多媒体通信网络在CATV中的应用

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李建华：武汉大学计算机学院

周　荣：武汉诚源科技有限责任公司网管研究室

李丽华：中国联通赣州分公司于都经营部

　　世界进入了互联网时代，中国也进入了这个时代。在这个时代到来的时候有很多新的机遇，其中一个机遇就是以现有的有线电视网络为基础，建立新一代的通信网络。

　　一、引言

　　多媒体通信是信息高速公路建设中的一项关键技术。它是近年来出现的一种新兴的信息技术，是多媒体、通信、计算机和网络等相互渗透和发展的产物。多媒体通信的广泛应用将会极大地提高人们的工作效率，减轻社会的交通运输负担，改变人们的教育和娱乐方式。多媒体通信将成为21世纪人们通信的基本方式，是目前各国在通信、计算机、教育、广播娱乐等各个研究领域研究的前沿课题。

　　二、多媒体通信的发展背景和定义描述

　　1、 多媒体通信的发展背景

　　多媒体通信的发展首先是由于多媒体计算机技术的崛起。自90年代开始，多媒体计算机技术就成为计算机领域的热点之一。计算机在各个领域中的广泛应用使得人类社会的信息量爆炸性地增长，当技术发展到可以方便地处理各种感觉媒体时,多媒体计算机技术自然而然地出现并迅速发展起来。 多媒体通信中的“多媒体\'一词，指的是由在内容上相互关联的文本、图形、图像、音频和视频等媒体数据构成的一种复合信息实体；计算机以数字化的方式对任何一种媒体进行表示、存储、传输和处理，并且将这些不同类型的媒体数据有机地合成在一起，形成多媒体数据，这就是多媒体计算机技术。多媒体计算机技术综合和发展了计算机科学中的多种技术，与旧有的各种技术存在着联系，如操作系统、计算机通信、数字信号和图像处理等。它是以计算机为核心的集图、文、声、像处理技术为一体的综合性处理技术。随着科学技术的迅速发展和社会需求的日益增长，人们已不满足于单一媒体提供的传统的单一服务，如电话、电视、传真等，而是需要诸如数据、文本、图形、图像、音频和视频等多种媒体信息以超越时空限制的集中方式作为一个整体呈现在人们的眼前。在这种时代背景下，伴随着多媒体计算机技术与电话、广播、电视、微波、卫星通信、广域网和局域网等各种通信技术相结合，产生了一种边缘性技术——多媒体通信。

　　2、 多媒体通信的定义

　　描述多媒体通信是多媒体技术和通信技术的有机结合，突破了计算机、通信、电视等传统产业间相对独立发展的界限，是计算机、通信和电视领域的一次革命。它在计算机的控制中，对独立的信息进行集成的产生、处理、表现、存储和传输。这些信息中至少包含一个时间相关媒体（如连续的视频信号）或一个时间无关媒体（如离散的数据信号）。

　　多媒体通信系统的出现大大缩短了计算机、通信和电视之间的距离，将计算机的交互性、通信的分布性和电视的真实性完美地结合在一起，向人们提供全新的信息服务。

　　三、多媒体通信网络

　　多媒体要通过通信网传送文本、图形、图像、声音、视频和音频等不同媒体。这些经过数字化的媒体对通信网也提出了不同的要求。文本、图形和图像属于不连续媒体，要求的平均速率不高，可是有很强的突发性和短时的高速率。声音、音频和视频属于连续媒体；其中声音和音频信号传输速率较底，但实时要求较高，视频信号则需要极高的传输速率。多媒体通信的发展要求有适合于传输多媒体信息的通信网。目前的电话网基本上是模拟网或者是数模混合网，其用户线是模拟的，只能传送模拟信号，传数字信息必须加调制解调器。不适合用作多媒体通信。计算机局域网采用分组交换技术，很适合数据传输，例如多媒体通信中的文本、图形和图像信息。但是分组交换对于连续媒体如视频和音频信号会带来很大的延时而影响传输质量。典型的多媒体通信网应具备容量大、时延小、可变比特率。目前国内外通信发展方向为宽带化、智能化、个人化及综合化，是B－ISDN还是宽带IP网将会成为将来进行多媒体业务的理想网络是当今的争论热点之一。

　　四、走向宽带多媒体网络的有线电视网

　　目前席卷全国的有线电视网（CATV）也是一个可利用的网络，它有1GHz的带宽，且宽带到用户，这是利用CATV进行多媒体通信的优势；但是由于目前的CATV是单向传输，并且该网络缺乏交换机制以及网络安全管理的功能，这就使得通过CATV提供双向对称/不对称业务非常困难，所以改造现有的单向网络变成双向网络，即在原有的树形广播网络中传输双向上行的信息是利用CATV实现除电视业务以外其他多媒体业务的关键。目前人们颇为看重的混合光纤同轴电缆网络（HFC）就是基于传统的同轴电缆CATV网络的进一步 发展的结果。下面我们就来探讨在CATV网络上实现多媒体通信的问题。利用有线电视电缆线，完全可以进行通信。这项技术发展到现在，已经成为一支足以和传统电信相抗衡的新生力量。

　　1、 双向HFC网络的频谱安排

　　HFC采用负载波频分复用方式，各种图像，数据和语音信号通过调制解调器同时在同轴电缆上传输，合理的频谱安排非常重要，既要考虑原有和现在的应用需求，又要考虑未来的发展。有关同轴电缆中各种信号的频谱安排尚无正式国际标准，但已有多种建议方案。考虑一个可能的多业务CATV网络典型的频谱分配方案为：

　　低频端的5~30MHz共25MHz频带安排为上行（从用户到CATV前端）通道，即所谓回传通道，近来，由于随着滤波器质量的改进和考虑点播电视的信令和监视信号及数据和电话等其他应用的需要，上行通道的频段倾向于扩展为5～42MHz，共37MHz频带。允许在上行和下行（从CATV前端到用户）频带之间有一保护带。

　　50～1000MHz频段用于下行通道，其中50～550MHz频段留给高清晰度电视（HDTV）和传输现有的模拟CATV信号，每一通路的带宽6～8MHz，因而总共可以传输各种不同制式的电视信号60～80路。 550～750MHz频段允许用来传输附加的模拟CATV信号或数字压缩节目频道，或用于传输双向交互型通信业务。假设采用64QAM调制方式和MPEG-2图像信号，则频谱效率可5bps/Hz，从而允许在一个6～8MHz的模拟通路内传输约30Mbps速率的数字信号，若扣除必须的前向纠错等辅助比特后，亦可大致相当于6～8路4Mbps速率的MPEG-2图像信号。因此这200M带宽总共至少可传输约200路VOD信号，当然也可利用这部分频带传输数据或多媒体以及电话信号。若采用QPSK调制方式，每3.5MHz带宽可传90路64Kbps速率的语音信号和128kbps的信令和控制信息，适当选取6个3.5MHz子频带单位置入6~8MHz通路即可提供540路下行电话通路！通常这200MHz频段传输混合型业务信号。将来随着数字编解码技术的近一步成熟和芯片成本的大幅度下降，550～750MHz频带可以向下扩展至450MHz乃至最终全部取代550～750MHz的模拟频段。届时这500MHz频段可能传输约500路数字广播电视信号。

　　高端的750～1000MHz频段已明确仅用于各种双向通信业务，其中2x50MHz频带用于个人通信业务，其他未分配的频段可以有各种应用以及应付未来可能出现的其他新业务。

　　上行带宽分配。各种双向业务频谱可以考虑将上行频谱最低的1MHz作为网络监视载波，它们通常是慢、窄、时分复用信号，而且如果需要，能容忍广泛地重发送。网络监视通常安排在比较嘈杂的信道。交互式业务，由于其性质、差异很大，例如简单的菜单选择和交易业，能容忍重发的延时，而实时的交互活动，如某些类型的视频游戏，则绝对不能容忍拖延。所有这些业务中，电话和个人通信是最不能容忍中断的业务，因为它们主要传输的是话音，对时间和顺序都很敏感，最能容忍中断的是分组通信，如互联网Inte.net访问业务，因为它总是在转发集中的包数据。

　　2、 有线电视网络的双向改造问题

　　现有的有线电视网络是单向的。即有线电视台播放节目，百姓在家里收看；反过来，如果您在家中把有线电视电缆线接上一台摄象机，想把您拍摄的影像传回有线电视台，那是做不到的。因此，要对现有的有线电视网络进行所谓的双向改造。只有经过了双向改造的有线电视网络，才能进行双向信息传送，也就是说，才能用它来打电话或者双向地传送电视节目。

　　实际上，双向改造不是很麻烦的。因为已经铺设的有线电视网络电缆线（包括光纤电缆和同轴电缆）基本上不必改动，只要在有线电视台以及该网络中关键的节点安装新的数字设备就可以了，同时，在百姓家里要安装另一种调制解调器 ——Cable Modem。百姓家里的设备价格并不贵，约在几百元至一两千元。有线电视台端的设备，其价格取决于用户的数量和功能。一个中等城市的设备改造费用约为几百万到几千万元（不含铺设电缆线路的费用），对于有几十万有线电视用户的城市来说，均摊到每个用户头上的改造费用不过一两百元。 　　3、有线电视网络改造中可能遇到的问题

　　通过有线电视网络进行通信，有一个问题。中国电信传统的普通电话网络，已经遍及全国各地，其网络线路的所有者就是中国电信。但是，各地的有线电视台是由各地自行筹资建设的，彼此并不相连。例如，北京有线电视台的网络出了北京地区，网络就不通了。因此各地有线电视台就象一个个孤岛，要想在孤岛间通信，还需要把这些孤岛连接起来。

　　连接“孤岛”的工作已经有人开始在做。由广电部、铁道部、中国科学院和上海市政府四家共同投资，成立了中国网通公司，该公司开始利用铁道部原有的通信线路，将各地的有线电视网络连接起来，经过一段时间的努力，现在已经把全国 17 个主要城市的有线电视网络连接起来，形成了一个拥有 250 万公里线路的通信网络体系，这17个城市是：北京、天津、济南、南京、上海、杭州、福州、厦门、广州、深圳、长沙、武汉、郑州、石家庄、合肥、宁波和南昌。

　　4、 CATV上的视频点播（VOD）系统

　　VOD是一种受用户控制的视频分配业务，它使得每一个用户可以交互地访问远端服务器所储存的丰富节目源，也就是说，在家里即可随时点播自己想看的有线电视台服务器储存的电影及各种文艺节目，实现人与电视系统的直接对话，选择电视节目的过程就像在饭馆里点菜一样简单、方便； 它还可以提供图文信息和综合服务；也可以对各种播出节目进行控制和收费。 VOD系统是由信源、 信道及信宿组成的，它们分别对应于CATV系统的前端机房传输网络和用户终端，用户根据电视机屏幕上的选单提示，利用机顶盒选择出自己所喜爱的节目，并向前端发出点播请求指令。在具有双向传输功能的CATV系统中，利用频道分割方式将用户点播的请求信息通过系统的上行通道传输到前端子系统的控制系统。控制系统将点播的节目和主系统的电视信号混合后，由CATV系统的下行通道传输到点播用户终端，经机顶盒解调后观看。

　　5、 CATV网上的电话

　　系统人们使用最多、最早的通信工具就是电话，这种网络叫电话交换网，其特点是呼叫一旦建立，两个用户间就通过交换机形成一个直接通路。在电话线上只能传输模拟信号的声音。

　　这种电话信号是否可通过别的线路传输呢？有3种办法实现电话信号传输：

　　(1) 无线通信传输；(2)通过电力系统传输；(3)通过CATV系统传输。

　　由于电力系统存在电压高，不安全以及有变压器隔离等问题，不宜在电力线上传电话，而在CATV系统上实现电话传输，比较符合通信标准和生活习惯，也比较安全适用。

　　在CATV网上传电话业务需要增加3种设备：

　　一种是连接交换机和CATV网的前端接口单元；另一种是用户电话和CATV网的用户接口单元；第3种是计算机网络管理设备。

　　这种CATV电话网又称为电缆电话（Cablephone）。传统电话网的长途干线和局间中继线带宽比较大，但进入用户环路，由于使用的是双绞线，带宽很窄，因此只能传输300～3400Hz的窄带电话和低速数据。电缆电话则不同，其全网都具有宽带的电信业务，因此，不仅可以提供普通电话，也可以提供宽带的电信业务，包括64kbit/s数字电话、ISDN、电视电话等。

　　用这样的线路打电话，其优点之一，是费用便宜。大家平时打电话，总是长话短说，因为市内电话每3 分钟要收0.22 元，打长途就更贵了。但是没看见谁为了节省电视收费，在看完这个节目后就赶紧把电视关了，这是由于有线电视网络的收费本来就不高。例如，现在人们收看有线台的电视节目，每月交费是15 元。设想一下，如果让你每月交费30 元，然后可以随便打电话而不再另收费，这是一种什么样的感受呀！其实，在国外，人们在家里打电话，收费也是极为便宜的。

　　6、 CATV网上的双向数据通信

　　这个网络另外一个诱人的特点，就是速度快。用通信术语来说，就是频带宽，换句话说，有线电视网络是一个宽带网络。目前广为使用的ADSL 技术，带宽最高可达5M，而有线电视网络的带宽是550M，最高可达1G（即1024M）。这就是说，有线电视网络的带宽是目前电话线的1万倍，是采用ADSL 技术后的100倍。虽然此处计算很粗略，只是定性的说明，但已经足以说明有线电视网络的潜力。频带宽的好处就是可以通过这个网络传送多媒体信息。

　　 在CATV网上进行双向高速数据的传送时，在用户端利用Cable Modem上网。Cable Modem采用先进的调制技术（如64QAM），分为对称和非对称二种。其中，对称型可为每个用户提供10Mbit/s的上下通道速率，可用在远程医疗、 远程教学、电视会议等场合；非对称型可为每个用户提供的上行速率为 784kbit/s，下行通道速率可达30Mbit/s，因此特别适合用在WWW浏览、视频游戏、电子新闻阅读等。

　　Cable Modem多采用标准化接口，如使用最广泛的10BASE－T接口，不仅可以直接与局域网相连，而且解决了计算机间不兼容的问题。

　　五、CATV的发展趋势: 多媒体通信业务

　　经过双向改造的CATV系统用途广泛，将成为一个数字通信网络，这是一个宽带的互联网。它可以接收VHF，UHF和UHF电视频道及调频立体声广播等多种开路信号，同时还能够传输各种闭路电视信号，如高质量数字电视和点播视频、高保真的数字电话及高速率的数据等多媒体信息。利用这个网络，可以上互联网收发电子邮件，浏览网页；可以打电话（语音电话、可视电话、电视会议）；可以进行实时股票交易等各类电子商务活动；可以进行网络教学、远程医疗；可以利用该网络进行智能住宅小区的管理（保安监控、抄报水电气三表、煤气泄漏报警等）。当然，它仍然可以用来传送有线电视节目。以上这一切信息在该网络上的传递，都是数字化的，是符合互联网协议的。

　　CATV网的另一特点是有广泛的市场和广阔的发展前景。目前世界范围内已有大约数亿个家庭订购使用有线电视，并且在将来的10年内还有加倍。有线电视在21世纪将成为重要的社会信息媒介。

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