Были бы прогнозы - погода будет
(c) Михаил Генин
Данную статью предоставил Глеб Высоцкий. Хотя она относится скорее к кабельному телевидению, но... Слишком тонка становится грань между домашними сетями и операторами КТВ. Да и в любом случае - лучше знать сильные и слабые стороны основных конкурентов Ethernet-провайдерам не помешает. ;-)
Какое отношение имеет кабельное телевидение к «домашним сетям» и вообще к передаче данных? Самое прямое. Передача данных и телевидение сосуществуют в одних и тех же сетях. Причем уже сегодня, и не где-то на расчудесном Западе, а в нашей стране и даже в нашем городе. Сам по себе это факт может только порадовать. Во-первых, из-за взаимного проникновения телевидения в сети передачи данных и Интернета в сети телевидения и та, и другая услуги получают большее распространение. Во-вторых, эти услуги изменились качественно: Интернет в сетях кабельного телевидения становится высокоскоростным, а телевидение в Интернет - интерактивным. Значит, конвергенция необходима и неизбежна. Собственно, сегодня вопрос, как развивать сети кабельного телевидения – это вопрос о том, как интегрировать кабельное телевидение и сети передачи данных.
А в чем проблема?
«Телевизионщики» и «компьютерщики» видят разные пути конвергенции. С одной стороны, на сетях кабельного телевидения (СКТВ) внедряются технологии, позволяющие передавать данные, осуществлять телефонную связь и предоставлять доступ в Интернет, используя физическую инфраструктуру этих сетей. Это системы кабельных модемов (СКМ), которые довольно широко используются в крупных российских СКТВ. С другой стороны, «традиционно аналоговые» услуги (телефония, телевидение, радио) все чаще предоставляются на компьютерных сетях. Для «оффлайнового» просмотра видео компьютер сейчас популярен не многим менее чем видеомагнитофон и DVD. Однако «Онлайновое» компьютерное телевидение со «смотрибельным» качеством до недавнего времени было невозможно из-за недостаточной пропускной способности сетей доступа.
Сейчас сети xDSL, да и современные сети Ethernet, уже способны доставить абоненту «видео по запросу» (VOD, Video-On-Demand), причем они справляются с этой задачей не хуже, а лучше сетей КТВ. Организовать в тех же сетях регулярное вещание обычных программ телевидения и радио технически еще проще. Энтузиасты уже активно проводят эксперименты по ретрансляции цифровых спутниковых программ поверх IP в локальных сетях, например, большой интерес у наших соотечественников к проектам www.videolan.org, www.linuxtv.org.
Раньше сети кабельного телевидения и компьютерные сети не пересекались «географически» – СКТВ охватывали жилые дома, а сети передачи данных – офисы. Сегодня мы наблюдаем интенсивное внедрение «домашних сетей» в жилые районы, а операторы СКТВ, предоставляющие услуги СКМ, стремятся подключить крупные предприятия. Сейчас сети кабельного телевидения являются одной из технологий «последней мили» для компьютерных сетей, а компьютерные сети в самое ближайшее время частично или полностью возьмут на себя функции сетей распределения телевидения. Операторам компьютерных сетей вряд ли стоит в связи с этим специально предпринимать какие-либо действия. Мультимедиа проникает в их сети на уровне приложений, «софта».
Что по этому поводу думает наше Государство
К сожалению, государственная стратегия в этом вопросе формируется группой ученых и чиновников, представляющих интересы действующих операторов крупных СКТВ. Суть стратегии – сделать СКТВ «цифровыми» и «мультимедийными», при этом сохранив их такими, какие они есть на сегодняшний день: с большой долей коаксиального сегмента, с полностью аналоговым транспортом, с единой точкой формирования пакета услуг на всю сеть, какой бы большой она не была. А «цифровизацию» произвести, «навесив» на существующую аналоговую транспортную структуру новое оконечное оборудование – головное и абонентское. Позиция государства изложена в документе, который называется «Концепция развития в России сетей кабельного телевидения и систем широкополосного беспроводного доступа типа MMDS, LMDS и MWS(MVDS)» (далее для краткости – «Концепция»). Он утвержден постановлением коллегии Минсвязи РФ в декабре 2000 года, и с тех пор не пересматривался.
Безусловно, «Концепция» как нельзя лучше подходит для существующих СКТВ. Следуя ей, оператор может максимально эффективно использовать кабельную инфраструктуру своей сети для услуг передачи данных, Интернет и телефонии. Сегодня у него есть огромное преимущество перед операторами компьютерных сетей – практически 100%-ное проникновение в жилища абонентов в зоне обслуживания.
Завтра в эту зону придет цифровая сеть доступа, возможности которой заведомо перекроют возможности СКТВ. Старая сеть кабельного телевидения рано или поздно не выдержит конкуренции. Ну и пусть – ведь она с лихвой отработала затраченные на нее средства. А благодаря «цифровизации» еще и помогла напоследок получить дополнительный доход. Но вот беда – «Концепция» имеет в виду не только и не столько модернизацию старых СКТВ, сколько строительство новых. А на строительстве сетей деньги не зарабатываются, они тратятся. И в тот момент, когда сеть должна будет начать зарабатывать, окажется, что она не конкурентоспособна вообще или требует серьезной переделки.
Что такое HFC
«Вновь создаваемые сети должны строиться на основе гибридной волоконно-коаксиальной технологии…» - это ключевая фраза «Концепции», в которой заключена и ее суть, и ее главная ошибка. На рисунке показана схема сети кабельного телевидения, построенной по технологии HFC (Hybrid Fiber Coax) – гибридной волоконно-коаксиальной технологии. Задача сети – доставка телевизионных сигналов от нескольких разных источников, а также трафика IP, к оконечным устройствам, находящимся в жилище абонента: телевизору, компьютеру, телефону.
Сеть имеет четыре уровня: уровень города, уровень района, уровень коаксиального кластера и уровень дома.
I. На уровне города используется цифровой оптический транспорт. Цифровое транспортное кольцо, например, ATM поверх SDH (STM4…STM16) соединяет центральную головную станцию (ЦГС) с периферийными, или районными головными станциями (ПГС). Цифровая транспортная система не обязательно должна быть построена по технологии ATM, это может быть просто сеть SDH или сеть GbE. ЦГС осуществляет кодирование аналоговых сигналов от собственных источников (местные телестудии) в MPEG-2/DVB, прием цифровых сигналов со спутников в MPEG-2/DVB, формирование операторского пакета цифровых программ в виде нескольких транспортных потоков DVB, ввод этих потоков в транспортную сеть. Кроме того, на ЦГС устанавливается мощный маршрутизатор, который служит шлюзом между внешней сетью IP и цифровой транспортной сетью.
Таким образом, ЦГС является «чисто цифровой», радиочастотные сигналы вообще не используются ни в самой станции, ни в транспортной сети. Пример оборудования для цифровой головной станции - линейка ATMux финской фирмы Teleste. Достаточно пальцев одной руки, чтобы пересчитать СКТВ в России, которые используют для доставки сигналов телевидения цифровой транспорт. Соответственно, в реальных российских сетях этот уровень просто отсутствует. Структура типичной российской гибридной кабельной сети показана на рисунке 2.
II. Уровень района. На этом уровне используется аналоговый оптический транспорт. Периферийная головная станция принимает цифровой сигнал от ЦГС и выделяет из него отдельные потоки DVB. Также на ПГС могут вводиться «локальные» телевизионные каналы, вещание которых актуально только в районе обслуживания этой ПГС (например, собственный телеканал районной администрации или спутниковые каналы для национальных диаспор). Локальные каналы могут приниматься со спутника, с обычной (эфирной) телевизионной антенны или поступать от собственной телестудии. Все цифровые телевизионные сигналы на ПГС декодируются до аналоговых сигналов аудио и видео. Затем с помощью модуляторов из них формируются сигналы кабельных телевизионных каналов в диапазоне метровых и дециметровых волн (47-862 МГц). Такие сигналы уже можно принимать на обычный телевизионный приемник.
Кроме того, цифровые потоки DVB могут непосредственно модулироваться в 64QAM в этом же диапазоне – это цифровые кабельные каналы, и для их просмотра абоненту необходим кабельный цифровой ресивер. Центр кабельных модемов (CMTS) выполняет функции шлюза из цифровой транспортной сети в сеть передачи данных, построенную поверх аналоговой транспортной системы кабельного телевидения. На его радиочастотном выходе формируется сигнал нисходящего цифрового потока, который по своим радиочастотным параметрам не отличается от сигналов аналоговых и цифровых телевизионных программ. Выходные сигналы центра кабельных модемов, модуляторов QAM и обычных телевизионных модуляторов складываются сумматором. Таким образом, для совмещения сигналов разных услуг в одном канале связи используется аналоговый метод уплотнения – уплотнение по частоте (FDM – Frequency Division Multiplexing).
Групповой аналоговый электрический сигнал с полосой частот 47-862 МГц (сигнал прямого канала) лазерным передатчиком преобразуется в оптический сигнал и подается в оптическую распределительную сеть. Топология аналоговой оптической сети может быть разной, но чаще всего это «звезда», «дерево» или их комбинация. Для распределения между несколькими небольшими коаксиальными сетями (коаксиальными кластерами) сигнал прямого канала может делиться как на электрическом, так и на оптическом уровне (или на обоих уровнях). В первом случае используется обычный радиочастотный делитель сигнала и несколько оптических передатчиков, во втором случае – один мощный оптический передатчик и пассивные оптические делители (ответвители).
В обратном направлении от каждого коаксиального кластера на головную станцию приходит отдельное волокно с сигналом обратного канала. На головной станции каждый оптический сигнал обратного канала преобразуется в электрический отдельным оптическим приемником и подается на вход отдельного демодулятора центра кабельных модемов. Как правило, используется активное оптическое оборудование, работающее на длине волны 1310 нм, оптический кабель - только с одномодовым волокном.
III. Коаксиальный кластер охватывает несколько домов (микрорайон). На границе оптического кабеля и коаксиальной сети устанавливается оптический узел (ОУ) – в общем случае, это комбинация оптического приемника прямого канала с оптическим передатчиком обратного канала. ОУ имеет два оптических порта – вход прямого и выход обратного канала, и один или несколько коаксиальных портов - все они являются одновременно и выходами прямого канала, и входами обратного. Конструктивно ОУ выполняется в виде необслуживаемого устройства в герметичном корпусе и может быть размещен на чердаке, подвале, в колодце кабельной канализации и т.п.
Сигнал прямого канала преобразуется из оптического в электрический в диапазоне 47-862 МГц и выводится на коаксиальный выход узла. С этого же выхода в ОУ поступают сигналы обратного канала от абонентских кабельных модемов в диапазоне 5-65 МГц. Эти сигналы преобразуются из электрических в оптические и направляются на головную станцию по отдельному волокну. Коаксиальная распределительная сеть имеет топологию «дерево» и состоит из коаксиальных кабелей и пассивных делителей мощности (разветвителей и ответвителей). Для компенсации потерь мощности в кабеле (в коаксиальном кабеле они значительные) и уменьшения мощности при делении сигнала используются магистральные кабельные усилители (УМ).
Функционально УМ содержит два усилителя, для прямого и обратного каналов, развязка между которыми обеспечивается диапазонными фильтрами (диплексерами). УМ также выполняются в герметичных корпусах и размещаются в необитаемых помещениях. Электропитание ОУ и УМ осуществляется от удаленного блока питания дистанционно, по коаксиальному кабелю. Для этого используется постоянный ток или переменный ток с частотой 50 Гц, который может присутствовать в кабеле одновременно с сигналом, никак не мешая ему.
IV. Домовые распределительные сети. Отвод от магистральной сети вводится в здание, где устанавливается домовой кабельный усилитель (УД). Функционально он аналогичен магистральному усилителю, но отличается конструктивно – как правило, у него больше усиление (и коэффициент шума), локальное питание (от розетки 220В) и негерметичный корпус. УД обслуживает домовую распределительную сеть (ДРС) построенную на коаксиальном кабеле небольшого диаметра (RG6 и RG11) и пассивных делителях мощности – абонентских (этажных) ответвителях. К отводам этих ответвителей (абонентским отводам СКТВ) подключаются телевизоры абонентов. Кабельные модемы подключаются по двум разным схемам: индивидуальной и коллективной.
Индивидуальный кабельный модем подключается к такому же абонентскому отводу, как и телевизор, и обслуживает единственный ПК. Этот способ предполагает максимальную пропускную способность для абонента, однако, имеет два серьезных недостатка. Первый – относительно высокая стоимость подключения, абонентский модем стоит 60-70 USD. Второй недостаток – проблема качественной работы обратного канала. В отличие от прямого канала, где сигнал на пути от головной станции к абоненту многократно делится, в обратном канале в каждом ветвлении сети сигнал суммируется с сигналами других «ветвей». Таким образом, обратный канал СКТВ представляет собой своеобразную «воронку», собирающую шумы и помехи изо всех «закоулков» сети в один кабель.
Если во всем доме подключены 2-3 абонентских модема, все остальные абонентские отводы, которые не используются, создают лишние помехи для работы модемов. Более того, практика показала, что сами модемы могут создавать помехи работе телевизоров. Хотя сигналы прямого и обратного каналов разнесены по частоте, сигнал обратного канала на выходе модема примерно в 1000 раз сильнее, чем сигнал прямого канала на входе телевизора (120 дБмкВ против 60 дБмкВ). Поэтому для надежной работы индивидуальных абонентских модемов на все абонентские отводы, к которым модемы не подключены, необходимо устанавливать специальные фильтры-пробки, отсекающие сигнал в диапазоне обратного канала.
Коллективный кабельный модем подключается непосредственно к домовому кабельному вводу, до УД, и обслуживает весь дом. Для подключения к нему абонентских компьютеров параллельно ДРС кабельного телевидения строится обычная проводная сеть 10/100 Мбит/сек Ethernet на «витой паре». Это очень удобно. Во-первых, модем нужен один на весь дом, а для подключения абонента используется лишь сетевая карточка, которая намного дешевле (а зачастую и вовсе интегрирована с материнской платой). Во-вторых, из системы обратного канала исключается целый уровень дома, поэтому абонентские модемы имеют дело с гораздо менее зашумленным каналом. Фильтры-пробки не нужны, если во всем доме не используется ни один индивидуальный кабельный модем, в УД просто отключается усилитель обратного канала. Наконец, вовсе не обязательно подключать к модему всех жильцов дома: можно прокладывать новые витые пары по мере поступления заявок.
Цифровые услуги – аналоговые проблемы
Российские кабельные операторы, внедрив цифровое телевидение DVB-C или систему кабельных модемов, спешат назвать свою сеть «цифровой». Между тем, гибридные волоконно-коаксиальные сети – аналоговые. Оттого, что в сети передаются цифровые данные, сама сеть цифровой не становится. Сигналы разных услуг в такой сети могут быть разделены только по частоте.
Из этого следует: даже если в сети КТВ будут присутствовать только цифровые телевизионные программы в DVB-C и сигналы цифровых услуг, групповой сигнал с FDM останется аналоговым. Цифровой сигнал в компьютерной сети можно регенерировать активными устройствами, попутно исправляя ошибки. Аналоговый групповой сигнал в коаксиальной сети можно только усиливать, от усилителя к усилителю накапливая шумы и искажения.
Частично эта проблема решается использованием волоконной оптики. Потери в волокне ничтожны по сравнению с потерями в «коаксиале», поэтому оптическая часть сети, как правило, либо полностью пассивная, либо использует не более одного усилителя (оптического, натурально) между ГС и любым ОУ. Поэтому в гибридной сети число каскадно включенных усилителей от ГС до любой абонентской розетки меньше, чем в чисто коаксиальной сети такого же размера. Однако, потери оптической мощности при делении сравнимы с потерями при делении электрического сигнала (просто по закону сохранения энергии). Поэтому технология HFC эффективна, когда оптические линии большой протяженности объединяют малое число крупных коаксиальных кластеров. Сокращение размеров коаксиальных кластеров ведет к росту их числа, и, как следствие, к росту мощности и/или числа лазерных передатчиков, соответственно, к неадекватному росту стоимости. Оптические устройства компьютерных сетей работают с дискретными сигналами в ключевом режиме, поэтому они экономичны и относительно дешевы. Лазерные устройства HFC работают с аналоговыми сигналами в линейном режиме, поэтому они дороже на порядок.
Все множество услуг, предполагаемых в современной сети HFC, сводится к четырем технологиям:
Две последние технологии – «чисто» цифровые. DVB – технология универсальная, разные стандарты позволяют передавать телевизионные программы, сжатые в MPEG-2, как по аналоговым каналам (DVB-T, DVB-C, DVB-S), так и в компьютерных сетях (DVB-IP, DVB-ATM). Остается аналоговое телевидение. Это уходящая технология, ее возможности полностью перекрываются возможностями DVB, но это единственная услуга, сигнал которой можно транспортировать только в аналоговой сети. «Концепция» предусматривает строительство аналоговых СКТВ, при этом «Предполагаемый срок действия концепции - 2015 год (до завершения в России полного перехода на цифровое телевизионное вещание)» (цитата). Получается парадоксальная ситуация: как раз к завершению строительства именно такие сети станут принципиально ненужными, поскольку отпадет необходимость передавать аналоговые сигналы.
С другой стороны, на переходный период аналоговые трансляции должны быть сохранены, потому что изначально у всех абонентов кабельной сети – только аналоговый телевизор. Но для того, чтобы обеспечить аналоговый сигнал на входе телевизора, вовсе не обязательно иметь его таким во всей сети, от головной станции до абонентской розетки.
Обратный канал: новые требования, старые возможности
Второй недостаток сети HFC – асимметричность. Сеть по определению содержит коаксиальный сегмент, в котором прямой и обратный каналы используют одну и ту же среду и разделены по частоте. Сети кабельного телевидения изначально создавались для однонаправленной передачи информации, только от головной станции к абоненту, и весь рабочий диапазон частот (до 862 МГц) был отведен для этого направления. Когда возникла потребность в обратном канале, главным условием его реализации была совместимость с существующим оборудованием однонаправленных сетей. Использование более высоких частот такую совместимость не обеспечивало, поэтому для обратного канала отвели небольшой участок ниже телевизионного диапазона – от 5 до 30 МГц (в отдельных случаях допускается использование диапазона от 5 до 65 МГц). Тогда этого было вполне достаточно для решения задач, стоявших перед кабельщиками.
В современной сети HFC от обратного канала требуется в сотни раз большая пропускная способность. Некоторые услуги, например видеоконференции, требуют одинаково высокой скорости передачи информации в обоих направлениях, как от абонента в сеть, так и обратно. Однако исторически сложившийся обратный канал остается тем же самым. Его полоса частот в двадцать раз меньше полосы прямого канала. Он гораздо более подвержен воздействию шумов и помех, чем прямой канал, поскольку, как воронка, собирает шумы со всех «закоулков» сети в один кабель.
Как показывает опыт действующих операторов систем кабельных модемов, для обеспечения нормальной работы обратного канала необходим целый комплекс технических мероприятий –тщательное проектирование, выбор оборудования для всех участков сети, от головной станции до абонентской розетки, настройка с использованием дорогостоящей измерительной техники. Но даже если все эти мероприятия выполнены надлежащим образом, обратный канал создает массу проблем.
Доставка ненужных сигналов
Аналоговые сети телевидения – некоммутируемые. Сигнал, передаваемый для одного абонента, доставляется на все без исключения абонентские розетки сети, независимо от того, нужен он другим абонентам или нет. Если сеть используется только для телевизионного вещания, то количество каналов, которые необходимо иметь в сети, определяется количеством транслируемых телевизионных программ. Их может быть от нескольких десятков до нескольких сотен. Теоретически в полосе частот кабельного телевидения (более 800 МГц) с использованием MPEG-2/DVB можно сформировать такое количество каналов. Однако если речь идет о персонифицированных услугах, например, «видео по заказу», то потребность в каналах определяется количеством активных абонентов, а их может быть до нескольких тысяч. В аналоговых сетях телевидения, даже используя технологии DVB, получить такое количество каналов невозможно. Значит, эти услуги будут доступными не всем и не всегда.
Между тем, абонентское оборудование для приема телевидения, в том числе абонентские терминалы DVB, устроены так, что могут обрабатывать одновременно не более одного телевизионного канала. Да, собственно, так «устроен» и сам абонент. Логичнее доставлять абоненту единственный канал – именно тот, который нужен ему в данный момент. Такой подход позволит снизить требования к полосе пропускания кабельной системы, по крайней мере, на нижних уровнях сети, то есть именно там, где у сетей HFC находится самый «узкий» участок – коаксиальный.
Конвергенция наоборот
Во всех технологиях передачи информации мы наблюдаем переход от аналоговых сигналов к дискретным, от FDM к TDM, от коммутации каналов к коммутации пакетов, от синхронных методов передачи к асинхронным. Типичный пример – телефония. Вместо аналоговых сигналов голоса транспортируются и коммутируются цифровые каналы. Вместо аппаратуры частотного уплотнения повсеместно внедряется оборудование цифровых сетей PDH и SDH. Наконец, для передачи голоса все больше используются сети с коммутацией пакетов - IP и ATM. Видео в компьютерных сетях тоже давно не экзотика.
В гибридной сети, наоборот, цифровые сигналы с помощью модемов преобразуются в аналоговые, чтобы затем транспортироваться в аналоговом виде, с усилением и пассивным делением вместо регенерации и коммутации. Для разделения сигналов разных услуг используется FDM, причем радиочастотные параметры канала ориентированы на сигналы аналогового телевидения и никаким образом не учитывают специфику сигналов других услуг. Наоборот, другие услуги приспосабливаются для передачи в полосе аналогового канала. В результате возможности сети с точки зрения этих услуг оказываются сильно ограниченными.
Немного арифметики
Сегодня большинство российских пользователей могут сравнивать новую технологию доступа только с доступом по коммутируемой телефонной линии с полосой 3 кГц, поэтому полоса телевизионного канала 8 МГц кажется им огромной. Однако уже завтра все изменится. Это предвидят и авторы «Концепции…»: «Анализ тенденций развития информационных ресурсов показывает, что в перспективе необходимо ориентироваться на организацию каналов для индивидуальных пользователей со скоростью передачи не менее 2 Мбит/с, а для корпоративных - 155 Мбит/с и выше».
Наиболее информативная модуляция в прямом канале сети кабельного телевидения - 256QAM. Максимальная пропускная способность одного канала с полосой 8 МГц по формуле Найквиста - 128 Мбит/сек, а полезная скорость в реальном оборудовании составляет до 56 Мбит/сек. Этого недостаточно даже для одного корпоративного пользователя по определению «Концепции…». Авторы появившихся в последнее время публикаций в пользу кабельных модемов утверждают, что это не так. Суть их аргументов сводится к следующему: можно легко увеличить пропускную способность системы кабельных модемов, если вместо одного центра кабельных модемов поставить два, три и т.п.
Однако при использовании двух и более частотных каналов получаются несколько отдельных каналов по 56 Мбит/сек. Хотя эти каналы формируются в одном и том же коаксиальном кабеле или волокне, из-за уплотнения по частоте они разделены полностью. Нельзя вместо двух каналов по 56 Мбит/сек организовать один канал 112 Мбит/сек, нельзя динамически перераспределять трафик между двумя каналами. Конечно, можно сегментировать сеть и использовать разные каналы для разных сегментов, это снизит нагрузку по сравнению с использованием одного канала на всю сеть. Однако получить в одной удаленной точке канал со скоростью больше 56 Мбит/сек принципиально невозможно.
Это означает, что кабельные сети HFC имеют непреодолимый скоростной «барьер», причем, по сегодняшним меркам, достаточно низкий. Если очередные скоростные скачки в компьютерных сетях совершаются, в основном, за счет количественных изменений в оборудовании (использование кабелей с большей полосой частот, более быстродействующей электроники и т.п.), то в сети HFC «барьер» носит качественный характер, он предопределен используемой технологией. Его нельзя преодолеть, усовершенствовав (или даже заменив) оборудование, для этого нужно использовать другой принцип разделения общей среды для сигналов разных услуг.
Продолжение следует...
Анонс
|
