基于HFC宽带网络的综合业务组网方法及综合业务光站设备

摘要

本发明公开了一种基于HFC宽带网络的综合业务组网方法及其专用设备——综合业务光站设备。本发明将传统的CMTS、射频信号光电转换器和数据信号光电转换器集成为一体，成为综合业务光站，安装于HFC的光节点处，以同时实现电视信号与IP数据信号的光电转换，以及IP数据包的转发。该设备还具有远程监控功能，实现在前端机房集中监控管理分布式部署的各个综合业务光站设备及其所负载的宽带用户。与现有技术相比，本发明具有减小漏斗噪声干扰、提高用户上网的户均带宽、简化网络结构、降低建网成本以及易于维护等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及基于广电HFC网的综合业务接入方法及设备，具体涉及一种安装于有线电视网络光节点处，用于有线电视网络电视信号光电转换和IP宽带数据光电转换与数据转发的综合业务光站。

背景技术

有线电视网络采用HFC(Hybrid Fiber Coaxial)的网络结构形式。有线电视网络宽带技术是指基于HFC网络结构，采用DOCSIS(Data Over Cable Service InterfaceSpecification)标准，使用CM(Cable Modem电缆调制解调器)、CMTS(Cable ModemTermination System电缆调制解调器局端系统)等设备将因特网接入HFC有线电视网络中，从而向有线电视网络用户提供宽带网络服务的一项技术。HFC通常由前端机房、光纤干线及同轴电缆分配网三部分组成。有线电视前端机房将众多电视信号经处理后混合，再转换成光信号通过光纤干线进行远距离传输，到了用户区域后，再进行光电转换，该点被称为“光节点”。转换出来的射频电信号，经放大、分配后由同轴电缆送到千家万户。DOCSIS标准是指应用于HFC网传输数据业务的接口规范，定义如何通过电缆调制调解器提供双向数据业务，支持在计算机网与有线电视网前端与用户之间实现IP数据包的传输。CMTS属于头端(局端)设备，通常部署在有线电视网络的前端，其核心构件包括调制解调功能板和CPU控制板。它有数据端口和射频端口，分别连接Internet和HFC网。CMTS接收从用户端CM发来的调制信号(称为上行信号)，解调出其中的IP数据包，并根据目的地址转发至Internet；同时，CMTS也将来自于Internet的数据信号经调制后(称为下行信号)发送到用户端的CM。CMTS在数据网与HFC网之间起桥梁转换作用。CM作为用户端设备，介于HFC网的终端端口与用户端CPE(Customer Premises Equipment)设备之间。CPE可以是个人电脑，也可以是交互式机顶盒、IP电话机等。

现有的有线电视网络宽带接入方案，是将CMTS集中部署在前端机房内，如图1所示。这种接入方法在运营商开展数据业务初期是可以的，能短时间内覆盖整个网络，但是弊端也是很明显的，主要存在下列几方面的问题：

1、“漏斗噪声”干扰严重

由于前端机房内的CMTS需覆盖几个至几十个光节点，用户数达几千甚至几万户，来自于传输线路和用户家中的各种噪声信号会由上行通道汇聚到CMTS的射频输入端，业界称之为“漏斗噪声”。漏斗噪声有70％是来自于用户家中的各种家用电器或空间辐射，CMTS覆盖的用户数越多，“漏斗”越大，漏斗噪声也越大。当此噪声汇聚到一个较高水平时，将会影响CMTS工作的稳定性，严重时将无法正常通信。

2、户均带宽资源低

由于部署在前端机房的CMTS要覆盖很多用户，随着宽带用户入网率的增加，户均得到的带宽资源将越来越小，难以满足用户的上网需求。

3、网络结构复杂，组网成本高

从图1中可见网络结构较为复杂，从用户端CM到前端机房数据交换机的网络路径是：

CM——电缆分配网——光节点(光工作站，含下行光接收和上行光发射)——光纤——回传光接收机与下行光发射机——CMTS——交换机。

每个光节点都需要安装光工作站，并且在前端机房要与之对应安装上行光接收机，这使得每个光节点的双向改造仅设备成本将达5000～8000元。为满足每个上网用户的带宽需求，在前端机房还要安装大量的CMTS设备，而机房使用的CMTS设备价格一般在10～20万元。这样一来，有线电视宽带网络的建设成本就处于较高的状态。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种能减少HFC宽带网络的漏斗噪声干扰，提高户均带宽、简化网络结构、降低建网成本，易于维护的基于HFC宽带网络的综合业务接入方法及综合业务光站。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

基于HFC宽带网络的综合业务组网方法，其特点在于将传统的CMTS与传统的光接收机和光收发器(或0NU)集成为一体后直接设置于HFC系统的光节点处，在光节点处同时实现电视和IP数据的光电转换，由此产生了一种新型网络设备——综合业务光站(Integrated Service Optical Node，ISON)。作为本技术方案的进一步优化，采用了在综合业务光站内部设置远程监控模块的方法，实现在前端机房集中监控管理分布于HFC网各个光节点的综合业务光站设备及其所负载的宽带用户。

其中，将传统的CMTS与传统的光接收机和IP光收发器(或ONU)集成为一体形成的综合业务光站，基于DICSIS协议，利用ETX模块化CPU与CMTS核心构件调制调解功能板进行一体化设计，实现将电视信号与IP数据统一完成光电转换，经各自处理后混合在同轴电缆中传输。

一种综合业务光站设备，其特点在于，包括机壳、位于机壳内的集成模块以及接口；所述集成模块集成有CMTS功能模块、射频信号光电转换功能模块和IP数据光电转换功能模块；所述接口包括由电视光接口和IP数据光接口组成的输入接口，以及同轴电缆射频输出接口；其中，电视光接口与射频信号光电转换功能模块相连；射频信号光电转换功能模块用于将电视光信号转换为电信号；IP数据光接口与IP数据光电转换功能模块相连；IP数据光电转换功能模块用于IP数据包的光电转换，并与CMTS功能模块的数据口相连；CMTS功能模块用于IP数据信号的调制、解调和转发；CMTS功能模块的射频分上行和下行两个通道，其中下行通道将调制后的IP数据信号传至混合器与经光电转换后的电视信号混合，混合信号再经过均衡、分配和放大处理后从双工滤波器输出；上行通道与双工滤波器相连，用于将来自用户端的上行信号从双工滤波器中取出并送至CMTS，CMTS将此上行信号经过调谐、放大、解调等处理后送至数据信号光电转换功能模块转化为光信号，最终发送到IP骨干网。

采用本发明方法和设备，HFC宽带网络的结构得到了简化，如图2所示。从用户端CM到前端机房数据交换机的网路路径为：

CM——电缆分配网——综合业务光站——光纤——机房光端设备——交换机。

本发明所形成的有线电视网络宽带接入设备——综合业务光站，除了具有传统的电视传输光接收机功能外，还能接收和转发IP数据，完成HFC网络综合业务信号的传输。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

1、减小了“漏斗噪声”干扰：

本发明中将CMTS的功能置于每一个光节点处，覆盖范围只有几十至几百户，来自HFC网络的漏斗噪声大大减小，使得CMTS模块工作更稳定。同时，即使一个片区受干扰也不至于会影响到其他片区用户的正常通信，使得整个系统抗干扰能力大大增强。

2、户均带宽增加：

由于本发明技术的使用，使得光纤干线的带宽资源得以发挥，综合业务光站覆盖一个光节点下的用户数量只有几十至几百户，因此户均得到的数据带宽大大提高。

3、简化了HFC宽带网络的结构，降低了组网成本：

由于综合业务光站采用了模块化设计，CMTS采用了一体化设计，使得设备的总体成本比传统的CMTS设备低了许多；同时，由于网络结构得到了简化，节省了传统方案中必须使用的光工作站和上行光接收机(每个光节点约5000～8000元)。因此，在同等总带宽条件下，使用本发明技术方案和设备可以大大降低组网成本。

4、维护简单，故障时影响范围小，且容易定位：

由于综合业务光站中采用了远程集中监控管理技术，使技术人员能实时了解设备的运行状态，配置参数，管理用户。管理软件中还设计了故障报警功能。

附图说明

图1为现有的HFC宽带网络组网方法网络拓扑图；

图2为采用本发明的基于HFC宽带网络的综合业务组网方法的网络拓扑图；

图3为本发明中综合业务光站设备的内部电路模块图。

图4为本发明中CMTS模块的内部原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

一种基于HFC宽带网络的综合业务组网方法，将传统的CMTS、射频信号光电转换器和数据信号光电转换器集成为一体，成为综合业务光站，安装于HFC的光节点处，以同时实现电视信号与IP数据信号的光电转换，以及IP数据包的转发。该设备还具有远程监控功能，实现在前端机房集中监控管理分布式部署的各个综合业务光站设备及其所负载的宽带用户。

如图2所示，有线电视前端与数据中心本来是互不关联的两个机房，通过各自的光纤传输到光节点，经各自的光电转换后混合，利用HFC的电缆分配网络传输到千家万户。这样可以确保数据骨干网部分的带宽得到充分发挥。在本发明的设备——综合业务光站中，电视信号经光电转换后变成射频信号，经放大后由电缆分配网传送至各用户。数据光信号经光电转换后变成数字脉冲信号，其中包含接收与发送两路。此数字信号经过CMTS模块进行调制、解调，使得收、发的数字信号变成模拟信号以便在电缆中传输。电缆分配网采用频分的方式分为上行通道(5～65MHz)与下行通道(88～860MHz)，CMTS模块把要发送的数字信号进行QAM调制后送入下行通道，与电视信号混合后一同进入电缆分配网；同时，电缆分配网上行通道有来自用户端CM的调制信号(调制的内容来自于CPE的数据，如PC等)，通过双工滤波器滤出后经CMTS模块进行解调，还原出用户的数据信号，再经光电转换，由光纤传至交换机进入Internet。这样，HFC宽带网络的接入任务得以完成，实现了电视与宽带数据业务的综合传输。

综合业务光站的工作原理：综合业务光站的作用是统一实现电视与数据光信号的光电转换，并将数据经调制或解调处理后与电视的射频信号混合在电缆中一起传输。该设备有电视与数据两个光接口，两个射频端口。其原理框图见图3、图4。

图3为本发明中有线电视网络宽带接入设备的内部电路模块图。该设备承担着光电转换的任务，其中既包含电视信号，又包含IP数据信号。前者通过光电转换功能模块进行光电转换，后者通过数据光电转换功能模块实现光电转换，由CMTS模块完成数据信号的调制、解调以及转发，使其能在电缆网中传输，最终两种电信号混合后经同轴电缆到达各用户。具体地说，该设备包括机壳、位于机壳内的集成模块以及接口；所述集成模块集成有CMTS功能模块、射频信号光电转换功能模块和IP数据光电转换功能模块；所述接口包括由电视光接口和IP数据光接口组成的输入接口，以及同轴电缆射频输出接口；其中，电视光接口与光接收功能模块相连；射频信号光电转换功能模块用于将电视光信号转换为电信号信号；IP数据光接口与IP数据光电转换功能模块相连；IP数据光电转换功能模块用于IP数据包的光电转换，并与CMTS功能模块的数据口相连；CMTS功能模块用于IP数据信号的调制、解调和转发；CMTS功能模块的射频分上行和下行两个通道，其中下行通道将调制后的IP数据信号传至混合器与经光电转换后的电视信号混合，混合信号再经过均衡、分配和放大处理后从双工滤波器输出；上行通道与双工滤波器相连，用于将来自用户端的上行信号从双工滤波器中取出并送至CMTS，CMTS将此上行信号经过调谐、放大、解调等处理后送至数据信号光电转换功能模块转化为光信号，最终发送到IP骨干网。

图4是CMTS模块的原理框图。CMTS的基本作用就是对数据信号进行调制、解调，以便能在HFC网中传输。现在从数据的接收与发送过程来解释CMTS的工作过程：根据DOCSIS协议，从用户PC机网卡发出的数据信号进入CM，经过QPSK(或QAM)调制后变成带宽为0.2～6.4MHz不等的上行信号进入HFC网的上行通道(5～65MHz)，在综合业务光站中由双工滤波器分离出此信号，交给CMTS，先进行放大、调谐、滤波等处理后进行解调，解调出来的数据包再送到CMTS的核心——DOCSIS MAC处理芯片，由它决定此数据包的去向：经PCI总线到CPU、到100M以太网卡，与光收发器相连传至Internet；或经由下行通道传给其它CM。而来自于Internet的数据经光收发模块(或ONU)转换为以太网电信号，经100M以太网卡接收后送至CPU，再经PCI总线与DOCSIS MAC芯片连接。在CPU的控制下，MAC芯片将此数据包送至下行调制芯片，经QAM调制后输出中频信号，再滤波、放大后变频至88～860MHz内的任意一个带宽为8MHz(或6MHz)的射频信号，与来自光电转换后的射频电视信号相混合，从双工滤波器的高频端输入，从公共端输出接入HFC的电缆分配网。用户端CM接收到此下行信号后解调并回复数据包，从CM的网卡接口接入到PC机。这样就完成了从用户PC机发送数据到Internet、再接收来自Internet的数据整个通信过程。

为实现上述的发明方法，制造出综合业务光站是前提。该设备需要能够适应安装并工作于野外，在完成电视信号与IP数据信号光电转换的同时，还要能够被远程监控、管理。这就要先将CMTS进行模块化设计，将电视信号光接收功能模块、IP数据光收发功能模块、远程监控模块等集成在防水密闭的机壳内，采用无风扇散热设计。内部集成的射频信号光电转换模块和IP数据光电转换功能模块是可拆卸式，亦即用户可以选择光接口，也可选择电接口；电视信号的电接口是F型射频插座，数据信号的电接口是RJ45插座。

①使CMTS模块化

为实现CMTS模块化，本发明中采用了ETX CPU模块。ETX是一种微型化的CPU模板，是嵌入式控制领域近年来得到推广应用的标准之一。ETX模块是在95x114mm尺寸上集成了中央处理器、内存接口、显示、网口、USB和标准I/O功能等，通过4个100pin的高密度连接器与载板连接。这样的设计使得其扩展更加灵活，系统升级也轻而易举，并且最大限度地减少线缆连接。ETX的X86架构完全能够满足本发明的要求。由于该模板采用了标准接口，CPU的载板设计也比较容易，并且可以同时将调制解调功能板与之设计在一张PCB板上，制成独立的CMTS模块，实现一体化。此外，采用ETX结构模板，可以选择功耗低的CPU，有利于降低整机的功耗。在进行一体化设计时，PCB板的布线要注意ETX连接座的PCI引脚线应遵循等长原则，同时要使模拟电路地线与数字电路地线分开，降低干扰。

②远程监控模块的设计

远程监测的参数是机内的主要供电电压、机箱内部温度、光信号功率、射频信号功率、CM工作状态，要控制的参数是射频信号功率的调整、CMTS下行信号频率的设定、整机的重新启动，要配置的参数主要是CMTS的工作模式、CM的授权、故障报警门限等等。所有的监控数据以IP数据包的形式通过数据光纤传输到前端机房，在网管软件界面下实现对网内所有综合业务光站及其所带用户的集中监控、管理。

③集成各个功能模块

将CMTS模块、电视光接收功能模块、IP数据光收发功能模块、远程监控模块以及电源等集成安装在密闭防水的机壳里。其中电视光接收功能模块是传统光接收机的核心构件；IP数据光电转换功能模块是以太网光收发功能模块，或者是ONU功能模块(OpticalNetwork Unit)；既可上联光纤以太网，也可连接EPON(Ethenet Passive Optical Network)。两者均是成熟产品，可通过采购来配套，再与CMTS模块集为一体。

④散热设计

首先是电路设计阶段就贯穿降低功耗的思想，减少热量的产生，选择低功耗芯片。在散热方面，利用铝合金散热片型材制成密闭防水机壳，在壳底相应位置安装导热柱，以将电路板上的发热器件产生的热量直接传到至整个壳体，以达到快速散热之目的。

⑤软件设计

设备的运行软件是在本公司现有产品JH-HE2086的基础上增加对设备的远程监控功能，在现有的网管软件JH-NMSv3.3的基础上整合监控模块的控制界面，使网络管理员在远方机房即可掌控各设备的工作情况和宽带用户的CM工作状态。远程监控管理模块，采用了基于SNMP标准网管协议。

其特点在于包括机壳、接口及位于机壳内的集成模块。所述集成模块包括了CMTS功能、电视信号光电转换功能、IP数据光电转换功能、远程监控功能。而且，该设备以野外安装使用为目标，采取无风扇设计，靠密闭机壳散热。该设备是与上述方法基于同一发明目的而设计，设备和方法两者属于同一技术方案，可看紧密联系的一个整体。综合业务光站拥有电视信号光接口、IP数据信号光接口和射频接口，其中的光接口分别接电视与数据的骨干网，射频接口接同轴电缆分配网。在用户终端使用标准的Cable Modem上网。设备可远程监控、管理，安装和维护非常方便。