Modem cáp và dịch vụ băng rộng trên mạng truyền hình cáp hữu tuyền

  • Số trang: 81 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 21 |
  • Lượt tải: 0
nganguyen

Đã đăng 34173 tài liệu

Mô tả:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA VIỄN THÔNG I Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -------o0o-------- ------o0o------- ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ và tên : Phạm Thị Thủy Lớp : D99VT Khoá: 1999 - 2003 Ngành: Viễn thông Tên đề tài : Modem cáp và dịch vụ băng rộng trên mạng truyền hình cáp hữu tuyến Nội dung đồ án : I: Tổng quan các phương thức truy nhập băng rộng . II: Truy nhập băng rộng qua mạng truyền hình cáp hữu tuyến. Sự phát triển của mạng CATV. Kiến trúc và hoạt động mạng CATV hai chiều. Dịch vụ băng rộng trên mạng CATV hai chiều. III: Modem cáp Một số khái niệm liên quan. Cấu trúc và hoạt động của modem cáp và CMTS. Một số vấn đề liên quan đến hoạt động của modem. So sánh với modem ADSL. Một số nghiên cứu phát triển tương lai cho modem cáp. IV: Truy nhập băng rộng qua mạng CATV ở Việt Nam Tình hình phát triển các mạng truyền hình ở Việt Nam. Các mạng truyền hình cáp hữu tuyến ở Việt Nam: ( hiện trạng và dự án phát triển truy nhập băng rộng hai chiều ) Ngày giao đề tài : 11/8/2003 Ngày nộp đồ án : 31/10/2003 Ngày.......... tháng............ năm ......... Giáo viên hướng dẫn MỤC LỤC Mục lục .............................................................................................................. i Danh sách các hình và bảng ............................................................................ iv Mở đầu .............................................................................................................. 1 Chương I: TỔNG QUAN TRUY NHẬP BĂNG RỘNG 1.1. Nhu cầu về dịch vụ băng rộng ..................................................................... 3 1.2. Các giải pháp truy nhập băng rộng .................................................................. 4 1.2.1 Mạng truy nhập đôi dây đồng xoắn .............................................................. 4 1.2.2 Mạng truy nhập đường dây điện lực ............................................................ 5 1.2.3 Mạng truy nhập vô tuyến ............................................................................ 6 1.2.4 Mạng truy nhập quang ................................................................................. 7 1.2.5 Mạng truy nhập băng rộng truyền hình cáp .................................................. 8 1.3. Tình hình phát triển và ứng dụng các giải pháp này .......................................... 9 Chương II: TRUY NHẬP BĂNG RỘNG QUA MẠNG CATV HAI CHIỀU 2.1 Sự phát triển của mạng CATV ................................................................... 10 2.2 Kiến trúc và hoạt động của mạng CATV hai chiều .................................... 12 2.2.1 Sơ đồ khối và hoạt động của mạng CATV hai chiều .................................. 12 2.2.2 Các thành phần cơ bản mạng CATV hai chiều ......................................... 14 * Bộ khuếch đại hai chiều .......................................................................... 15 * Cáp quang và cáp đồng trục trong mạng ................................................... 16 * Cầu rẽ ( Tap) ............................................................................................. 16 * Node quang ............................................................................................... 17 * Thiết bị kết cuối truyền hình-STB ............................................................. 18 * Modem cáp-CM ........................................................................................ 19 * Hệ thống kết cuối modem cáp- CMTS ...................................................... 19 * Một số server trong mạng modem cáp ....................................................... 20 * Hệ thống IP phone: .................................................................................. 21 * Hệ thống quản lý thuê bao và tính cước dịch vụ ....................................... 21 2.3 Các dịch vụ băng rộng trên mạng CATV hai chiều................................ 23 2.3.1. Các ứng dụng băng rộng trên cơ sở truyền hình ....................................... 23 a) PPV và IPPV ............................................................................................ 23 b) VOD và NVOD ....................................................................................... 23 2.3.2 Các ứng dụng băng rộng trên cơ sở Internet .............................................. 24 a) Web Browser trên STB ............................................................................. 24 b) Email ........................................................................................................ 25 c) Thương mại điện tử................................................................................... 25 d) Các dịch vụ tại nhà: Ngân hàng, giáo dục, game ....................................... 26 2.3.3 Ứng dụng truyền thoại trên mạng cáp ........................................................ 27 2.4 Tiêu chuẩn hoá modem cáp ......................................................................... 28 Chương III: MODEM CÁP 3.1 Một số khái niệm liên quan .............................................................................31 3.1.1 Tiêu chuẩn DOCSIS ............................................................................... 31 3.1.2 Lớp giao thức DOCSIS MAC .................................................................. 34 3.1.3 Mã khoá liên kết dữ liệu ........................................................................... 39 3.1.4 Kĩ thuật nén ảnh động MPEG .................................................................... 39 3.1.5 Kĩ thuật điều chế ...................................................................................... 44 3.1.6 Kĩ thuật xử lý lỗi........................................................................................ 41 3.2 Cấu trúc và hoạt động của modem cáp và CMTS ............................................ 44 3.2.1 Cấu trúc của modem cáp ........................................................................... 44 3.2.2 Cấu trúc của CMTS ................................................................................... 46 3.2.3 Hoạt động của modem cáp và CMTS......................................................... 47 * Giai đoạn khởi động modem ...................................................................... 47 * Truyền tải lưu lượng đường lên .................................................................. 49 * Truyền tải lưu lượng đường xuống ............................................................. 50 3.3 Một số vấn đề liên quan đến hoạt động modem .............................................. 51 3.3.1 Nhiễu và biện pháp xử lý ........................................................................... 51 * Nhận xét chung về nhiễu trong môi trường cáp .......................................... 51 * Tạp âm nhiệt .............................................................................................. 52 * Tạp âm tích luỹ quang ................................................................................ 53 * Nhiễu đầu vào ............................................................................................ 54 * Méo đường chung ...................................................................................... 54 * Nhiễu xung, nhiễu cụm .............................................................................. 55 * Điều chế Hum ............................................................................................ 56 3.3.2 Quản lý modem ......................................................................................... 57 3.3.3 An toàn thông tin ...................................................................................... 58 3.4 So sánh với modem ADSL ....................................................................... 60 3.5 Một số nghiên cứu phát triển tương lai cho modem cáp ................................. 63 Chương IV: TRUY NHẬP BĂNG RỘNG VỚI MẠNG CATV Ở VIỆT NAM 4.1 Tình hình phát triển các mạng truyền hình ở Việt Nam ............................ 65 4.2 Các mạng truyền hình cáp hữu tuyến ở Việt Nam ........................................ 68 4.2.1 Mạng truyền hình cáp hữu tuyến Đài truyền hình Việt Nam ..................... 68 4.2.2 Mạng truyền hình cáp hữu tuyến Đài truyền hình Hà Nội......................... 70 Kết luận........................................................................................................... 78 Phụ lục ............................................................................................................ 79 Phụ lục A-1 Ví dụ danh mục cho dịch vụ IPPV ................................................. 79 Phụ lục A-2 Các hình thức thanh toán trong giao dịch điện tử ....................... 80 Phụ lục A-3 So sánh Euro-DOCSIS và DVB-RCC ..................................... 81 Phụ lục B-1: Mô hình các phần tử nhiễu ................................................... 82 Phụ lục B-2: Tạp âm nền tương ứng băng tần tạp âm đường lên .................... 82 Phụ lục C: Danh sách khu vực đã có truyền hình cáp ....................................... 83 Các thuật ngữ viết tắt ...................................................................................... 87 Tài liệu tham khảo .......................................................................................... 91 Danh sách các hình và bảng Hình 1-1 Cấu trúc hệ thống ADSL Trang 4 Hình 1-2 Mạng truy nhập PLC Trang 6 Hình 1-3 Mạng truy nhập quang kiểu FTTC Trang 7 Hình 1-4 Mạng truy nhập HFC hai chiều băng rộng Trang 8 Hình 2-1 Mạng CATV một chiều đồng trục Trang 10 Hình 2-2 Sơ đồ phân bố phổ tần trên cáp Trang 11 Hình 2-3 Cấu trúc HFC dạng sao Trang 11 Hình 2-4 Cấu trúc HFC dạng vòng Trang 12 Hình 2-5 Sơ đồ khối hoạt động mạng CATV hai chiều Trang 13 Hình 2-6 Sơ đồ khối mô tả thành phần mạng CATV hai chiều Trang 14 Hình 2-7 Sơ đồ khối mô tả bộ khuếch đại hai chiều Trang 15 Hình 2-8 Đáp ứng tần số của bộ duplexer Trang 15 Hình 2-9 Đáp ứng đầu ra của bộ khuếch đại theo tần số Trang 16 Hình 2-10 Sơ đồ khối của cầu rẽ 4 cổng 20 dB Trang 17 Hình 2-11 Sơ đồ khối của node quang Trang 18 Hình 2-12 Vị trí của Modem tại nhà thuê bao Trang 19 Hình 2-13 Các loại modem cáp Trang 19 Hình 2-14 Vị trí CMTS trong mạng Trang 20 Hình 2-15 Một số các server trong mạng modem cáp Trang 20 Hình 2-16 Hệ thống quản lý truy nhập có điều kiện Trang 22 Hình 2-17 Ví dụ truyền hình tương tác AOL Trang 23 Hình 2-18 Trình duyệt web trên TV Trang 24 Hình 2-19 Tiêu chuẩn hoá cho các hệ thống cáp Trang 29 Hình 3-1 Định nghĩa ngăn giao thức DOCSIS trên giao diện RF Trang 31 Hình 3-2 Cấu trúc của gói MPEG chứa dữ liệu DOCSIS Trang 32 Hình 3-3 Cấu trúc khung MAC theo giao thức DOCSIS Trang 34 Hình 3-4 Tìm kiếm kênh đồng bộ Trang 35 Hình 3-5 Bản tin đồng bộ Trang 36 Hình 3-6 Bản tin UCD Trang 36 Hình 3-7 Bản tin MAP Trang 36 Hình 3-8 Quá trình điều chỉnh phạm vi Trang 36 Hình 3-9 Yêu cầu kết nối IP Trang 38 Hình 3-10 Yêu cầu đáp ứng ToD Trang 38 Hình 3-11 Truyền các tham số hoạt động Trang 38 Hình 3-12 Bản tin yêu cầu đăng kí Trang 38 Hình 3-13 Bản tin đáp ứng REG-RSP Trang 39 Hình 3-14 Sơ đồ khối 4 lớp mã hóa sửa lỗi FEC Trang 42 Hình 3-15 Cấu trúc khung FEC đối với điều chế 64-QAM Trang 43 Hình 3-16 Sơ đồ khối đơn giản một modem cáp Trang 44 Hình 3-17 Cấu trúc của CMTS Trang 46 Hình 3-18 Quá trình khởi động modem cáp Trang 47 Hình 3-19a) Ánh xạ ký hiệu QPSK Trang 50 Hình 3-19b) Ánh xạ ký hiệu 16 QAM Trang 50 Hình 3-20 Mô hình ảnh hưởng của nhiễu với đường xuống Trang 52 Hình 3-21 Mô hình ảnh hưởng của nhiễu với đường lên Trang 52 Hình 3-22 Ảnh hưởng của yếu tố tạp âm tích luỹ quang Trang 53 Hình 3-23 Một số nguồn nhiễu đầu vào phổ biến Trang 54 Hình 3-24 Một số điểm tiếp xúc gây méo đường chung Trang 55 Hình 3-25 Nhiễu corona và nhiễu khe do đường điện cao thế Trang 56 Hình 3-26 Cấu trúc truy nhập Internet từ HFC Trang 61 Hình 3-27 Cấu trúc truy nhập Internet từ mạng ADSL Trang 62 Hình 4-1 Cấu trúc mạng truyền hình cáp hữu tuyến Hà Nội Trang 76 Hình 4-2 Cấu trúc mạng HFC hai chiều Hà Nội Trang 76 Hình A-1 Ví dụ mô tả danh sách lựa chọn chương trình Trang 79 Bảng 1.1 Mô tả chung các công nghệ trong họ xDSL Bảng 2.1 So sánh kĩ thuật giữa các tiêu chuẩn Trang 30 Bảng 3.1 Các tốc độ ký hiệu với độ rộng băng tương ứng Trang 31 Bảng 3.2 Quá trình nhận các tham số đường lên Trang 36 Bảng 3.3 Quá trình thiết lập kết nối IP Trang 38 Bảng 3.4 Các thông số đường xuống 64/256-QAM theo chuẩn J.83B ITU-T và J.83A ITU-T Các giá trị chuẩn Nnền ứng với (Bd) đường xuống So sánh giữa modem cáp và modem ADSL Trang 38 Bảng 3.5 Bảng 3.6 Bảng 4.1 Trang 4 Trang 41 Trang 53 Bảng B-1 Các thông số kĩ thuật chính của mạng truyền hình cáp Hà Nội do Đài truyền hình Việt Nam thực hiện Mô hình toán học các phần tử nhiễu Trang 63 Trang 82 Bảng B-2 Các giá trị Nnền ứng với (Bu) đường lên Trang 82 Mở đầu Sự phát triển của các dịch vụ băng rộng ngày nay được đánh giá là bùng nổ trên toàn cầu: mạnh về quy mô và đa dạng về hình thức. Các phương thức truy nhập băng rộng ngày càng được giới thiệu nhiều hơn với những ưu nhược điểm riêng. Sự lựa chọn giải pháp nào là vấn đề quyết định đến khả năng cạnh tranh giữa các nhà cung cấp dịch vụ về chất lượng phục vụ, mở rộng mạng lưới và đa dạng hoá dịch vụ. Do đó sự phát triển của mỗi công nghệ phụ thuộc vào từng khu vực, địa hình phân bố, mức sống người sử dụng, cơ sở hạ tầng mạng lưới sẵn có và tiềm lực kinh tế của từng nhà khai thác và cung cấp dịch vụ viễn thông. Trước đây, thuật ngữ CATV được hiểu là Cable TV ( năm 1948, Mỹ thực hiện thành công hệ thống truyền hình cáp hữu tuyến). Sau 1949, Mỹ lắp đặt thành công hệ thống truyền hình cộng đồng sử dụng anten( gọi là Community Antenna Television), từ đó thuật ngữ CATV được dùng để chỉ chung cho hệ thống truyền hình cáp vô tuyến và hữu tuyến. Nhưng trong giới hạn đồ án này, thuật ngữ CATV chỉ được sử dụng với nghĩa mạng truyền hình cáp hữu tuyến. Phương thức truy nhập băng rộng qua mạng CATV hai chiều đang có nhiều hứa hẹn lợi ích trong tương lai cho các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình. Đây cũng đang là ưu thế cạnh tranh lớn của các công ty cung cấp dịch vụ truyền hình cáp ở Việt Nam: Trung Tâm DVKTTH Cáp( thuộc Đài truyền hình Việt Nam ) và công ty BTS ( thuộc Đài truyền hình Hà Nội) đối với các nhà cung cấp truy nhập băng rộng hiện có ở Việt Nam. Do đó, với mục tiêu mô tả phương thức truy nhập này, đề tài “Modem Cáp và dịch vụ băng rộng” trình bày các vấn đề: về truy nhập băng rộng, về mạng CATV( HFC) hai chiều, về thiết bị modem cáp. Cụ thể các nội dung này được phân tích theo các chương : Chương 1: Trình bày tổng quan về các phương thức truy nhập băng rộng: nhu cầu phát triển dịch vụ băng rộng, một số giải pháp truy nhập băng rộng phổ biến hiện nay và tình hình ứng dụng các giải pháp đó. Chương 2: Trình bày các vấn đề cơ bản trong phương thức truy nhập băng rộng thông qua mạng truyền hình cáp HFC: sự phát triển của mạng truyền hình cáp, kiến trúc hoạt động của mạng CATV hai chiều, các thành phần cơ bản của mạng, các dịch vụ băng rộng trên mạng, các vấn đề tiêu chuẩn hoá cho truyền số liệu trên mạng này. Chương 3: Mô tả modem cáp và CMTS với: mô hình phân lớp, kĩ thuật nén ảnh MPEG, điều chế,... ,cấu trúc, hoạt động, vấn đề nhiễu, an ninh, quản lý....Và một số ưu điểm của modem cáp so với modem ADSL hiện đang cạnh tranh trên thị trường. Chương 4: Trình bày về các mạng truyền hình cáp ở Việt Nam: hiện trạng và các dự án triển khai phương thức truy nhập băng rộng qua modem cáp cho các mạng này. Nội dung đồ án tốt nghiệp này là một vấn đề khá mới ở Việt Nam và được tham khảo rất hạn chế về tài liệu trong nước. Do vậy, đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong được sự góp ý để nội dung của đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin gửi lời cám ơn tới THS. Lê Duy Tiến đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Em xin gửi lời cám ơn tới TS. Bùi Thiên Hà- Bưu Điện Hà Nội và anh Phạm Anh Đức – Đài truyền hình Hà Nội, đã giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án. Em xin chân thành cám ơn các thầy cô giáo, nhà trường đã tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình. Sinh viên Phạm Thị Thuỷ Chương I: TỔNG QUAN VỀ TRUY NHẬP BĂNG RỘNG 1.1. Nhu cầu về dịch vụ băng rộng Các dịch vụ băng rộng ngày càng phát triển mạnh về quy mô và xuất hiện dưới nhiều hình thức: truy nhập Internet tốc độ cao, dịch vụ truyền hình VOD và NVOD, dịch vụ giải trí game trực tuyến nhiều người cùng chơi, dịch vụ thương mại điện tử,.... Sự phát triển của Internet băng rộng ngày nay được đánh giá là bùng nổ trên toàn cầu: Theo một dự báo mới của eMarketer: Cuối năm 2003, có khoảng 23,3 triệu gia đình ở Mỹ sử dụng Internet băng rộng( tăng 38% so với con số trong năm là 16,8 triệu ). Tốc độ phát triển này đủ hấp dẫn để các doanh nghiệp giải trí và truyền thông ở Mỹ đầu tư mạnh vào các dịch vụ trực tuyến: Cuối năm 2002, Công ty giải trí Disney đã tung ra Game trực tuyến Toontown nhằm vào các thuê bao băng rộng. AOL Timer Wanner cũng đưa lên mạng các dịch vụ truy nhập nội dung video và audio theo hình thức thuê bao hàng tháng. Điều này sẽ là một nhân tố thu hút số lượng thuê bao băng rộng tham gia vào mạng. Tại Châu Á, thị trường Internet băng rộng cũng phát triển rất nhanh( nếu con số của năm 1999 mới chỉ là 500 nghìn thuê bao thì con số dự báo của năm 2004 đã là 35 triệu thuê bao) và tập trung chủ yếu ở những nước phát triển, đứng đầu là Hàn Quốc: 3/2001 chỉ có 5,5 triệu thuê bao nhưng đến 10/2002 có tới 10 triệu thuê bao trên tổng số dân là 48 triệu người; Số lượng thuê bao băng rộng ở Châu Âu cũng đã tăng gần gấp đôi chỉ trong năm 2002 và trong một nghiên cứu mới công bố vào tháng 7/2003, Forrester dự đoán năm 2008 có khoảng 30% hộ gia đình ở Châu Âu sẽ kết nối Internet băng rộng trong đó sẽ có 71% thuê bao ADSL còn lại chủ yếu là thuê bao cáp. Triển khai truy cập Internet băng thông rộng tại Việt Nam cũng đang diễn ra rất thuận lợi. Theo mục điểm báo tin ngày 7 tháng 6 năm 2003 của trang tin www.saigonnet.vn: Tại diễn đàn viễn thông và công nghệ thông tin- ITC 2003( ngày 5 và 6 tháng 6 tại Hà Nội), việc sử dụng công nghệ truy cập Internet băng rộng ADSL được quan tâm nhiều nhất. Mới đầu dịch vụ này được triển khai thử nghiệm tại Hà Nội, TP HCM và Hải Phòng. Đến đầu tháng 7-2003 dịch vụ này chính thức khai thác tại ba thành phố trên và đến tháng 9 mở rộng phạm vi khai thác đến các tỉnh Hải Dương, Quảng Ninh, Đồng Nai, Bình Dương. Đến cuối năm 2003, 10 tỉnh khác sẽ được sử dụng dịch vụ VNN-ADSL và trong hai năm 2004-2005 sẽ triển khai tại các tỉnh còn lại. Thực tế cho thấy, ở những nơi mà việc truy nhập qua đường dây điện thoại quay số phải chịu rất nhiều hạn chế về băng thông, tốc độ và chất lượng dịch vụ. Người sử dụng phải mất nhiều thời gian chờ đợi để duyệt web, load một bản nhạc, một file ảnh... thậm chí còn có thể bị đứt liên kết khi mạng bị ùn tắc vào những giờ cao điểm. Để nâng cao chất lượng phục vụ và đáp ứng nhu cầu gia tăng về dịch vụ băng rộng, nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đang nỗ lực cố gắng tìm kiếm các giải pháp nâng cấp, thay thế phần mạng truy nhập áp dụng công nghệ mới phù hợp với những thế mạnh của mình. Trong đó việc tận dụng cơ sở hạ tầng có sẵn của mình để có mức giá mới được thuê bao dễ chấp nhận đang là giải pháp mà các công ty độc quyền sử dụng để phát triển, mở rộng mạng lưới và đa dạng hoá dịch vụ của mình. 1.2. Các giải pháp truy nhập băng rộng 1.2.1 Mạng truy nhập đôi dây đồng xoắn Đường dây điện thoại trong mạng PSTN hiện dùng mới chỉ khai thác băng tần ở đoạn 0,3 –3,4 KHz và chỉ cung cấp dịch vụ thoại, truyền số liệu tốc độ thấp( 56 Kb/s ). Khi áp dụng công nghệ xDSL trên đôi dây đồng xoắn ( hình 1-1 minh hoạ) đã cho phép khai thác băng tần ở vùng cao hơn, lớn hơn và cung cấp đồng thời dịch vụ POTS truyền thống với các dịch vụ mới như: Internet tốc độ cao, các dịch vụ đa phương tiện, mạng riêng ảo.... Hình 1-1: Cấu trúc hệ thống ADSL Họ công nghệ xDSL có thể được chia thành 3 nhóm chính theo hướng ứng dụng và được mô tả chung theo bảng 1.1 như sau : +Truyền dẫn hai chiều đối xứng: HDSL/HDSL2, SDSL, IDSL +Truyền dẫn hai chiều không đối xứng: ADSL/ADSL2, CDSL +Truyền dẫn hai chiều đối xứng hoặc không đối xứng : VDSL Công nghệ IDSL HDSL HDSL2 Tốc độ 144 Kb/s đối xứng 1,544(2,048)Mb/s đối xứng 1,544(2,048)Mb/s đối xứng 768kb/s đối xứng SDSL 1,544(2,048)Mb/s một chiều ADSL Khoảng cách truyền dẫn Cùng tồn tại với POTS 5km Không 3,6 - 4,5 km Không 3,6 - 4,5 km Không 7 km 3 km 1,5- 8 Mb/s 5km (tốc độ cao đường xuống thì khoảng cách Có Có Số đôi dây đồng sử dụng 1 đôi 2 đôi (3 đôi) 1 đôi 1 đôi 1 đôi 1,544 Mb/s ngắn ) đường lên 26 Mb/s đối xứng 13-52 Mb/s VDSL đường xuống 1,5-2,3 Mb/s 300 m - 1,5 km (tuỳ tốc độ) Có 1 đôi đường lên Bảng 1.1: Mô tả chung các công nghệ trong họ xDSL Trong các công nghệ này thì hiện nay ADSL đang tỏ ra nổi trội hơn các công nghệ khác về các ưu điểm truyền dẫn, tính kinh tế khi triển khai, tính phù hợp với nhu cầu sử dụng không đối xứng của đa số người sử dụng. Hiện nay các vi mạch cho ADSL đã được các nhà sản xuất lớn tung ra thị trường với giá cả dễ chấp nhận. 1.2.2 Mạng truy nhập đường dây điện lực Sự ra đời của công nghệ PLC( Power Line Communication) cho phép thực hiện truyền số liệu tốc độ cao trên mạng lưới đường dây điện đang có sẵn khắp mọi nơi. Trước đây việc truyền tín hiệu trên đường dây điện đã được thực hiện ở tốc độ thấp( chỉ tải các thông tin phục vụ ngành điện). Đến nay, trên nền phát triển của công nghệ phần cứng nói chung, PLC có điều kiện phát triển để trở thành một công nghệ truy nhập đầy hứa hẹn. Sự chuẩn hoá công nghệ này đang được diễn ra riêng lẻ ở từng nước, từng khu vực và từng bước trở thành sản phẩm thương mại đưa ra thị trường. Hai lĩnh vực ứng dụng hiện nay của PLC là truy nhập nội hạt và kết nối mạng trong nhà với mô hình mô tả khái quát như sau: Hình 1-2 Mạng truy nhập PLC Trong mô hình trên, các hộ gia đình chỉ cần một modem PLC có thể tạo ra một mạng LAN nhờ hệ thống điện trong nhà, trên mạng LAN này thuê bao có thể chia sẻ tài nguyên, truy nhập Internet, gọi điện, xem truyền hình thông qua ổ cắm điện với tốc độ, băng thông, chất lượng dịch vụ cao hơn nhiều so với chất lượng dịch vụ truyền thống. Mạng truy nhập PLC kết nối tới mạng đường trục viễn thông thông qua các trạm biến áp( hạ áp hoặc trung áp). Cấu trúc hình học của mạng điện hạ áp phụ thuộc vào một số yếu tố như : vị trí địa lý mạng (nông thôn, đô thị, khu công nghiệp, khu thương mại...), mật độ người sử dụng, bán kính phục vụ của mạng. 1.2.3 Mạng truy nhập vô tuyến a) WLL Mạng này phục vụ các thuê bao vô tuyến cố định( hoặc di động trong phạm vi hẹp) có thiết bị đầu cuối (thường là máy điện thoại, máy fax, máy PC ...) có thể xách tay hoặc đặt cố định trong nhà/ ngoài trời. WLL có nhiều ưu điểm như: tổ chức mạng linh hoạt, lắp đặt bảo dưỡng đơn giản, triển khai nhanh, chi phí thấp. Nếu như WLL băng hẹp thường được triển khai tại các vùng nông thôn và ngoại thành thì WLL băng rộng lại tập trung tại các đô thị và cung cấp các dịch vụ: video theo yêu cầu, truyền hình quảng bá, Internet tốc độ cao, video hội nghị... b) LMDS và MMDS LMDS là hệ thống phân bố đa điểm nội hạt cung cấp dịch vụ đa phương tiện hai chiều tốc độ cao giúp cho những nhà cung cấp dịch vụ ở xa có thể cung cấp đến thuê bao có hiệu quả và kinh tế. LMDS sử dụng dải tần 1GHz từ 27,5 Ghz đến 28,35 Ghz với phạm vi bán kính phục vụ từ 3 đến 6 km. MMDS là hệ thống phân bố đa điểm đa kênh, cũng thuộc loại mạng truy nhập băng rộng tương tự LMDS nhưng hoạt động ở dải tần thấp hơn( từ 2 Ghz đến 2,7 Ghz). Kiến trúc cơ bản MMDS bao gồm các khối phát vô tuyến đặt tại các tháp radio cùng với anten, anten của thuê bao, bộ hạ tần, bộ STB. Mỗi vùng phục vụ được chia thành các ô (cell) có phần giao nhau, mỗi ô có bán kính khoảng 40 km. Vì yêu cầu tầm nhìn thẳng của anten cho cả LMDS và MMDS nên nhân tố ảnh hưởng chủ yếu tới chất lượng là tín hiệu fading nhiều đường. c) DBS Là hệ thống vệ tinh quảng bá trực tiếp dựa trên các vệ tinh đồng bộ địa tĩnh cung cấp các chương trình video số đa kênh cho các thuê bao có trang bị các bộ thu DBS. Truyền hình trực tiếp chiếm ưu thế ngay từ khi được triển khai năm 1994 gồm một đĩa anten vệ tinh và một bộ IRD tích hợp khối thực hiện và giải mã, thực hiện dò sóng, giải mã kênh số được chọn. Nhược điểm chung của truy nhập vô tuyến gặp phải là khó khăn khi triển khai vùng đô thị, chịu ảnh hưởng lớn của thời tiết, khó khăn khi muốn tăng vùng phủ sóng với DBS( phải tăng thêm vệ tinh). 1.2.4 Mạng truy nhập quang Một số kiểu kiến trúc mạng thuộc loại công nghệ truy nhập FITL ( Fiber In The Loop) này là : +FTTN -Fiber To The Node: cáp quang tới node +FTTC -Fiber To The Curb: cáp quang tới cụm thuê bao +FTTH -Fiber To The Home: cáp quang tới hộ thuê bao Dạng kiến trúc sơ khai của FITL là kiểu FTTC được minh hoạ hình 1-3 : Hình 1-3 Mạng truy nhập quang kiểu FTTC Trong kiến trúc trên khối ONU được đặt gần thuê bao và phục vụ một nhóm thuê bao. Tín hiệu sau ONU sẽ được đưa đến từng thuê bao qua đoạn cáp đồng trục hoặc đôi dây đồng xoắn . Đối với kiến trúc FTTH, vị trí của ONU sẽ nằm tận nhà thuê bao và không còn đoạn dây đồng phía ngoài nhà thuê bao. Nhược điểm chính hiện nay của FITL vẫn là vấn đề chi phí đầu tư lớn và giá thành cao đối với nhà thuê bao. 1.2.5 Mạng truy nhập băng rộng truyền hình cáp Mạng truyền hình cáp( CATV) hiện nay phổ biến là mạng HFC( mạng lai ghép cáp quang và cáp đồng trục). Cấu hình mạng CATV tương tác băng rộng có dạng minh hoạ sau: Hình 1-4 Mạng HFC hai chiều băng rộng Các hệ thống HFC hiện đại có thể hoạt động ở tần số lên đến 750 MHz với phổ tần cho mỗi kênh ở Bắc Mỹ là 6 MHz (7 hoặc 8 MHz tiêu chuẩn Châu Âu). Như vậy hệ thống này có thể cung cấp khoảng 100 kênh đường xuống cho truyền hình. Khi cung cấp dịch vụ số liệu trên mạng cáp, một kênh băng tần truyền hình đường xuống sẽ được dùng làm đường truyền số liệu xuống hộ gia đình còn đường lên sẽ là một hay nhiều kênh ở phổ tần đường lên. Việc trưng dụng các kênh khác cho truyền số liệu tuỳ vào sự sẵn có và mức độ hoạt động kinh doanh của các kênh khác mà số lượng người sử dụng modem cáp mà một Headend phục vụ có thể tăng lên. Thị trường modem cáp dự báo sẽ tăng đột biến trong vài năm tới do nhu cầu ngày càng cao của khách hàng đối với các dịch vụ và những tính năng đầy hứa hẹn của công nghệ này. 1.3. Tình hình phát triển và ứng dụng các giải pháp này Mỗi giải pháp có những ưu thế riêng và được lựa chọn ưu tiên phát triển riêng với mỗi nhà khai thác dịch vụ viễn thông. Do đó, sự phát triển của mỗi công nghệ ở những khu vực khác nhau là phụ thuộc vào một số yếu tố cơ bản như: đặc điểm phát triển cơ sở hạ tầng viễn thông, đặc điểm địa hình phân bố và mức sống tiêu thụ của người dân, tiềm lực kinh tế của các nhà khai thác và cung cấp dịch vụ viễn thông. Tuy nhiên, theo Thống kê của Yankee Group 2003, ta cũng có thể có được một tỉ lệ thị phần tương đối của các công nghệ truy nhập Internet băng rộng như biểu đồ sau: Chương II : TRUY NHẬP BĂNG RỘNG QUA MẠNG CATV HAI CHIỀU 2.1 Sự phát triển của mạng CATV Mạng truyền hình khi mới triển khai chỉ có những nhiệm vụ đơn giản, chất lượng tín hiệu truyền hình thu được rất kém( nhất là ở những vùng ngoại ô). Sau đó, công nghệ của những năm 1960 cho phép hình thành các mạng cung cấp dịch vụ quảng bá được xây dựng độc lập, phục vụ cho các khu cộng đồng riêng với kiến trúc cây nhánh như hình 2-1: Hình 2-1: Mạng CATV một chiều đồng trục Đặc điểm chính của kiến trúc này là: mạng lưới cáp là hoàn toàn đồng trục, các kênh truyền hình 6 MHz (7 hoặc 8 MHz tiêu chuẩn Châu Âu)được điều chế FDM và được sắp xếp vào băng thông của cáp như hình 2-2, các bộ khuếch đại được sử dụng trong mạng này là các bộ khuếch đại một chiều( đường xuống đến thuê bao ). Để phủ hết địa bàn một khu vực, mạng cáp chia thành nhiều đoạn: + Đoạn trung kế có dạng cấu hình sao gồm các loại cáp có chất lượng cao, chiều dài khoảng 24 km + Đoạn phân phối tín hiệu thường có cấu hình dạng bus gồm các loại cáp các chất lượng kém hơn và ngắn hơn (từ 1,5 đến 3 km) + Đoạn nối từ Drop đến cửa nhà thuê bao rất ngắn và chất lượng thấp nhất. Hình 2-2: Sơ đồ phân bố phổ tần trên cáp Hạn chế của cấu hình này là khoảng cách phục vụ thuê bao quá ngắn và việc sử dụng các bộ khuếch đại điện dẫn đến yêu cầu phải có nguồn nuôi xoay chiều nên độ tin cậy phục vụ sẽ bị ảnh hưởng khi nguồn nuôi gặp sự cố. Và nếu đoạn đường kéo cáp càng dài thì số lượng các bộ khuếch đại được sử dụng càng lớn sẽ làm cho mạng phức tạp và tốn kém chi phí đầu tư, bảo dưỡng hơn. Vì những hạn chế này, các đoạn trung kế đồng trục đã được thay bằng các sợi quang làm tăng khoảng cách từ Headend đến mạng phân phối lên đến 80 km, số thuê bao từ 500 thuê bao lên đến 2000 thuê bao. Sự kết hợp cả sợi quang và cáp đồng trục tạo nên mạng truyền dẫn HFC với hai kiểu cấu trúc: dạng sao và dạng vòng( ring) như hình vẽ: Dạng cấu trúc sao ở mạng được xây dựng mới hoặc là được đường trục là sự lựa chọn của các nhà khai thác cho các hệ thống nâng cấp từ mạng đồng trục cũ. Hình 2-3: Cấu trúc HFC dạng sao - Dạng cấu trúc vòng ở mạng đường trục sử dụng công nghệ truyền dẫn SONET/SDH hoặc là một công nghệ truyền dẫn nào đó. Đây là dạng được lựa chọn cho các cấu hình mạng đi nhờ trên các vòng Ring đường trục của cơ sở hạ tầng mạng sẵn có. Cả hai cấu hình này đều có ưu điểm là kéo dài bán kính phục vụ mà không phải tăng thêm số lượng bộ khuếch đại và có khả năng dự phòng tốt của cấu hình ring. Tuy nhiên, phần truy nhập vẫn là cáp đồng trục với các bộ khuếch đại cao tần do vậy một xu hướng phát triển khác của đoạn này là kiểu mạng thụ động không dùng các bộ khuếch đại nữa nhưng điều đó sẽ làm giảm bán kính phục vụ và số lượng thuê bao được phục vụ của một node, phải kéo cáp nhiều hơn nên chi phí đầu tư nhiều hơn song cũng có ưu điểm là giảm chi phí cấp nguồn, bảo dưỡng, sự cố mạng và tăng chất lượng, dung lượng phục vụ. 2.2 Kiến trúc và hoạt động của mạng CATV hai chiều 2.2.1 Sơ đồ khối chức năng và hoạt động của mạng CATV hai chiều: a) Hoạt động phía Headend: * Tín hiệu từ vệ tinh hay sóng vi ba ở dạng tương tự được giải điều chế ( hạ tần xuống dạng số băng gốc), giải mã, giải ghép kênh thành các chương trình số riêng lẻ. Từ đó chuyển sang dạng tín hiệu truyền hình audio+video băng gốc và tiếp tục được ngẫu nhiên hoá trong bộ xử lý điều chế ảnh cho ra tín hiệu kết hợp video+audio ở tần số trung tần tiêu chuẩn ( ví dụ với sóng mang ảnh cho NTSC là 45,7 MHz cho Trung Quốc là 38,0 MHz). Sau đó, tín hiệu IF này được gán cho kênh truyền dẫn tần số vô tuyến RF trong bộ UP-converter. * Tín hiệu cần thu ở dạng số và đã ghép kênh thì được thu ở bộ thu IRTIntegrated Receiver/Transcoder- giải điều chế, giải mã, điều chế QAM trên sóng mang trung tần để tín hiệu số đó phù hợp với hệ thống đổi tần( chuyển từ tín hiệu IF sang tín hiệu RF). * Các tín hiệu vô tuyến khác cũng được đưa đến các bộ xử lý hạ tần sóng mang tới và nâng tần vào tần số vô tuyến cáp. Các đầu ra từ các bộ nâng tần và các bộ điều chế kết hợp nhau tạo thành tín hiệu bù hoàn toàn và gửi đến các thiết bị kế tiếp. Các thiết bị này sẽ khuếch đại và gửi cho bộ phát quang( có kết hợp kèm Laser bán dẫn được thiết kế riêng cho truyền dẫn tương tự). Sau đó, tín hiệu điện tần số vô tuyến RF sẽ điều chế công suất quang đầu ra của Laser( tức là có sự chuyển đổi tín hiệu điện điều biên sang tín hiệu quang điều chế trực tiếp). Hình 2-5: Sơ đồ khối chức năng hoạt động của mạng CATV hai chiều b) Hoạt động phía mạng cáp: Tín hiệu quang được đưa vào vòng Ring sơ cấp( khoảng từ 4 đến 5 hub sơ cấp, mỗi hub phục vụ khoảng 150 nghìn thuê bao), tiếp đến là các vòng hub thứ cấp,( mỗi hub phục vụ khoảng 25 nghìn thuê bao )và các Headend nội hạt. Tốc độ bit tiêu chuẩn trong mạng SONET( Bắc Mỹ) đường trục là khoảng từ 51,84 Mb/s ( hoặc OC1) đến nguyên lần các tốc độ này. Sau đó, tín hiệu quang sẽ qua node quang chuyển thành tín hiệu video tương tự /số và được phân phối đi xa thông qua mạng cây nhánh đồng trục. Kích cỡ của mỗi node quang có thể nhỏ( khoảng 100 thuê bao) hoặc có thể lớn khoảng 2000 thuê bao. Để tiếp cận đến từng thuê bao các tín hiệu sẽ phải qua các cầu rẽ( tap) và cuối cùng là theo đoạn cáp Drop cable vào từng nhà thuê bao. Tương tự với đường lên cũng sử dụng cáp giống như vậy: tín hiệu đường lên từ thiết bị thuê bao qua mạng cáp đồng trục đến node quang( chuyển sang dạng quang), rồi qua các vòng Ring đến Headend( chuyển sang dạng điện và gửi vào các bộ thu cho các ứng dụng đường lên). Trong quá trình truyền, có sự tham gia của các bộ khuếch đại nên phải kể đến sự tham gia của dòng điện xoay chiều nguồn nuôi cho các bộ khuếch đại này. Nguồn nuôi được cung cấp trên mạng cáp đồng trục: tại mỗi node/mỗi bộ khuếch đại, dòng xoay chiều được tách ra từ tín hiệu RF bằng bộ lọc thông thấp và gửi đến khối nguồn trên bản mạch. Khối này có nhiệm vụ chuyển nó sang dạng một chiều +24V ( mức điện áp chuẩn công nghiệp cho các phần tử khuếch đại lai ghép). Sau đó, nguồn xoay chiều này lại được chèn vào như cũ trước khi ra ngoài để tiếp tục cấp nguồn cho các phần tử khác. 2.2.2 Các thành phần cơ bản mạng CATV hai chiều: Mạng CATV băng rộng tương tác được mô tả khái quát như sơ đồ sau: Hình 2-6: Sơ đồ mô tả một số thành phần mạng CATV hai chiều * Bộ khuếch đại Trong phần mạng cáp đồng trục các bộ khuếch đại được sử dụng là hai chiều và có dạng sơ đồ khối được mô tả trên cơ sở so sánh với bộ khuếch đại một chiều như hình 2-7. Bộ khuếch đại được chia thành hai loại: + Bộ khuếch đại phân phối ( khuếch đại tín hiệu RF và đặt vào 2 hoặc 4 đầu cáp ra khác). + Bộ khuếch đại đường dây mở rộng-Line Extender Amplifier. Hình 2-7: Sơ đồ khối mô tả bộ khuếch đại hai chiều Trong đó, bộ diplexer có đặc tuyến tần số được mô tả như hình 2-8: Hình 2-8: Đáp ứng tần số của bộ duplexer Một hệ thống HFC hiện đại thường có từ 4 đến 6 bộ khuếch đại cho tầng khuếch đại RF sau mỗi node. Đa số các bộ khuếch đại đó có hệ số khuếch đại tự điều chỉnh để bù đắp những thay đổi khác nhau theo nhiệt độ của suy hao và đáp ứng tần số. Do cáp có suy hao lớn ở dải tần cao hơn trong khi mong muốn đầu ra của các bộ khuếch đại trong một tầng là giống nhau, nên đầu ra của bộ khuếch đại sẽ bị dốc lên khoảng từ 8 đến 12 dB như hình 2-9: Hình 2-9: Đáp ứng đầu ra của bộ khuếch đại theo tần số Vì các dịch vụ số được bổ sung sau các dịch vụ tương tự nên nó được đặt ở vùng tần số cao hơn. Tỉ số C/N yêu cầu cho truyền dẫn số là thấp hơn so với tương tự nên công suất cho dịch vụ số thấp hơn so với tương tự khoảng từ 6 đến 10 dB. Do vậy công suất phải thêm vào ở các bộ khuếch đại sẽ được giảm bớt. * Cáp quang và cáp đồng trục trong mạng Mỗi cáp quang có chứa từ 12 đến 144 sợi quang tuỳ theo kích cỡ mỗi loại cáp. Loại sợi quang được sử dụng ở đây thường là sợi đơn mode-SM có suy hao khoảng 0,4 dB/km ở bước sóng hoạt động λ=1310 nm hoặc là suy hao 0,25 dB/km ở λ=1550 nm ( mức suy hao này ổn định trong dải nhiệt độ thường và độc lập với dải tần số vô tuyến) . Loại cáp đồng trục được chia tuỳ theo vị trí trong mạng ví dụ: + Đoạn xuất phát từ node quang toả ra có đường kính lớn nhất( từ 0,78 đến 1,09 cm ) chất lượng tốt nhất, mức suy hao 45 dB/km ở 750 MHz hoặc 9 dB/km ở 40 MHz( mức suy hao này phụ thuộc vào nhiệt độ: tăng khoảng 0,11%/ 0F( = 0,2%/0C) tuỳ chiều dài của cáp). + Đoạn cuối gần sát nhà thuê bao dài khoảng 25 cm- 50 cm, đường kính nhỏ, suy hao khoảng 114 dB/km ở 750 MHz và 24 dB/km ở 40 MHz(mức suy hao này phụ thuộc vào nhiệt độ và chiều dài của cáp). * Cầu rẽ ( Tap): Mỗi cầu rẽ có hai phần tử chức năng chính là: Khối ghép định hướng và bộ chia công suất. Trong đó, bộ chia công suất chia tín hiệu tuỳ theo số lượng cổng của cầu rẽ( có thể là 2, 4, 8...) còn khối ghép định hướng có nhiệm vụ đổi hướng một số tín hiệu đầu vào xác định như hình 2-10. Hình 2-10: Sơ đồ khối của cầu rẽ 4 cổng 20 dB . Mỗi cầu rẽ được đặc trưng bởi một giá trị rẽ( Tap Value). Giá trị rẽ là tỉ số ( dB) giữa tín hiệu ở đầu ra rẽ của Tap với tín hiệu đầu vào. Thường thì giá trị này vào khoảng 4- 29 dB( 3 dB/1 nấc). Có ba tham số suy hao quan trọng trong Tap là: + Suy hao xen( Insertion Loss): là công suất tổn hao giữa cổng vào và cổng ra. Suy hao này thường không phụ thuộc vào nhiệt độ và tần số. + Suy hao cách ly( Isolation Loss) là suy hao giữa cổng vào và cổng rẽ( cổng ra khác). Độ lớn của suy hao này có ý nghĩa quan trọng đối với các hệ thống CATV hai chiều để ngăn tín hiệu đường lên của một thuê bao này lọt vào tín hiệu đường xuống của thuê bao khác. Thường thì suy hao này vào khoảng 20 dB giữa dải tần lên và xuống. + Suy hao rẽ ( Tap loss) thường không phụ thuộc vào tần số và nhiệt độ, nó biểu hiện cho sự thất thoát công suất ra ngoài và suy hao nội tại( từ 1 đến 2 dB). * Node quang: Là phần tử nằm trên đường ranh giới giữa vùng cáp đồng trục và cáp quang, có nhiệm vụ cơ bản là: chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện cho đường xuống( ngược lại cho đường lên), sau đó khuếch đại và phân phối trên mạng cáp đồng trục với 3 hoặc 4 đầu ra ở mỗi node như hình 2-11: Hình 2-11: Sơ đồ khối của node quang * Thiết bị kết cuối truyền hình-STB( Set-Top-Box) : Là một thiết bị thu tín hiệu truyền hình với hai loại: STB tương tự và STB số. Trong đó, STB tương tự (ra đời trong thập niên 1970-1980) cho thuê bao thu các kênh truyền hình tương tự qua mạng HFC thay vì các kênh phát quảng bá vô tuyến mặt đất trước đây. Thông qua nó, các nhà điều hành cáp cung cấp dịch vụ xem phim và một số dịch vụ đặc biệt khác theo hình thức thanh toán ngay IPPV và sử dụng điện thoại làm đường lên cho các hoạt động tương tác. Đến 1996, STB số được giới thiệu với một số chức năng cơ bản: - Dò tìm kênh số và các dịch vụ video tương tự trong các dải tần đường xuống. Giải điều chế kênh số thu được/ Điều chế kênh số phát lên. - Giải mã / Mã hoá các kênh đã chọn. - Quản lý báo hiệu thuê bao từ Headend. Cung cấp giao diện thuê bao người sử dụng. Gần đây, các STB cải tiến được triển khai bởi Motorola/ General Instrument. Các STB này có chứa các bộ dò sóng kép và modem cáp tích hợp bên trong, cho phép thuê bao sử dụng cả dịch vụ truyền hình và cả dịch vụ mạng Internet băng rộng như: IP telephony, IP video phone, Interactive games. Lúc này STB cải tiến hoạt động như một cổng gia đình-RGW: + Phân phát các gói giao thức IP đến các thiết bị bên ngoài như là IP voice, IP video phone. + Truyền tải, xử lý, giải mã các tín hiệu truyền hình có độ phân giải cao HDTV. * Modem cáp-CM( Cable Modem): Là thiết bị nằm trong nhà thuê bao, cho phép truy nhập đến mạng máy tính( thường là mạng Internet )trên phương tiện vật lý dùng cho truyền hình. Có ba loại modem cáp được mô tả như hình 2-13 : Hình 2-12 : Vị trí của Modem Hình 2-13: Các loại modem cáp + Loại khối cắm ngoài: kết nối với máy tính thông qua kết nối Ethernet( có thể có nhiều máy tính cùng kết nối vào mạng Ethernet, lúc này modem cáp còn có chức năng của một bộ định tuyến) hoặc giao diện kết nối USB . + Loại card cắm trong: thường là dạng cắm thêm PCI cho máy tính. Loại này có giá thành rẻ nhất song chỉ dùng được cho máy tính để bàn còn sẽ phải có sự thiết kế khác cho dạng máy tính MAC và máy tính xách tay. + Loại thứ ba của modem cáp là dạng được tích hợp bên trong các STB cải tiến tương tác như đã trình bày ở trên. * Hệ thống kết cuối modem cáp- CMTS: Hệ thống này nằm trong Headend, thuộc về phía bên kia của mạng so với modem cáp. Là thiết bị kết cuối cho đường lên từ phía thuê bao đến đích là các Headend của các công ty cáp, do đó CMTS cũng được coi là giao diện giữa các modem cáp và mạng Internet IP như hình 2-14.
- Xem thêm -