S-CDMA技术在有线电视宽带网络应用

HFC网有着丰富的带宽资源，下行方向（有线电视前端向用户传输的方向）的带宽可达几百兆赫兹，每一条信道内能提供40~48Mbit/s的数据传输速率，在上行方向（用户设备向有线电视前端传输的方向）的带宽也有几十兆赫兹，能提供大约10Mbit/s的传输速率。HFC网为宽带接入提供了一个即节省开支又高效的解决方案。

　　然而一直以来，人们在HFC网络的上行信道采用何种接入技术上都莫衷一是。现在广泛使用的DOCS IS协议采用的是TDMA技术，但是在上行信道中存在着严重的窄带噪声和漏斗噪声，它们会对TDMA上行信号产生很大的干扰，严重降低了通信质量。因此在TDMA方案中，为了避免HFC上行信道中的噪声干扰，仅采用上行频段的高端，这样就浪费掉一大部分频率资源。而在上行信道中采用同步码分多址（S-CDMA）方案是一种提高系统上行信道的抗干扰能力和传输容量的解决方法。利用CDMA(码分多址)的扩频特性可以有效地抑制信道噪声，充分利用上行信道频率资源。S-CDMA使不同的用户发送信号的扩频序列保持精确的同步，减少了用户间的多址干扰，增加了传输的可靠性。

一、S-CDMA技术概述

　　S-CDMA(同步码分多址)是建立在码分多址(CDMA)基础上的，它通过有线分配网络提供健全和完善的传输。它与异步CDMA方案不同，S-CDMA的同步性把信道的效率提至14Mb/s (6MHz信道)。S-CDMA技术在脉冲和窄带噪声、线性和非线性信道损坏、一个速率的适应能力、宽带高容量以及系统的扩展性和安全性方面，较频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)技术极具优势。

1．S-CDMA技术原理

　　以前使用异步CDMA技术时最棘手的问题就是自产噪声，它是一个异步系统内的用户由于互相不校准，因而失去了正交性，从而产生的高度的交互干扰。这样就提高了底部噪声，从而降低了容量。

　　S-CDMA技术是通过确保Cable Modem传送上行信息相互正交和同步，减少了交互干扰。而且对于宽带中的通道干扰问题，可用6MHz S-CDMA通道来解决。这样S-CDMA数据将不影响用保护带隔离的其他通道。

　　在基于S-CDMA技术的系统中，由每个含有64kbps的多个数据码流来组成净负载为14Mbps的总容量。每个数据流用它自身扩展码进行格子编码、交织、并扩展到6MHz。

　　用前向纠错和交织来加强信号的扩展，从而使数据流可耐受脉冲噪声、窄带干扰和宽带高斯噪声。格子编码增加了4.8dB编码增益。交织能处理长周期脉冲噪声，频谱扩展提供了另外的22dB处理增益。由此可以看到S-CDMA技术在信号处理增益、干扰抑制和支持多路存取等方面具有优势。

2．S-CDMA容量

　　S-CDMA技术提供的高容量是频谱扩展码正交的结果。它通过两个过程获得：测距和均衡。测距保证时间对齐，即所有码字必须同时到达前端。测距是基于用户和前端连续距离的测量，以计算电缆随温度改变的伸长/收缩，此过程对每6MHz通道上运载业务是透明的。

　　均衡是通过测量从每个用户到前端的通道响应和在通道发射机上调整预编码器来获得的，通过使通道预编码器的响应倒转来校正通道响应。通过保证正交，SCDMA减少了用户之间的相互干扰并大大提高了容量，超过异步CDMA。

3．速率自适应特征

　　S-CDMA采用一种优良的调节技术来适应同轴电缆装置的动态噪声特征。它通过减少调制方案的等级和动态调节每个Modem发射机的功率来提高系统的可靠性和减少通道容量。此优良的调节能力确保系统的运行不中断。甚至在信噪比低于-13dB的噪声情况下。

4．多应用

　　S-CDMA容许用恒定比特率(CBR)、可变比特率(UBR)的带宽分配来支持各种服务等级。带宽分配可支持不同的应用并保障各自的信息量。该功能是通过为不同的服务分配不同的数据流来实现的。

　　单个64kbps数据流可分配给电话，而多个数据流的组合可分配给视频会议和高速因特网访问等应用。所有这些可通过一根同轴电缆提供。

　　带宽分配在前端集中管理，带宽能按要求被保证。使用S-CDMA，当对某些用户带宽进行保证时，其他用户则竞争使用14Mbps有效负载的剩余的部分。具有这些特征的一个完整系统，可以对不同用户提供不同的服务等级。这样将给有线电视网络运营商带来巨大好处，并相应改变他们的价格结构。

二、S-CDMA与其它技术的比较

　　时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)是通过电缆传输高速数据的两种方法。它们都有很大的限制。对于TDMA，不同的用户对应不同的时间位置。因此，TDMA需要快速获得，使得数据对窄带干扰非常敏感。

　　在信噪比(SNR)低于某个极限值时，TDMA系统可能完全不能运行。TDMA的另外一个问题是在一定通道内的竞争，并且此竞争会影响邻近通道，因为来自不同竞争的能量积聚会引起放大器的过载。这将严重影响双向数据网的性能。

　　对于FDMA，各个用户被分配不同的频段用于上行传输。由于每个用户占有一个特定窄带道，数据非常容易受到噪声的攻击。因为窄带干扰能轻易进入用户占用的通道。为此，FDMA系统常用频率再分配技术尽力避免噪声。因而噪声通道中的数据被转移到频段的另一部分。因为干扰的动态性，用不断移动通道来避免噪声通常需要更智能化和更昂贵的系统。

　　当系统移到另一通道时，由于没有发送任何数据，因而信息量也受到动态数据再分配影响。FDMA传输对非线形和频率失调也非常敏感，并且通道间需要保护带而使性能达不到最佳。

　　S-CDMA提供了一个办法，用于解决上行路径中进入的干扰和脉冲噪声，这正是HFC网双向传输高速数据时遇到的最严重的问题。这里不是在抗噪声和信息量之间求折中，在采用扩频和编码功能时S-CDMA可提供14Mbps的可靠的上行流，带宽分配的好处使网络运营商有提供可保证的数据率的能力，可用于UBR，CBR和VBR信息业务。

　　S-CDMA不是基于竞争的系统，因而它是可分级的，当更多的用户加入S-CDMA系统时，他们在高峰时期不会为有限的带宽而竞争，因而避免了冲突和降低了网络特征，而且S-CDMA的6MHz通道不干扰邻近的通道(它们可能用其他技术，如QPSK)连同高的数据速率，这些特性使此技术成为有线电视网高速数据传输的最有生命力的方法。

三、S-CDMA技术的优势

1．用于上行通信的S-CDMA的优点

　　同步码分多址技术(S-CDMA)解决了HFC系统中存在的噪声和容量问题。S-CDMA技术通过HFC网络提供了非常可靠的传输、以及每6MHz上行和下行通道高达14Mbps的速率，不同于常规的CDMA，S-CDMA使用6MHz带宽，其信号不干扰或影响其邻近通道，在容量、服务等级和动态带宽分配上，S-CDMA比诸如FDMA和TDMA技术，具有许多优点。

　　在上行通道(5-42MHz)传送数据所遇到的问题会妨碍有线电视运营商通过HFC提供双向、高速数据服务的能力。使用上行通道，两个最严重的问题是：在所限频段内明显的容量限制和来自家电(吹风机、电视等)的大量脉冲噪声和窄带干扰严重损伤了上行方向传送数据的能力。

　　上行方向传输质量的降低将严重影响下行方向的传输能力——因为它依赖于上行的信息，如果上行信号质量剧烈降低，将影响下行方向传送信息的准确性。

　　S-CDMA技术允许在每个6MHz通道上传输速率为14Mbps的数据。使用频谱扩展技术，S-CDMA使上行传输抗噪声(窄带干扰和脉冲噪声)能力强、不怕激光限幅。此技术还能与其它技术在相同的HFC网上并存，因为6MHz S-CDMA通道将不干扰其它诸如QPSK调制的邻近通道，S-CDMA还具有其它优点，包括动态带宽分配、最高保密性和可分级性。

2．较低的设备调整费用

　　系统能在非常大的噪声状态下运行，可降低下列费用：高通滤波器和电缆线安装；当增加新用户时滤波器的去除和再安装；设备的可靠性，很大的降低了设备调整费用。

3．能提供分层次服务

　　系统以信元为基础的技术提供服务质量控制，允许网络运营商通过提供分层次服务对商业用户提供优质、可靠和高数据率的服务，对居民用户提供经济有效的因特网接入。

　　典型的电缆系统可能有88%的用户，10%的小公司/家庭办公者(SOHO)以及2％的团体消费者，估计对SOHO用户和团体消费者来说，每月有40美元用于因特网接入服务，200—300美元用于T1的分数值速度连接，1000美元或更高用于T1速度连接，来自SOHO和团体消费者所组成的收入占高速数据服务总收入的58％，虽然它只占基本安装的12%。

4．确保不中断的服务

　　S-CDMA系统使网络运营商提供连续的和可靠的数据服务——甚至在SNR(信噪比)低于-13dB的恶劣噪声状态下。系统以一种优良的调节能力为特征，能应付上行路径中的干扰。当噪声提高时，在Modem—Modem基础上逐渐减少通道带宽，可以保证不中断的运行。

5．减少维护费用

　　系统在Modem—Modem基础上监控通道状态，以增大数据网的使用效率。此诊断能力允许网络管理者在整个同轴电缆设备构造上检查问题，并能快速解决系统问题和运行中的设备维护问题，这就大大降低了设备维护费用和间接费用。

6．减少投资

　　基于S-CDMA技术的系统为基于电缆的数据服务运营商提供最有效的成本，它的可靠性和高抗噪声性允许每个通道控制器集成更多的光节点，由此在低的初始有效电平时降低前端的费用，与采用TDMA技术中每个通道接收机最多覆盖一个光节点相比，根据设备的噪声状况，此系统能支持每个主控器覆盖4—8个光节点，对一个65000个用户，每个光节点1000个用户的系统来说，这里将有65个光节点，相对其他商家的约65个通道控制器，全服务地区只需约10一15个主控制器。因此，此系统的高节点集成能力，在前端通道控制器设备费用方案能减少网络运营商的投资高达75%。

四、S-CDMA技术在有线电视宽带网络建设中的具体应用

　　有线电视网络的丰富带宽是电信业无法比拟的。但这一巨大的资源却迟迟没有给有线电视网络带来应有的丰厚经济效益，其关键原因是：以往的传统技术无法克服有线电视网络内严重的上行汇集噪声，无法在低投入的情况下实现高效的宽带互联业务。而S-CDMA技术具有：超强抗噪声能力；不需要对原有的有线电视网络进行大规模改造，仅需开通普通有线电视网络回传功能即可实现宽带互联等特点，十分适合有线电视网络的实情，能在低投入的情况下建成一个功能强大的广电综合信息网。

1．系统频率的分配

　　双向传输采用频率分割方法。根据系统规模的大小、信息、功能的多少等，可分别采用高、中、低三种分割方式。国家广电总局建议使用如下分割方式：

数据上行业务：5—65MHz；

过渡带：65—85 MHz；

调频广播业务：85—108 MHz；

电视下行业务（模拟电视、数字电视）：165—750 MHz；

数据下行业务：550—750 MHz。

　　S-CDMA技术占用很窄的频带（6 MHz），大大节约宝贵的频率资源，为以后其它业务留下广阔的发展空间。下行频段可在550—750 MHz内任选6 MHz，也可根据有线电视网络现有电视频道情况选出模拟电视频道内其中空余的6 MHz带宽作为下行频道。

上行频道可设在5——42 MHz内的任意6 MHz频道。 2．基于S-CDMA技术的有线电视宽带网络数据接入系统的组成

　　基于S-CDMA技术的有线电视宽带网络数据接入系统包括： 网关、主控器、Cable Modem、管理软件、DHCP(动态主机配置协议)服务器。

系统组件的主要功能如下：

　　网关是一个边缘集中器，提供给终端用户访问远程IP骨干网(Internet等)以及同一电缆网络的 Cable Modem之间的高效通讯。网关对CATV网到主控器的骨干网间的前向数据负责。

　　主控器位于电缆前端或分布式网络中心，它是数字信道控制器和多路复用器。主控器为Cable Modem与电缆网络之间的连接提供控制、管理和数据传输功能。在高速信息流中，主控器提供动态宽带管理，数据网络资源访问控制和保证数据服务质量及统一性的管理。单个主控器、为处于相同RF信道上的2000个Cable Modem提供这些功能。

　　Cable Modem位于用户前端，它与主控器在CATV网络上通讯，并且给用户PC机提供了标准的IEEE802．3以太口。该以太口允许与单个或多个PC机，服务器或LAN的路由器连接。

　　管理软件提供了对系统的管理。它为Cable Modem提供了系统配置，RF频谱管理，运行错误监控及服务规范。

　　动态主机配置协议(DHCP)服务器位于网络运行中心或前端（依赖于网络运行）。它为用户PC机提供了动态IP地址管理和配置服务。

3．S-CDMA系统上行信道的接入过程

　　在采用S-CDMA上行接入方案的HFC网络中，用户终端在接入网络到开始在S-CDMA模式下正式传输数据，还必须经历一个初始化过程。这个过程要完成以下几个任务：

　　（1） 测距：S-CDMA系统要保证不同用户传送的扩频信号保持严格的同步，即用户发送信号的扩频序列到达有线电视前端时的相位要彼此相同，这样才可以减少用户间的多址干扰。由于HFC网络中各个用户设备与前端的距离不同，而且用户终端何时接入系统也是随机的，所以用户终端发送的信息到达前端的相位值也是随机的。为了实现各用户上行信号的同步，在HFC网前端设立一个基准主时钟，把这个时钟作为整个网络的参考时钟。准备接入网络的用户终端需要向前端发送一个测距信号，前端通过这个测距信号得到从终端到前端的传输延时，并使处于不同地理位置的用户可以得到相应的延时补偿，最终实现同步。

　　（2）功率控制：一般情况下，由于信号通过放大器个数和物理线路的长度的不同，可能会造成几十dB的功率差异，使系统不能稳定运行。如果功率差异大的两个用户信号在信道中传输，功率大的信号可能会把功率小的信号淹没，造成信号丢失。如果信号的功率太小，信噪比过低，会严重影响了传输的质量。前端检测出信号功率，并通过码捕获和功率控制器计算出功率调整信息，然后通过网络中的闭环控制把功率调整信息回送到用户终端，使用户终端功率得到调节，并能保持相对稳定。

　　（3）分配MAC地址：在HFC网中的每个用户终端都有一个唯一的四个字节的MAC地址，在发送请求的时候连同这个地址一起传送到前端，便于前端识别，在初始化过程中，前端会分配给用户一个二字节的MAC地址。用户终端在完成初始化过程后，就会用这个两字节的MAC地址来代替原有的四字节的MAC地址和前端通信，既达到节省带宽的目的，又能满足一个服务区中所有用户终端的使用。

（4）获取传输参数：通过初始化过程，用户终端得到传输上行信号所必需的工作频段和扩频码等信息。

4．用户接入方案

　　用户网络以750MHz的双向有线电视网络(HFC)为主，除有线电视节目外，主要传输符合DOCSIS标准的数据信号、准视频点播(N—VOD)信号，兼可提供IP电话、视频会议、远程教育等增值服务。用户家中使用电缆调制解调器(Cable Modem)接收网络的宽带信息。

在用户端，具体的接入方式有三种：

（1） 单机单用户

　　在这类接入方式中，每个用户使用一个电缆调制解调器(Cable Modem)，为用户提供双向14Mbps的接入速率。原有的到用户端有线电视网络只需进行双向改造，其他不必进行改造。

（2）单机多用户(以太网方式)

　　这种方式中多用户通过集线器(HUB)共用一个电缆调制解调器(Cable Modem)，可有效降低用户端成本。但这种方式需要从HUB到用户铺设五类线，故较适用于机关、企业、办公楼(智能大厦)、网吧等已铺设局域网的地方。

（3） 单机多用户(混合器／分离器方式)

　　在这种方式中，通过一个电视／数据信号混合器，把来自电缆调制解调器(Cable Modem)的数据信号和来自有线电视分支器的电视信号混合在一起，再通过混合器的同轴电缆接口把混合信号传至用户家中。用户家中安装一个电视/数据信号分离器，通过分离器的以太网接口把数据传给PC机，通过分离器的同轴电缆接口把电视信号传给电视机。这种方法只需很少的设备，既降低了用户端成本，同时又省去了重铺五类线的投资，每用户成本要大大低于任何其他Internet的接入方案。

5．系统功能

　　基于S-CDMA技术的有线电视宽带网络数据接入系统可实现如下功能：

（1）高速Internet访问

　　通过有线电视网高速接入Internet，可以浏览丰富多彩的网上多媒体信息、打各种联网游戏等等，其速度比单纯电话线上网(56K Modem)要快100多倍。

（2）各种信息服务

　　可提供基于宽带网络的各种信息服务：比如：准视频点播、视频会议、网络股市、社区服务、IP电话、远程教育、远程医疗以及电子商务等。

（3）VLAN与VPN

　　基于SCDMA技术的系统拥有最高的通信保密等级，允许你根据业务需求对网络进行任意划分，完全基于软件轻松实现VLAN、VPN。

（4）基于QoS的多级别服务

　　基于SCDMA技术的系统允许网络运营商在保证QoS的前提下，针对有不同业务要求的用户提供多级别服务，实现多级别收费，充分挖掘利润空间。

　　HFC网在实际应用中面临的一个关键问题是由于其电缆部分的树状拓扑结构致使其上行通道的噪声比较严重，而现行处理办法均有不尽人意之处，因此，解决噪声干扰问题成为HFC双向设计的关键。S-CDMA技术则非常圆满地解决了上行路径中的干扰和脉冲噪声，解决了HFC网络中双向高速传输数据时最棘手的问题。加之S-CDMA在经济上具有较低的设备调整费用、较低的设备维护费用和间接费用、投资少的特点。并且能够提供分层次服务，确保不中断的服务。我们相信随着技术成熟和标准的制定，S-CDMA技术在有线电视网络双向改造及宽带数据接入中有广阔的应用前景。