Общи принципи на работа на интерактивна система за кабелна телевизия. Осъществяване на достъп до услугите.

Общи принципи на работа на интерактивна система за кабелна телевизия

Развитието на телекомуникационните услуги на практика представлява замяната на едни добре известни и отработени решения с нови, невъзможни за реализация в миналото и притежаващи многократно по-добри показатели. Това твърдение важи с пълна сила и за мрежите за кабелна телевизия - от появата на първите през 90-те години на миналия век - те бяха предназначени изключително за предаване на видеосигнали - в началото аналогови, а в наши дни-цифрови. С бума в развитието на глобалната мрежа Интернет започна повсеместно разпространение на технологиите за широколентов достъп. Повечето кабелни оператори започнаха да използват своите кабелни мрежи за предаване не само на видео, но и на данни.

През последните десетилетия, телекомуникационните мрежи са се развивали по различни пътища, но най-обобщено те се разделят на следните три групи:

• кабелни телевизионни мрежи (`CATV`);
• локални и широкообхватни (градски, глобални) мрежи (`LAN` и `WAN`);
• обществена комутируема телефонна мрежа (`PSTN`)

Тези мрежи са се развивали поотделно поради факта, че са доставяли услуги, които не са били достъпни в друг тип мрежа.

При предаване на телевизионни сигнали от главната станция към абонатите в право направление (низходящ поток) честотният обхват е от `0` до `47 MHz` остава неизползван. Граничната честота `47 MHz` е условна и отговаря на честотата на първи телевизионен канал съгласно европейския стандарт `CCIR`. Наличието на този неизползван участък е довело до идеята за създаване на интерактивна система за пренос на информация. В резултат на това се реализира т.нар, обратен канал, който се използва за предаване на сигнали в обратна посока от абоната към главната станция (възходящ поток). Тази технология превърна кабелните телевизионни мрежи в двупосочни интерактивни хибридни (оптично-коаксиални) мрежи, предоставящи цифрови и аналогови видео канали и високоскоростна цифрова информация.

Изисквания към правия и обратния канал

В настоящия момент за внедряване услугите на интерактивното обслужване по традиционни кабелни мрежи най-голямо разпространение е получил американският стандарт `DOCSIS`(Data Over Cable Service Interface Specifications). Изискванията му са формулирани по такъв начин, че внедряването му е възможно в практически всяка кабелна телевизионна система за всеки честотен обхват. Този стандарт е ориентиран ктм американския честотен план за разпределение на каналите (при честотна лента от `6 MHz`и честотен обхват на обратния канал от `5` до `42 MHz`). За да се разшири приложението на стандарта, в него е включена и европейска версия - `EuroDOCSIS` с препратка към стандарта `CENELEC  EN  50083` (честотна лента на канала `8 MHz` и честотен обхват на обратния канал от `5` до `65 MHz`). За достигане максимална скорост на цифровия поток в обратния канал от порядъка на `10.24 Mbps` (при максимална честотна лента на канала от `3.2 MHz`) е необходимо да се постигне отношение носеща/шум (`CNR`) не по-малко от `22 dB`. Тук в шумовия сигнал се включват топлинните шумове, шумовете от ингресия и интермодулационни смущения. Точно това изискване предизвиква максимални затруднения по активирането на обратния канал.

Оборудването, разработено в съответствие с основния стандарт `DOCSIS` може да се използва и от български кабелни оператори, при условие, че то поддържа честотния план `OIRT`. В действителност възможностите на този стандарт за европейските мрежи не са оптимални. Например максималната скорост на предаване ще бъде значително по-малка - около `43 Mbps`, а необходимото отношение `CNR` на входа на приемника на обратния канал - над `25 dB`.

Важно е да се отбележи, че максималното ниво на сигнала на изхода на кабелните модеми може да достигне стойност до '118 dBmuV` (за `QPSK`) или `115 dBmuV` (за `16-QAM`).

Система за кабелна телевизия (СКТ), в която е активиран обратния канал, се нарича интерактивна. Такава е и всяка СКТ извън зависимостта от честотния обхват която позволява съществено да се увеличат приходите на кабелния оператор за сметка на предоставяне достъп до допълнителни услуги за абоната.

Обратният канал има индивидуален характер, тъй като дава възможност за предаване на информация от всеки абонат към главната станция, а абонатът ползва  интерактивни услуги: видео и аудио по заявка, телефония, пренос на данни, телеметрия, пожароизестителни и охранителни услуги, и др. Реализацията на обратния канал става възможна благодарение на използване на система за терминиране на кабелните модеми в главната станция, използване на двупосочни усилватели в преносната среда и кабелни абонат от страната на абонатите.

В повечето съвременни усилватели, в един корпус се поставят паралелно два усилвателя: за права и обратна посока, които се превключват с честотен диплексер (фиг.1.2), чиято честотна избирателност осъществява необходимата развръзка между сигналите в право и обратно направление.

Оборудване в главната станция, наречено система за терминиране на кабелните модеми - `CMTS` (Cable Modem Termination System), комуникира по обратния канал с кабелните модеми, намиращи се в домовете на абонатите, което представлява виртуална локална мрежа `LAN`.

За инсталацията на кабелен модем е необходимо да се прекара коаксиална кабелна връзка от локалния мрежов разпределител до крайния потребител, като по трасето трябва да бъдат инсталирани двупосочни усилватели. В дома на абоната се инсталира кабелен модем, който в общия случай изпраща данни по обратния канал, а приема по правия. В правия канал ( в посока към клиента) цеифровият поток от данни се модулира и след това се пренася в честотната лента от `47 MHz` до `862 MHz`. Прилагат се няколко схеми на модулиране, но двете най-популярни модулации са `QPSK` (до `10 Mbps`) и `64-QAM` (до `36 Mbps`). Този сигнал може да се вмества в `6 MHz` канал в съседство с телевизионните канали, без да смущава видеосигналите на кабелната телевизия. Обратният канал е по-усложнен и най-често използва модулационни формати `QPSK` или `64-QAM` (постигат се скорости от `320 kbps` до `10 Mbps`).

Наличието на обратен канал поставя следните изисквания към кабелните разпределителни мрежи:

• осигуряване на достатъчен капаците за обратния канал;
• отчитане на смущенията, които обратният канал предизвиква в мрежата и ограничаването им в определени приемливи рамки;
• осигуряване на необходимото ниво на сигнала в обратния канал, т.е. контролиране на затихването на сигнала в него.

Структурно широколентовата кабелна телевизионна мрежа може да се раздели условно и на функционални зони, отличаващи се по специфични параметри и начин на изграждане(фиг.1.3., табл.1.1).

Изискванията към всеки от функционалните сегменти се фомират преди всичко икономически целесъобразно в зависимост от топологическите особености и цялостната структура на мрежата.

Видове услуги, доставяни по кабелните телевизионни мрежи

Практически всички цифрови информационни услуги могат да бъдат предоставяни по кабелни телевизионни мрежи, като най-често срещаните са:

• достъп до интернет - 
• телефония - 
• системи за видеонаблюдение - 
• система за противопожарна и охранителна сигнализация -
• система за диспечеризация - 
• видео по поръчка - 
• видео мрежи и видео-конференция -

Формиране честотния обхват на обратния канал

За обратния канал са намерили приложение четири основни честотни обхвата:

• от `5` до `30`/`47  MHz`  - традиционен за Русия и някои други страни. Това е най-тесният обхват, но е напълно достатъчен за внедряване на традиционния интернет;
• от `5` до `42`/`54  MHz`  - традиционен за САЩ и всички страни, където телевизионното предаване се извършва по стандарта `NTSC`;
• от `5` до `55`/`60  MHz`  - прилага се само в Япония и някои други азиатски страни;
• от `5` до `65`/`87  MHz`  - най-разширеният и удобен честотен обхват, масово използван в повечето европейски страни.

При планиране на обратния канал е желателно да се обезпечи защитен интервал не по-малък от `0.8  MHz` за осигуряване на динамично повдигане на честотата с `+-0.4  MHz`.

Порядък на предоставянето на услуги с предаване на данни по кабелната мрежа

В съответсвие със стандарта DOCSIS за предоставяне на услуги с предаване на данни се използват модулационни формати `64-QAM` и `256-QAM` в правия канал (табл.1.2), и `QPSK` и `16-QAM` в обратния канал (табл.1.3).

Фактори, оказващи негативно влияние върху доставката на високоскоростен интернет достъп по кабелна телевизионна мрежа.

Колективната природа на кабелната телевизионна мрежа внася проблеми в сигурността. Напълно възможни са действия за прихващане на цифровия информационен поток и извличане на конфиденциална информация. За защита на абонатите от такива посегателства се разработват и прилагат различни мерки за безопасност като криптиращи алгоритми и техники, които поддържат много висока степен на сигурност на личната информация. Естествено, сред абонатите, за които сигурността на информацията е от първостепенна важност са услугите електронно банкиране, електронна търговия, електронна поща и др. От страна на доставчика проблемите с неправомерен достъп на абонати е свързан най-много с услуги като видео по заявка (Pay per View).

Висока надеждност може да бъде обезпечена с правилно проектиране, качествена реализация и в последствие - качествена експлоатация на кабелните телевизионни мрежи. Въпреки това съществуват редица неблагоприятни фактори, които влошават надеждността. Един от най-важните от теях е наличието на различни смущения и шум.

Навлизането на шум в обратния канал може да окаже пагубно влияние върху достоверността на предаваната информация във възходящия поток.. Шумовите сигнали обикновено се формират от различни мощни източници на радиосигнали, които неизбежно проникват в коаксиалния кабел и се наслагват с предаваните сигнали. Те имат произволен характер на появяване във времето и са в тясна честотна лента.

Електронните смущаващи ефекти в коаксиалната част на хибридните мрежи се разделят на следните основни групи:

1. Смущения в цифровия приемник:
• коефициент на шума на радиочестотния приемник;
• фазов шум на радиочестотния приемник;
• нелинейни изкривявания на радиочестотния приемник;
• загуби в `QAM`- модулатора.
2. Смущения, породени в главната станция:
• коефициент на модулационна грешка на `QAM`- модулатора;
• фазов шум на честотния преобразувател на `QAM`- канала;
• шум от съседни канали.
3. Смущения по кабелната мрежа:
• адитивен бял Гаусов шум;
• отразено електрическо ехо и групово закъснение;
• 'QAM` - амплитудни вариации;
• фазов шум;
• пакетен и импулсен шум;
• паразитна амплитудна модулация. 

Голяма част от изброените проблеми могат да бъдат решени чрез използване на синхронно мултиплексиране с разделяне по код - `S-CDMA`(Synchronous Code Division Multiplexing). То представлява спектрално-разширяваща модулационна техника, която използва наличните честоти по-ефективно и може да функционира по-надеждно от мултиплексирането с разделяне във времето `TDMA`(Time Division Multiple Access) в зашумени обратни канали. Поради начина, по който `S-CDMA` разпространява сигналите, това мултиплексиране е по-нечувствително към външни шумове. В допълнение то синхронизира сигналите в обратния канал, което намалява взаимната интерференция. По този начин се освобождава допълнителна честотна лента.

Основните видове смущения в оптичната част на хибридните мрежи са:

• индуциран импулсен клипинг-шум;
• нелинейни смущения;
• многократни оптични отражения;
• индуцирани дисперсипнни смущения;
• стимулирано разсейване на Брилюа (`SBS` - Stimulatrd Brillouin Scattering);
• вътрешно-фазова модулация (`SPM` - Self Phase Modulation)
• стимулирано разсейване на Раман (`SRS` - Stimulatrd Raman Scattering);
• кръстосана фазова модулация (`XPM` - Cross Phase Modulation)
• смущения, зависещи от поляризацията.

За да се постигне по-голяма далечина на предаване или да се осигури по-голямо оптично разделяне - в оптичната нишка трябва да се внесе повече светлинна енергия. Но множество нелинейни ефекти в оптичното влакно ограничават горната граница на оптичната мощност в `HFC` или `DWDM` мрежите за достъп. Нелинейните влакнесто-оптични ефекти се раделят на ефекти върху единична дължина на вълната и ефекти върху множество дължини на вълната.

Осъществяване на достъп до услуги в системите за кабелна телевизия

Основна разлика между многофункционалните и обикновените мрежи за предаване на данни се състои във възможността за гарантирана доставка на нееднородни по предназначение и степен на важност информационни потоци. От гледна точка на абоната многофункционалната мрежа заменя няколко от използваните в миналото отделни канали за предаване на специфични видове данни - телефония, телевизия и видео, или данни. От системна  гледна точка многофункционалната мрежа представлява мощна инфраструктура, обединяваща множество комуникационни, видео и аудио услуги и осигуряваща голяма пропусквателна способност на каналите и високо качество на всяка една предлагана услуга.

Многофункционалните мрежи се различават по териториално покритие и обема на предоставяните услуги. Такъв вид градска мрежа има следните особености:

• голямо географско покритие (град/област);
• голямо количество абонати;
• голямо количество предоставяни услуги;
• голямо разнообразие от тарифни планове;
• чувствителност на потребителите към откази на мрежата.

Необходимо условие е да се осигури доставчик на телекомуникационни услуги и доставчик на мултимедийно съдържание. Основен проблем при изграждането на такава мрежа е проблемът със степента на достъп - проблемът с "последния километър" и цената на абонатното оборудване.

Кабелните телевизионни мрежи, чието проектиране е съобразено с изискванията в `DOCSIS` са намерили голямо приложение и развитие като мрежи за широколентов достъп. Едно от най-подходящите и най-разпространени решения за универсална транспортна среда от общоградски мащаб е хибридната оптично-коаксиална мрежа (`HFC`). Тя се отличава с голяма обхваната площ, висока максимална скорост на предаване, много добра управляемост, голямо количество предоставени услуги и ниска себестойност (и съответно ниска крайна цена за абоната). Пролемът с "последния километър" е решен за сметка на вече съществуващите оптично-коаксиални мрежи за кабелна телевизия. `DOCSIS` протоколът е създаден с възможността за гарантиран достъп до необходимия тип трафик. И тъй като кабелната мрежа вече е положена, то рязко пада стойността за включване на нови абонати на мрежата.

Новите услуги в мрежите за кабелна телевизия позволяват на оператора да получи допълнителни доходи от въвеждането на пренос на данни, телефония, видео информация, телеметрия на сгради, съоражения и др. Предоставянето на голямо брой висококачествени услуги с ниска себестойност в съчетание с разнообразни тарифни планове позволява на оператора да получи предимство над конкурентите си и стимулира привличането на нови абонати.

В общия случай системата установена в главната станция функционалната схема, показана на фиг.2.1. В основата ѝ стои вътрешна операторска IP-мрежа, базирана на протоколите `TCP/IP`, която може да бъде базирана на локална мрежа (`LAN`) и може да има изход към глобалната мрежа (`Internet`). В случаите, когато операторът притежава повече от една точка на присъствие (`PoP` - Point of Presence), реализирани в подглавни станции (ПГС), мрежата може да бъде разпределена. IP-мрежата на практика представлява среда за пренос на данни и всички услуги я използват като транспортна среда. Всички останали компоненти се свързват с IP-мрежата, изпълнявайки своите локални фукции по поддръжка на работоспособността на системата.

Съществуват четири основни компонента на вътрешно операторската IP-базирана система:

• изход на системата към глобалната мрежа;
• връзка към хибридната кабелна мрежа;
• управление на системата;
• автоматизирана система за таксуване.

Отсъствието на връзка към глобалната мрежа очевидно ограничава възможностите на оператора и неговите клиенти. За пренос на данни по обичайния начин с вътрешно за мрежата съдържание се изгражда т.нар. Интранет, а връзка към глобалната мрежа се осъществява с помощта на маршрутизатор.


Третият етап в развитието на мрежата (фиг.2.3) се характеризира с още по-голямо нарастване на количеството абонати, като всяка нова услуга трябва да бъде подсигурена с мощна маркетингова поддръжка. През този етап въвеждането на IP-телефония в мрежата за кабелна телевизия позволява на абонатите качествена услуга с широки възможности:

• за частни абонати:
• конферентни разговори;
• пренасочване на повиквания;
• намаляване цената на междуградски и международни разговори;
• подобряване качеството на връзката;
• гласова поща и телефонен секретар.
• за обществени и бизнес абонати:
• операторски центрове (Call-центрове);
• системи за достъп до информация чрез гласово меню;
• системи за дистанционно наблюдение, контрол и управление;
• телефонизация на отдалечени офиси;
• конфиденциалност и защита на информацията.

Важно е да бъдат изпълнени техническите условия за договореното качество на услугата (`QoS` - Quality of Service). Например на гласовия трафик от телефония трябва да бъде предоставен безусловен приоритет при първичната обработка на цифровите пакети, понеже телефонията изисква по-висока скорост в сравнение с преноса на данни.

Оборудването за IP телефония се вписва във вече съществуващата архитектура, като целият комплекс от устройства може да се групира така:

• сървър за управление на повикванията и организация на телефонните услуги (Gatekeeper);
• шлюз между IP-мрежата и обществаната комутируема мрежа (`IP-PSTN` шлюз);
• абонатни устройства - IP-телефон, абонатни адаптери за IP-аналогова линия (където все още се използва такава);

Преимуществата на IP-телефонията в сравнение с кабелната телефония са:

• много бързо добавяне на нови абонати към телефонната мрежа при технико-икономическа невъзможност за включването им към градската комутируема телефонна мрежа;
• предоставяне на съпътстващ телефонията пакет от допълнителни телефонни услуги;
• възможност за организация на виртуални частни телефонни мрежи;
• наличие на инфраструктура за развитие на гласови информационни служби;
• по-ниска цена за крайния потребител.

В този вид системата за достъп, базирана на кабелна телевизионна мрежа се проявява като универсална транспортна среда и позволява предоставянето на множество привлекателни услуги. Голямата географска зона на покритие и наличието на универсален участък за "последния километър" е сериозно предимство на системата.

В днешно време тази система се развива сравнително бавно отколкото в САЩ и Европа, където пазарът е вече почти напълно наситен. В САЩ повече от 65% от абонатите с широколентов достъп са свързани към глобалната мрежа чрез мрежата за кабелна телевизия. В България този процес е много по-бавен, поради демонстрираното слабо желание на кабелните оператори да обединят дейността си с доставчиците на интернет услуги.