Как показывает история, практически все развитие телекоммуникационных технологий заключалось в наделении хорошо известных и отработанных решений новыми, несвойственными им в прошлом функциями (достаточно взглянуть на эволюцию технологий передачи данных по телефонным сетям). Сети кабельного телевидения до недавнего времени выпадали из общего ряда — фактически, с момента появления до середины 90-х, они были предназначены исключительно для передачи видеосигнала — вначале аналогового, а затем цифрового. Однако после "взрыва Интернет" и начала повсеместного распространения технологий широкополосного доступа, у существующих кабельных операторов (в первую очередь, крупных американских) возникло очевидное желание — использовать свои сети для передачи не только видео, но и данных.

Рис. 1. Архитектура Узла доступа к сети Интернет по сетям кабельного телевидения

Теоретически такая возможность сомнений не вызывала, однако практическая реализация заняла около четырех лет, завершившись в 1997 году публикацией первого набора спецификаций в данной области — MCNS/CableLabs Data Over Cable Service Interface Specifications (DOCSIS) версии 1.0.

В данной статье кратко рассматриваются общие принципы передачи данных по сетям кабельного телевидения, архитектура типового Узла доступа к сети Интернет и требования к оборудованию и организации кабельной сети оператора Узла.

Узел доступа к сети Интернет

С точки зрения кабельного оператора, Узел доступа к сети Интернет представляет собой закрытую систему, имеющую входы и выходы, поддерживающие стандартные интерфейсы (см. рис. 1).

С одной стороны, Узел подключается с помощью широкополосного маршрутизатора (также известного как "головной кабельный модем" или "терминальный сервер кабельных модемов") к головной станции оператора через Up-конвертор и сумматор. В соответствии со стандартом MCNS DOCSIS 1.0/1.1 для каждого прямого (Downstream) канала используется полоса в 6 МГц, подаваемая на Up-конвертор на промежуточной частоте 44 МГц. Нестандартная для России промежуточная частота, как правило, не является проблемой, так как многие модели широкополосных маршрутизаторов имеют встроенные Up-конверторы.

Обратный канал (Upstream) занимает полосу от 0,2 МГц до 3,2 МГц в диапазоне 5-42 МГц (для соответствия требованиям ГОСТ может быть ограничен диапазоном 5-30 МГц). Диапазон обратного канала сильно зашумлен — в этот диапазон попадают помехи от компьютерного оборудования, радиостанций Си-Би диапазона и многих других источников. Для обеспечения приемлемого качества обратного канала возможна автоматическая смена частоты (в указанных пределах) при ухудшении отношения сигнал/шум.

Взаимовлияние каналов, используемых для передачи данных, и обычных телевизионных каналов достаточно мало, и им можно пренебречь.

С другой стороны, Узел подключается через пограничный маршрутизатор к внешним каналам связи, образующим сеть Интернет. Подключение может осуществляться различными способами, в том числе с помощью высокоскоростных модемов для выделенных линий (подключаемых к пограничному маршрутизатору через порт V.35), по каналам цифровой телефонии E1 (ISDN PRI), по волоконно-оптическим (Gigabit Ethernet, ATM OC-3c/STM-1) и медным (Fast Ethernet) линиям.

На стороне абонента находится кабельный модем, подключенный к кабельной сети оператора. Кабельный модем подключается к абонентскому оборудованию, как правило, с помощью портов USB или Ethernet 10BaseT. В последнем случае большинство кабельных модемов могут предоставлять доступ 16 абонентским устройствам одновременно (при использовании дополнительного Ethernet-концентратора или коммутатора).

В качестве абонентского оборудования может выступать обычный персональный компьютер, ТВ-приставка с поддержкой доступа в Интернет или специализированный маршрутизатор. На рынке доступны также интегрированные варианты, когда компьютер, приставка или маршрутизатор содержат встроенный кабельный модем.

Требования к кабельной сети

Рис. 2. Распределение тайм-слотов между кабельными модемами

Использование кабельной сети для предоставления услуг передачи данных предъявляет определенные дополнительные (по сравнению с передачей обычного телевизионного сигнала) требования к используемому для ее построения решению. Все эти требования необходимы, в первую очередь, для полноценной поддержки обратного канала. Кратко их можно сформулировать следующим образом:

• Поддержка в сети всего диапазона частот (от 5 до 860 МГц). Обратный канал, в соответствии со стандартом DOCSIS, находится в диапазоне от 5 до 42 МГц (отечественный ГОСТ накладывает ограничение 5-30 МГц).
• Серьезное внимание необходимо уделить качеству заделки разъемов. Плохой контакт на высоких частотах позволяет лишь с небольшими потерями передавать телевизионный сигнал через емкостную связь. На частотах обратного канала эта емкость практически не будет проводить сигнал. К тому же подобные неоднородности вызывают появление фазовых искажений, что затрудняет демодуляцию QAM-сигнала, особенно с высокими скоростями потока (64, 256).
• Все усилители должны поддерживать обратный канал. Для домовых усилителей достаточно пассивной поддержки, для магистральных и субмагистральных необходима как пассивная, так и активная поддержка. Оптимальным является соотношение ~ 3-4 усилителя с пассивной поддержкой обратного канала на 1 усилитель с активным обратным каналом.
• Все пассивные элементы кабельной сети должны обеспечивать необходимое качество передачи сигнала во всем диапазоне 5-860 МГц.
• Помимо настройки прямого канала, может оказаться необходимым дополнительный расчет и перестройка обратного канала. Крайне желательно, чтобы разность уровней сигналов, приходящих на вход терминального сервера кабельных модемов от абонентских модемов, была менее 10 дБ. Система продолжает функционировать и при больших разностях, однако снижается скорость передачи данных, поскольку часть времени используется для адаптации системы автоматической регулировки усиления.

Порядок предоставления услуг передачи данных по кабельной сети

Основным стандартом, описывающим порядок предоставления услуг передачи данных по кабельной сети, является MCNS DOCSIS 1.0 и его обновленная редакция — DOCSIS 1.1. Основное отличие версии 1.1 от 1.0 заключается в расширенном механизме обеспечения качества сервиса. Другой разновидностью стандарта DOCSIS является EuroDOCSIS, отличающийся использованием для организации прямого канала полосы в 8 МГц (вместо 6 МГц в стандартах DOCSIS 1.0/1.1).

В соответствии с указанным стандартом, для предоставления услуг передачи данных используются модуляции типа 64 QAM и 256 QAM в прямом канале и QPSK и 16 QAM в обратном. Краткая информация о достигаемых при использовании этих типов модуляции сигнала скоростях приведена в таблицах.

Прямая передача данных "модем — модем" в сетях кабельного телевидения невозможна, весь трафик идет через широкополосный маршрутизатор. Также следует помнить, что указанная полоса пропускания разделяется между всеми кабельными модемами, использующими данный прямой и обратный каналы.

Для совместимости с существующими системами передачи цифрового сигнала, в частности, со стандартом DVB/C, на физическом уровне используется стандартный способ фрейминга MPEG, специфицированный в документе ITU-T H.222.0, информация при этом передается во фреймах фиксированного формата и размера — 188 байт. Это позволяет, при условии поддержки оборудованием, передавать в одном прямом канале как Интернет-трафик, так и цифровое видео.

Непосредственно процесс передачи данных осуществляется следующим образом:

1. Включение широкополосного маршрутизатора (CMTS). После включения питания CMTS проходит процедуры инициализации, самотестирования и (при необходимости) загрузки программного обеспечения с удаленного сервера.
2. После успешного окончания процесса инициализации CMTS создает прямой канал, в котором непрерывно передаются необходимые для подключения абонентских модемов параметры, в том числе частота обратного канала, образ программного обеспечения для инициализации абонентского модема и т.п. В этом же канале последовательно передаются данные для подключенных абонентских модемов; за корректное упорядочивание данных, адресованных разным модемам, отвечает терминальный сервер.
3. Передача данных по обратному каналу организована несколько сложнее. Периодически CMTS опрашивает известные ему кабельные модемы с целью определения количества и размера необходимых временных ячеек (time-slots, тайм-слоты) для передачи информации от кабельного модема к широкополосному маршрутизатору. Также одна или несколько ячеек выделяется для регистрации на терминальном сервере новых модемов. После распределения ячеек модемы имеют право передавать данные только в назначенный им промежуток времени. Таким образом, удается значительно снизить количество коллизий при передаче данных.
4. После включения подключенного к кабельной сети абонентского модема последний инициализируется, сканирует частотный диапазон и, после обнаружения сигнала прямого канала, переходит в режим получения информации о кабельной сети. На этом этапе он синхронизируется с головным кабельным модемом, получает содержащуюся в потоке информацию о частотах обратного канала, скачивает образ программного обеспечения и иную информацию и переходит в режим регистрации. В процессе регистрации модем и широкополосный маршрутизатор обмениваются рядом сообщений, договариваясь о параметрах сессии (в том числе маршрутизатор передает информацию о конфигурации сети — IP-адрес, выделенный модему (по протоколу DHCP), адрес шлюза, адрес сервера DNS и т.п.). Определяются также параметры, связанные с обеспечением качества сервиса и защитой пересылаемой информации (интерфейс BPI — Baseline Privacy Interface).

Заключение

Конечно, на этом вопросы, связанные с организацией передачи данных в сетях КТВ, далеко не исчерпаны. Остались за кадром обеспечение надежности и безошибочности передачи информации, обеспечение качества сервиса, биллинга в подобных сетях, передача других видов трафика (например, телефонного), организация обратного канала по телефонной сети и т.п. Однако приведенная базовая информация поможет начать более подробное знакомство с этой тематикой.

Ниже приводятся ссылки на страницы Интернет, содержащие дополнительную информацию. 

Официальная страница CableLabs, содержащая спецификации DOCSIS: http://www.cablemodem.com/specifications.html.

Новости и технические статьи, посвященные передаче данных по сетям кабельного телевидения: http://www.cabledatacomnews.com/.

Домашняя страница списка рассылки ISP-CABLE — самого популярного в этой области на Западе: http://isp-lists.isp-planet.com/isp-cable/.