Практика расчетов КСКТП показывает, что если устанавливаемый рабочий уровень усилителя RC (входной или выходной) лежит на 10 dB ниже паспортного значения (что и наблюдается в большинстве случаев), то расчетные значения СТВ и CSO даже для 4-х каналов будут заведомо выше требований стандарта DOCSIS. Фактически, это означает, что если паспортное значение максимального выходного уровня усилителя RC составляет 112 … 118 dBµV (2 канала), то расчеты по СТВ и CSO можно не проводить. В большей части данное замечание относится к усилителям с аттенюатором, установленным на его входе.

Число абонентов в коаксиальном кластере.

Подавляющее большинство HFC КСКТП в России построены (или проектируются и строятся) из условия обслуживания каждым оптическим приемником 2000 … 3500 абонентов. Такое число выбрано из условия минимизации финансовых затрат, приходящихся на оптическую сеть. Возможно ли внедрение интерактивных услуг в таких кластерах? Однозначного ответа на такой вопрос не существует. Все зависит от видов предоставляемых услуг (в первую очередь, телефония и Internet) и реализованного значения C/N RC на входе CMTS. Более того, многое зависит от вида используемой CMTS (в первую очередь, от числа встраиваемых приемников RC).

Так, если CMTS имеет только 4 входа, то максимальная суммарная скорость цифрового потока в RC по всей КСКТП составит 41 Мбит/с (параметры передачи 16QAM: 10.24х4). А если использована CMTS с 8 входами (например, CMTS 1500, Arris), то скорость уже составит 82 Мбит/с (16QM: 10.24х8). При этом необходимо учесть, что полезная информационная скорость может составлять 50% от максимальной и менее (зависит от FEC и служебной загрузки).

В табл.1 представлены реально реализуемые скорости и максимальное число "активных" абонентов в КСКТП для CMTS с одним передатчиком, в случае пользования телефонией (64 кбит/с на абонента), из условия одновременной работы не более 40% абонентов в период максимальной загруженности.

В таблице 1 приняты сокращения: DC — прямой канал и RC — реверсный канал. Из таблицы видно, что CMTS с 4 входами не имеет резерва в скоростях по реверсному каналу ни при каких соотношениях форматов модуляции в прямом и реверсном каналах. Резерв в скоростях по реверсному каналу позволяет реализовать такие востребованные услуги, как системы видеонаблюдения и диспетчеризации (см. часть 1).

Пути увеличения скорости в реверсном канале

Каждый из кластеров в простейшем случае обслуживается простейшим оптическим узлом (ОУ — комбинация оптических приемников прямого канала и передатчиков реверсного канала), представленным на рис.1.

Рис. 1

При этом каждый из передатчиков нагружается на отдельный вход CMTS (макс. 10.24 Мбит/с на кластер). При недостаточном числе входов CMTS реверсные каналы суммируются на единый вход CMTS (макс. 10.24 Мбит/с на группу кластеров). Естественно, что при этом снижается и C/N в RC на 10lg(n), где n — число входов (рис.2), что вызывает автоматическое дополнительное снижение скорости за счет сужения полосы канала (например, с 3,2 МГц на 1,6 МГц).

Рис. 2

Некоторые ОУ имеют 4 независимых выхода и дополнительный оптический вход для формирования резервирования по направлениям. Такие ОУ, за исключением повышенной энергетики, не приносят никакого выигрыша в повышении скорости цифрового канала, т.к. все реверсные каналы суммируются на единый оптический передатчик RC. Значительно более выигрышным оказываются универсальные ОУ, имеющие в своем составе до 4 (по числу независимых выходов) передатчиков RC (рис. 3). Такие оптические ОУ выпускаются известными американскими компаниями Harmonic (HNL 3844), Ipitek (LASERSPAN-IV-C), Arris (PROTEUSTM). В каждом из таких ОУ возможна установка произвольного числа (до 4) приемников, выходных усилителей и передатчиков.

Рис. 3

ОУ данного типа позволяют не менее чем в 4 раза (а с учетом снижения шумов и расширения полосы — много больше) увеличить скорости цифровых потоков в RC. Если оптическая сеть уже спроектирована и функционирует, то имеющийся ОУ дополняется внешними оптическими передатчиками RC (например, OTRS-200, Hirschmann). Благодаря такому решению, коаксиальный кластер дробится на несколько зон. Так, например, если ОУ HLN 3844 (Harmonic) обслуживает коаксиальный кластер на 5000 абонентов (благодаря высоким техническим характеристикам, реализация такого числа абонентов не вызывает технических затруднений), то на каждые 1250 абонентов будет приходиться свой выход и передатчик RC, что эквивалентно использованию 4 параллельно задействованных традиционных ОУ (рис.1). Единственным недостатком такого решения является необходимость задействования дополнительных оптических жил (за исключением случая, когда прямой канал (DC) работает на длине волны 1550 нм, что крайне редко практикуется в России). При недостатке оптических жил возможно использование диапазонных конвертеров (ДК), легко подключаемых к любому из традиционных ОУ (рис.1). Такие ДК выпускаются, например, компаниями Arris (LLRX-400, до 4-х RC) и Ipitek (LASERSPAN-IV-A, до 12-ти RC). В стадии разработки аналогичный ДК от "СтандарТелеком" (4х5-30 МГц). Подключение ДК к имеющемуся ОУ возможно в том случае, если ОУ имеет в своем составе дополнительный вход RC и передатчик RC, работающий в диапазоне не менее 5—200 МГц (обычно это выполняется на практике). Возможная схема подключения ДК (через частотный диплексер — ДЧ) к традиционному ОУ показана на рис.4. Спектральная диаграмма представлена на рис.5 и не нуждается в пояснениях. На приемной стороне (в составе головного оборудования) устанавливается аналогичный понижающий ДК, имеющий один вход (5—200 МГц) и 4 выхода (4х5—30 МГц), подаваемых на раздельные входы CMTS.

Рис. 4

Данное техническое решение позволяет не только повышать эффективность использования выделенного частотного ресурса RC (например, 5—30 МГц), но и повысить C/N в RC не менее чем на 4 — 6 dB (что очень существенно для RC). Но отметим еще раз, что такие решения возможны только в случае достаточности независимых приемников/демодуляторов, входящих в состав CMTS (например, Arris, Cadant -4 США, до 8-ми приемников upstream).

Выходной уровень кабельного модема (СМ).

Как уже отмечалось (см. часть 2), выходной уровень СМ устанавливается по команде с CMTS (в зависимости от коэффициента передачи) и может достигать 115 dBµV (16QAM) или 118 dBµV (QPSK). Какой же уровень СМ принимать к расчетам? Важно отметить (и легко доказать), что мощность тепловых шумов (СМ, усилители и оптическая система) на входе CMTS практически не зависит от выходного уровня СМ. Но чем выше выходной уровень СМ, тем больше защитное отношение по отношению к шумам ингрессии, являющимся доминирующими в суммарных шумах RC.

Практика построения интерактивных КСКТП показывает, что оптимальным выходным уровнем СМ является величина 100—105 dBµV, что эквивалентно суммарному коэффициенту передачи (от СМ до CMTS) —40 ±5 dB и идеально согласуется с требованиями стандарта DOCSIS. Такой технологический запас в 10 dB необходим с учетом погрешностей проведенных расчетов, воздействия дестабилизирующих факторов (прежде всего, температуры) и, самое главное, — запаса на старение самой сети. Как это ни странно звучит, но сеть быстрее стареет именно в диапазоне RC, а не в диапазоне прямого канала. Прежде всего, это связано с быстрым окислением кабельных переходов и насадок (в подавляющем большинстве случаев используются дешевые переходы низкого качества). Появление окисной пленки (между соединяемыми частями) эквивалентно конденсатору, величина сопротивления которого обратно пропорциональна частоте.

Расчет и настройка реверсного канала [1]

в основном сводится к расчету C/N, CTB, CSO (рассмотрено ранее) и уровней сигналов в верхней точке диапазона RC. При этом уровни входных сигналов усилителей RC желательно поддерживать на уровне 75…85 dBµV. Выходные же уровни усилителей RC устанавливают с учетом их обязательного равенства на входе любого из магистральных разветвителей (рис. 6, зеленым цветом условно обозначено расчетное отношение C/N).

Рис. 5

Естественно, чем выше коэффициент направленности магистрального ответвителя, тем меньшее воздействие окажет мощный выходной уровень усилителя УС2 на усилитель УС1 (перекрестная модуляция). Но такое воздействие может наблюдаться только при многоканальном заполнении RC и наиболее опасно при внедрении услуги видеонаблюдения. При рабочих уровнях усилителей RC ниже 10 dB относительно паспортного значения, расчеты на кроссмодуляционные искажения (а также по CSO и СТВ) можно не проводить, т.к. они заведомо будут удовлетворять требованиям стандарта DOCSIS любой версии.

В домовых сетях (абонентская сеть, стояки — до выхода домового усилителя) обязательно будут наблюдаться разбросы в уровнях сигналов за счет дискретности набора переходных ослаблений абонентских и домовых разветвителей, разных способов подключения СМ и разных длин кабелей. Обычно величина таких разбросов не превышает ± 3 dB. Можно отметить, что использование звездообразной схемы исполнения стояков (рис.6, часть 2) влечет за собой меньший разброс в требуемых выходных уровнях СМ, в сравнении с традиционной лестничной схемой (рис.5, часть 2). Расчет RC можно проводить как в направлении от CMTS к СМ, так и в обратном направлении. Расчет RC от СМ к CMTS более трудоемок, но позволяет оптимизировать выходные уровни СМ и коэффициенты усиления усилителей RC. Связано это с тем обстоятельством, что большинство усилителей RC обладают коэффициентом усиления в 17-25 dB, а глубина регулирования встроенного аттенюатора (на входе или выходе усилителя RC) составляет 10 dB (например, GLV 865, Hirschmann). Фактически это означает, что, например, установка коэффициента передачи величиной в +5 dB является невозможной.

Настройку RC в простейшем случае можно осуществлять с помощью ВЧ перестраиваемого генератора в диапазоне RC (или набора генераторов) и измерителя уровня (спектроанализатора), попеременно подключаемых к разным точкам сети. Путем регулирования встроенных аттенюаторов и эквалайзеров в усилителях RС добиваются расчетных уровней, оговариваемых проектом. Используя тестовые точки усилителей, удобно, с помощью спектроанализатора, также контролировать и качество ВЧ-соединений (разделки и подсоединения кабеля).

Выводы

Сформулируем основные выводы по настоящей статье, что позволит читателю лишний раз сконцентрировать свое внимание на важных моментах при построении интерактивной мультимедийной сети.

1. Большинство строящихся КСКТП используют гибридную (HFC) технологию с использованием развитой оптической системы.

2. Все вновь строящиеся КСКТП целесообразно сразу проектировать с возможным внедрением интерактивных услуг, т.е. с полным расчетом реверсного канала. В противном случае (без расчета реверсного канала и определения способов подключения СМ), в дальнейшем потребуются повторные затраты на проведение проектных работ и, возможно, на частичную переконфигурацию уже построенной сети (практика модернизации сетей подтверждает это).

3. Наибольшее распространение во всем мире для внедрения услуг интерактивного сервиса получил стандарт DOCSIS. Сейчас широко используется версия 1.1. Однако CableLabs уже сертифицирует CMTS-и СМ-версии 2.0.

4. Наибольшей востребованностью пользуются услуги высокоскоростного доступа в Internet и телефония. Начали также внедряться системы видеонаблюдения и системы пожарной и охранной сигнализации. Внедрение системы видеонаблюдения требует диапазона реверсного канала 5 — 65 МГц. Необходимо отметить, что внедрение услуги Internet приносит кабельным операторам большие доходы, чем телевидение. Для достижения максимальных скоростей в реверсном канале, необходимо добиваться максимально возможного отношения C/N в реверсном канале.

5. При выполнении требований DOCSIS, в прямом и реверсном каналах могут транслироваться предельные скорости: 55.6 Мбит/с в прямом канале (EuroDOCSIS, полоса канала 8 МГц) и 10.24 Мбит/с в реверсном канале (полоса канала 3,2 МГц, 16QAM).

6. При выборе CMTS основное внимание следует уделять как ее техническим параметрам, так и функциональным возможностям и, в первую очередь, числу устанавливаемых приемников/демодуляторов реверсного канала (upstream), надежности, удобству выявления коллизий или отказов, фиксации и регистрации ошибок в сети (внешний и внутренний мониторинг), простоте и удобству сопряжения с биллинговой системой и т.п.

7. Важным моментом является правильное включение CMTS в состав головного оборудования. При этом та или иная конфигурация выбирается исходя из функциональных возможностей используемой КСКТП.

8. Для включения СМ целесообразно использовать специализированные абонентские розетки, исключающие поражение некоторых TV каналов воздействием гармонических составляющих мощного выходного сигнала СМ. Аналогичное подключение целесообразно использовать и при подключении коллективных кабельных модемов. В простейшем случае можно использовать традиционный направленный ответвитель с коэффициентом направленности не менее 36 dB.

9. Стояковую разводку целесообразнее выполнять по схеме "звезда" (вместо традиционной "лестницы"). Такая схема наиболее просто и экономично позволяет устанавливать фильтры пакетирования (группа платных TV каналов), повышать защиту от актов вандализма, снижать уровень входного сигнала, обеспечивать защиту от шумов ингрессии и максимально выравнивать уровни сигналов. Недостатком является большое число кабелей, прокладываемых в одном стояке.

10. Для максимизации C/N по реверсному каналу необходимо:

- использовать коллективные кабельные модемы, включаемые на входах домовых усилителей (исключение шумов ингрессии);
- разбивать коаксиальный кластер на несколько зон, каждая из которых должна включаться на свой оптический передатчик реверсного канала;
- использовать СМ на повышенных мощностях (но не предельных);
- применять кабели с высоким коэффициентом радиоэкранной защиты, использовать качественные кабельные насадки и коаксиальные переходы. Тщательно следить за качеством монтажных работ.

11. При проведении проектных работ необходимо задаваться минимальным уровнем сигнала на выходе любого из абонентских разветвителей 70 … 72 dBµV, что позволяет подключить 1-2 телевизора или 1 телевизор и СМ. Желательным уровнем является величина 75 … 77 dBµV, что позволяет включать до 3 телевизоров и СМ. При ограниченных финансовых возможностях допустимо проектировать сеть с уровнем 68 … 70 dBµV на выходе абонентских разветвителей, а часть дополнительных расходов перенести на самих абонентов, за счет включения внутриквартирных активных сплиттеров с малым коэффициентом усиления.

12. Реально используемый частотный участок диапазона реверсного канала 5-30 МГц составляет 12…15—25 МГц. В нем можно разместить не более 4 каналов с полосой 3,2 МГц (макс. 41 Мбит/с) без каких-либо технологических запасов.

13. Вновь строящуюся КСКТП желательно изначально проектировать на частотный диапазон 5—65 МГц. На начальном этапе можно использовать и ограниченный диапазон 5 — 30 МГц, за счет установки соответствующих диплексерных фильтров в модуль реверсного канала. В последующем это позволит избежать проведения повторных перерасчетов по реверсному каналу.

14. На все вновь строящиеся КСКТП должен проводиться расчет реверсного канала, включая расчет предполагаемых скоростей цифровых потоков. Однако сам реверсный канал на начальном этапе может быть и не активизирован. Проведение расчетов реверсного канала на последующем этапе может привести к неоправданно завышенным расходам с возможной частичной переконфигурацией сети.

15. Шумы на входе CMTS образуются двумя составляющими: шумами ингрессии (основная составляющая) и внутренними шумами сети.Шумы ингрессии не поддаются расчету, но зависимость их появления от времени суток может быть частично выявлена путем мониторинга сети.

Внутренние шумы включают тепловые и интермодуляционные шумы различного происхождения. Их величина зависит от числа модемов, числа усилителей реверсного канала в коаксиальном кластере, их приведенного динамического диапазона, нелинейности всех компонентов обратного канала, полосы пропускания канала, а также от характеристик оптической системы и способа ее подключения по входу приемника/демодулятора CMTS.

С точки зрения минимизации шумов в реверсном канале, место установки аттенюатора в усилителе реверсного канала (на входе или выходе) не играет принципиальной роли, а с точки зрения минимизации искажений, выгоднее использовать усилители с аттенюатором, установленным на его входе (при Uвх > 85 … 90 dBµV).

16. С точки зрения наращивания скоростей в реверсном канале и увеличения C/N, целесообразно использование оптических узлов с несколькими независимыми выходами, каждый из которых должен быть нагружен на свой оптический передатчик реверсного канала. При этом CMTS должна иметь возможно большее число встраиваемых приемников реверсного канала (демодуляторов).

17. Наращивание скоростей в реверсном канале, за счет увеличения числа оптических передатчиков реверсного канала, требует наличия дополнительных оптических жил (вариант с переходом на 1550 нм не рассматривается). При отсутствии таковой возможности, рационально использование диапазонных конвертеров реверсного канала. На передающей стороне (совместно с оптическим узлом) устанавливается повышающий конвертер, имеющий несколько входов и один общий выход, а на приемной стороне (на входах CMTS) — понижающий конвертер, имеющий один вход и несколько выходов.

18. Оптимальная величина рабочего выходного уровня абонентского CM, принимаемая к расчетам, должна составлять 100—105 dBµV. Технологический запас 10—15 dBµV учитывает погрешности расчетов, реальные разбросы параметров абонентских разветвителей, возможность изменения подключения CM (например, через дополнительный сплиттер), старения сети (наиболее быстро проявляющуюся в диапазоне реверсного канала) и воздействия дестабилизирующих факторов (в первую очередь, температуры). Выходные уровни коллективных СМ могут работать и при существенно меньших уровнях (например, 80 … 85 dBµV).

19. Отношение C/N (тепловые шумы) в реверсном канале не зависит от величины выходного уровня CM. Однако чем выше выходной уровень CM, тем выше защита от шумов ингрессии (простое независимое алгебраическое сложение двух величин).

20. При проведении расчетов реверсного канала желательно придерживаться правила: уровень сигнала на входе усилителя должен быть не менее 75…85 dBµV.

21. При использовании усилителей реверсного канала с выходным уровнем менее 10 dB относительно максимального значения, заявляемого в паспортных значениях, расчеты на интермодуляционные искажения можно не проводить в виду их малости даже при большом числе каналов (например, 10). Фактически, это означает, что максимальный выходной уровень усилителя реверсного канала должен составлять 114…118 dBµV.

22. Расчет реверсного канала сводится к расчету скоростей (реальная полезная рабочая скорость может составлять только 50% от максимального значения), C/N по каждому из усилителей и на входе CMTS, уровней сигналов на входах и выходах усилителей реверсного канала (из условия выравнивания уровней сигналов в точках разветвления субмагистралей) и уровней сигналов абонентских CM (коллективные CM в силу специфики подключения могут иметь значительные разбросы).

Авторы (в написании статьи принимала участие группа авторов ЗАО "В-Люкс", а также технический редактор журнала А.Б.Бителева, внесшая значительные коррективы при написании статьи) с удовольствием ответят на все вопросы, пожелания и практические замечания по E-mail: vlux@vlux.ru. Более подробно с некоторыми аспектами внедрения интерактивных услуг можно ознакомиться на сайте www.vlux.ru.

ЛИТЕРАТУРА

1. Песков С.Н., Шишов А.К.. Современные кабельные сети коллективного телевизионного приема. (CD носитель, ЗАО "В-ЛЮКС"), 2002г., 576 с.