать оптимальные (расчетные) уровни входных сигналов и, как следствие, не допускать снижения уровней сигналов с выходов абонентских СМ (что влечет за собой снижение отношения сигнал/помеха). 

Некоторые CMTS имеют в своем составе не более 4-х приемников реверсного канала (демодуляторов QPSK/16QAM), что резко ограничивает их возможности по скорости в реверсном канале и снижает отношение несущая/шум (C/N = Рс/Рш) в силу суммирования шумов по нескольким направлениям (рис.7), что влечет за собой необходимость обужения полосы реверсного канала – П (например, до 0,4 МГц) и, как следствие, дополнительное снижение скорости цифровых потоков (V) в реверсном направлении согласно теореме Шеннона [5]. 

  (1)

С учетом правил логарифмирования, для Рс / Рш >>1, формула (1) может быть упрощена: 

  (2)

Так, для П = 1 МГц и C/N = 16 dB, скорость цифрового потока не может превышать 4,8 Мбит/с. 

Суммирование реверсных каналов осуществляется по схеме рис.7. С помощью переменных аттенюаторов желательно выровнять уровни подаваемых сигналов по каждому из направлений с допуском не хуже  1 dB. В противном случае начнет работать встроенная система АРУ в CMTS, которая вследствие своей инерционности будет не оптимально регулировать уровни сигналов, поступающих с разных направлений . Это может привести к сбоям в приеме и, в результате, вызвать существенное снижение быстродействия системы.

Абонентское оборудование 

У абонента устанавливается абонентский кабельный модем (CМ), реализующий интерфейс между сетью и абонентским оборудованием (например, телефон и персональный компьютер - РС). Упрощенная структурная схема СМ приведена на рис.8. Анализ параметров и функциональных возможностей абонентских СМ показывает, что по своим техническим параметрам все СМ от разных фирм-производителей весьма близки и удовлетворяют требованиям стандарта DOCSIS любой версии (в настоящее время большинство производителей сертифицируют СМ на DOCSIS v.2.0). 

Перед началом работы СМ проходит процедуру инициализации, которая реализуется автоматически, без участия пользователя, и занимает обычно не более 2-3-х минут. После подключения к сети, модем начинает сканировать спектр прямого канала в поисках 64- или 256QAM модулированной несущей, на которой от CMTS передается служебная информация, необходимая для начала работы. В процессе инсталляции на СМ поступают команды об установке несущей частоты в реверсном канале, необходимом уровне выходного сигнала и на-значения временных слотов, для исключения коллизий в обратном канале. В процессе инсталляции в СМ загружается рабочий конфигурационный файл, который и определяет по-следующее рабочее состояние СМ. Если кабельный оператор использует в своей сети базовую систему защиты DOCSIS (BP – Baseline Privacy) – способ защитного кодирования трафика (что весьма желательно), то модем дополнительно должен пройти ВР инициализацию. После проведения всех шагов инсталляции (осуществляется с CMTS) СМ переходит в основной рабочий режим. 

Коллективный модем в простейшем случае представляет собой комбинацию абонентского СМ, коммутатора на N направлений (обычно не более 12…16) и мультимедийных адаптеров (MTA – Multimedia Terminal Adapter), позволяющий использовать его для мультисервисных приложений (например, IP телефония и высокоскоростной доступ в Internet). 

К недостатку использования коллективного СМ следует отнести невозможность предоставления ранжированным абонентам услуги QoS, предусмотренной версией 1.1 и выше, а также практическую невозможность обеспечения безопасности передачи информации.

ЛИТЕРАТУРА
1. Песков С.Н., Шишов А.К.. Современные кабельные сети коллективного телевизи-онного приема. (CD носитель, ЗАО «В-ЛЮКС»), 2002г., 576 с.
2. http://www.cablemodem.com/specifications.html
3. European Standard CENELEC EN 50083. Cabled distribution systems for television, sound and interactive multimedia signals.
4. ГОСТ Р 52023-2003. Сети распределительные систем кабельного телевидения. Ос-новные параметры. Технические требования. Методы измерений и испытаний.
5. Зубарев Ю.Б., Кривошеев М.И., Красносельский И.Н.. Цифровое телевизионное вещание. Основы, методы, системы. НИИР, 2001г., 568 с.
6. Песков С.Н., Шишов А.К., Людвиг В.А. УМ-GPV851R: новый универсальный усилитель для КСКТП российской фирмы «СтандарТелеком». «Телеспутник», 2000г., № 11, с.52-53.
7. Песков С.Н., Шишов А.К., Людвиг В.А.. Экономично модернизируем кабельную сеть. С чего начать? «Телеспутник», 2000г., № (утерян журнал. Не помню номера).