چگونه اجزای تجهیزات انتقال HFC در یک شبکه کابلی با هم کار می کنند؟

شبکه HFC چیست و چرا تجهیزات انتقال اهمیت دارد؟

Hybrid Fiber-Coaxial (HFC) معماری شبکه ای است که اپراتورهای کابلی در سراسر جهان برای ارائه اینترنت پهن باند، تلویزیون کابلی و خدمات صوتی به خانه ها و مشاغل به آن تکیه می کنند. این معماری "هیبرید" نامیده می شود زیرا دو نوع کابل متمایز را ترکیب می کند: فیبر نوری از قسمت انتهایی تا نقاط توزیع محله به نام گره ها، و کابل کواکسیال برای بخش نهایی که آن گره ها را به محل مشترک متصل می کند. این طراحی به اپراتورها اجازه می دهد تا از ظرفیت پهنای باند عظیم فیبر استفاده کنند و در عین حال زیرساخت کواکسیال موجود را که تقریباً به هر خانه در مناطق خدماتی می رسد، حفظ کنند.

تجهیزات انتقال در یک شبکه HFC بسیار بیشتر از انتقال سیگنال‌ها از نقطه A به نقطه B انجام می‌شود. این سیگنال‌ها را تقویت می‌کند، تقسیم می‌کند، یکسان می‌کند و سیگنال‌های پایین‌دست (هدند به مشترک) و بالادست (مشترک به هدِند) را شرایط می‌کند، همگی در عین مدیریت انباشت نویز، اعوجاج سیگنال، و پاسخ فرکانسی در طول دهانه‌هایی که می‌توانند چندین کیلومتر طول بکشند. انتخاب و پیکربندی صحیح این تجهیزات چیزی است که یک شبکه قابل اعتماد و با ظرفیت بالا را از شبکه ای که با شکایات خدماتی و رول های کامیون پرهزینه است جدا می کند.

Headend: جایی که منشاء سیگنال HFC آغاز می شود

Headend نقطه مبدا برای همه محتوای پایین دست و نقطه پایان برای همه داده های بالادست است. در معماری سنتی HFC، هدند تجهیزاتی را در خود جای می‌دهد که کانال‌های ویدئویی را روی حامل‌های RF تعدیل می‌کند، ترافیک IP پهن‌باند را از طریق سخت‌افزار CMTS (سیستم پایان مودم کابلی) جمع‌آوری می‌کند و این سیگنال‌های RF ترکیبی را به سیگنال‌های نوری برای انتقال از طریق فیبر تبدیل می‌کند. ساختمان هدند فیزیکی همچنین شامل فرستنده های نوری، مدولاتورهای QAM لبه، سرورهای مدیریت شبکه، و اتصال با ارائه دهندگان حمل و نقل اینترنتی بالادستی است.

در استقرارهای مدرن‌تر معماری دسترسی توزیع‌شده (DAA) - مانند Remote PHY یا Remote MACPHY - برخی از پردازش‌های باند پایه که در هدند رخ می‌داد، به خود گره منتقل می‌شوند. این به طور چشمگیری دهانه فیبر آنالوگ را کاهش می دهد، عملکرد نویز بالادست را بهبود می بخشد و تقسیم گروه های خدماتی به اندازه های کوچکتر را آسان تر می کند. درک اینکه آیا شبکه شما بر روی HFC سنتی کار می کند یا یک نوع DAA به طور مستقیم بر تجهیزات انتقال پایین دستی مناسب تأثیر می گذارد.

فرستنده ها و گیرنده های نوری: ستون فقرات فیبر

بخش فیبر یک شبکه HFC به تجهیزات انتقال نوری آنالوگ یا دیجیتال برای حمل سیگنال های مدوله شده با RF بین هد و گره نوری متکی است. فرستنده‌های نوری آنالوگ از دیودهای لیزری مدوله‌شده یا مدوله‌شده خارجی - معمولاً در طول موج‌های 1310 نانومتر یا 1550 نانومتر - برای تبدیل سیگنال RF مرکب به سیگنال نور مدوله‌شده استفاده می‌کنند. انتخاب بین 1310 نانومتر و 1550 نانومتر پیامدهای عملی دارد: فرستنده‌های 1550 نانومتری می‌توانند از تقویت‌کننده‌های فیبر دوپ‌شده با اربیوم (EDFA) برای کاربردهای طولانی‌تر استفاده کنند، در حالی که 1310 نانومتر برای دهانه‌های کوتاه‌تر و با تلفات کمتر در جایی که تقویت EDFA غیرضروری است ترجیح داده می‌شود.

مشخصات کلیدی فرستنده نوری

• توان نوری خروجی: معمولاً 6 تا 17 دسی بل برای فرستنده های آنالوگ. خروجی بالاتر از تقسیم های نوری بیشتر قبل از رسیدن سیگنال به گره پشتیبانی می کند.
• اعوجاج برش (CTB/CSO): اعوجاج سه گانه مرکب و اعوجاج مرتبه دوم مرکب باید بسیار کمتر از آستانه سیستم - معمولاً بهتر از -65 dBc - باشد تا از تداخل در کانال های RF جلوگیری شود.
• نویز با شدت نسبی (RIN): RIN لیزری به طور مستقیم نسبت حامل به نویز را در پیوند نوری محدود می کند. به دنبال رتبه بندی RIN 165-dB/Hz یا پایین تر در فرستنده های با کیفیت باشید.
• پهنای باند مدولاسیون: باید از طیف کامل پایین‌دستی در حال استفاده پشتیبانی کند - شبکه‌های DOCSIS 3.1 امروزی ممکن است فرکانس 54 مگاهرتز تا 1218 مگاهرتز را دربر گیرند و به فرستنده‌هایی نیاز دارند که برای عملکرد طیف کامل یا طیف گسترده درجه‌بندی شده باشند.

در گره، گیرنده های نوری (گاهی اوقات در خود گره یکپارچه می شوند) سیگنال نوری را برای توزیع روی کابل کواکسیال به سیگنال RF تبدیل می کنند. حساسیت و دامنه دینامیکی گیرنده تعیین می کند که لینک چقدر از دست دادن نوری را می تواند تحمل کند، که به نوبه خود تعیین می کند که چه تعداد تقسیم فیبر بین فرستنده و گره امکان پذیر است.

گره های فیبر: مرکز توزیع شبکه HFC

گره نوری محل اتصال بین فیبر و بخش کواکسیال شبکه HFC است. این گیرنده نوری (و فرستنده نوری بالادست)، مراحل تقویت RF، و مدار تقسیم غیرفعال و ترکیبی است که سیگنال ها را به چندین پایه کواکسیال هدایت می کند که مناطق جغرافیایی مختلف را ارائه می دهد. "گروه خدمات" یک گره تعداد خانه هایی است که توسط خروجی های کواکسیال آن عبور می کند - گره های سنتی ممکن است به 500 خانه یا بیشتر خدمت کنند، در حالی که استراتژی های مدرن تقسیم گره این تعداد را به 125 خانه یا حتی کمتر در هر گروه خدمات کاهش می دهد تا پهنای باند در دسترس برای هر مشترک افزایش یابد.

بسیاری از گره های معاصر به عنوان پیکربندی های "گره 0" طراحی شده اند، به این معنی که هیچ تقویت کننده RF بین خروجی گره و خانه مشترک مورد نیاز نیست. این امر با قرار دادن گره‌ها در همسایگی‌ها در مسیرهای کواکسیال کوتاه‌تر، حذف نویز و آبشارهای اعوجاج که در زنجیره‌های تقویت‌کننده انباشته می‌شوند، قابل دستیابی است. معماری Node 0 برای برخی از تنظیمات DOCSIS 3.1 full-duplex (FDX) و برای دستیابی به سرعت های متقارن چند گیگابیتی تحت مشخصات DOCSIS 4.0 پیش نیاز است.

تقویت کننده های RF: افزایش دسترسی کواکسیال

در جایی که دهانه کابل کواکسیال به آن نیاز دارد، تقویت‌کننده‌های توزیع RF و توسعه‌دهنده‌های خط، سطح سیگنال را برای جبران تضعیف کابل و تلفات غیرفعال دستگاه افزایش می‌دهند. این تقویت کننده ها نیروی کار کارخانه بیرونی در شبکه های HFC سنتی هستند و برای حفظ سطوح سیگنال کافی در نقاط ریزش مشترک بسیار مهم هستند.

تقویت کننده های توزیع

تقویت‌کننده‌های توزیع (که در معماری‌های قدیمی‌تر به آن‌ها تقویت‌کننده تنه نیز گفته می‌شود) در فواصل زمانی در امتداد کابل‌های تغذیه کواکسیال اصلی نصب می‌شوند. تقویت کننده های توزیع مدرن در یک طیف کامل از 5 مگاهرتز تا 1 گیگاهرتز یا بالاتر عمل می کنند و از مسیرهای سیگنال پایین دست و بالادست به طور همزمان پشتیبانی می کنند. آنها معمولاً شامل مدارهای کنترل بهره خودکار (AGC) و کنترل شیب خودکار (ASC) هستند که بهره و پاسخ فرکانس را برای جبران تغییرات تضعیف کابل مربوط به دما در طول روز و در فصول سال تنظیم می‌کنند.

توسعه دهنده های خط و تقویت کننده های ضربه ای

تقویت کننده های خط تقویت کننده های کم مصرفی هستند که برای فشار دادن سیگنال به عمق یک محله استفاده می شوند و کابل های شاخه کوتاه تری را ارائه می دهند که شیرهای مشترک را تغذیه می کند. تقویت‌کننده‌های شیر هنوز کوچک‌تر هستند، اغلب در دستگاه‌های شیر چند پورتی که خانه‌ها را به کابل فیدر متصل می‌کنند یا در نزدیکی آن‌ها نصب می‌شوند. طراحی مناسب آبشار - محدود کردن تعداد تقویت کننده های سری بین گره و هر مشترک - برای کنترل انباشت نویز ضروری است، زیرا هر تقویت کننده در یک آبشار نویز حرارتی را اضافه می کند که از طریق زنجیره ترکیب می شود.

اجزای غیرفعال: تقسیم‌کننده‌ها، شیرها و کوپل‌ها

اجزای غیرفعال نیازی به برق ندارند اما نقشی به همان اندازه در توزیع سیگنال دارند. هر تقسیم سیگنال افت ورودی را ایجاد می کند - یک تقسیم کننده دو طرفه تقریباً 3.5 دسی بل تلفات اضافه می کند، یک تقسیم کننده چهار طرفه حدود 7 دسی بل - که باید با بهره تقویت کننده در جای دیگر شبکه جبران شود. انتخاب دقیق و قرار دادن اجزای غیرفعال مستقیماً بر تعداد تقویت کننده های مورد نیاز و محل قرارگیری آنها تأثیر می گذارد.

فیلترهای Diplex مستحق توجه ویژه هستند زیرا شبکه ها برای DOCSIS طیف گسترده یا DOCSIS 4.0 ارتقا یافته اند. فیلترهای دیپلکس سنتی در فرکانس 42 مگاهرتز یا 65 مگاهرتز تقسیم می شوند و باندهای بالادست و پایین دست را از هم جدا می کنند. شبکه‌های مدرن به فیلترهای دیپلکس با تقسیم میانی (مرز 85/204 مگاهرتز) یا با تقسیم بالا (204/258 مگاهرتز) نیاز دارند تا طیف گسترده‌تر بالادستی مورد نیاز برای ظرفیت بالادستی چند گیگابیتی را در خود جای دهند. ارتقاء فیلترهای دایپلکس در کل شبکه تقویت کننده کارخانه بیرونی یکی از پر زحمت ترین – اما تاثیرگذارترین – مراحل در تکامل شبکه HFC است.

CMTS و دستگاه های PHY از راه دور: مدیریت لایه داده

سیستم خاتمه مودم کابلی (CMTS) تجهیزاتی است که اتصالات پروتکل DOCSIS از مودم های کابلی مشترک را قطع می کند. در معماری سنتی HFC، CMTS در قسمت اصلی قرار می‌گیرد و لایه MAC (مدیریت اتصالات مشترک، خط‌مشی‌های QoS و تخصیص پهنای باند) و لایه PHY (مدولاسیون و دمدولاسیون سیگنال‌های DOCSIS) را مدیریت می‌کند. شاسی‌های CMTS با چگالی بالا از فروشندگانی مانند Cisco، Casa Systems و CommScope می‌توانند ده‌ها هزار مودم کابلی را در هر شاسی، با اجزای اضافی و کارت‌های خط قابل تعویض داغ برای در دسترس بودن درجه حامل، خاتمه دهند.

Remote PHY Devices (RPDs) تکامل CMTS را در معماری‌های DAA نشان می‌دهد. در استقرار Remote PHY، توابع لایه PHY از CMTS headend به یک RPD که با گره نوری قرار گرفته یا در آن ادغام شده است، منتقل می شود. هدند فقط لایه CMTS MAC (که اکنون ccap-core نامیده می شود) را حفظ می کند. سیگنال های بین ccap-core و RPD به صورت دیجیتالی روی فیبر با استفاده از استاندارد رابط CableLabs R-PHY حرکت می کنند. این رویکرد به طور چشمگیری دهانه فیبر آنالوگ را کاهش می دهد، عملکرد نویز بالادست را بهبود می بخشد، و شبکه را برای قابلیت های آینده DOCSIS 4.0 از جمله کانال های بالادستی FDX و OFDMA قرار می دهد.

انتخاب تجهیزات انتقال HFC: معیارهای عملی

انتخاب تجهیزات انتقال HFC مناسب نیازمند متعادل کردن نیازهای عملکرد فعلی در برابر مسیرهای ارتقاء آینده است. شبکه‌هایی که برای ارتقای کوتاه‌مدت DOCSIS 4.0 برنامه‌ریزی نمی‌کنند، ممکن است تقویت‌کننده‌ها و گره‌های سنتی مقرون‌به‌صرفه را در اولویت قرار دهند، در حالی که اپراتورهایی که خدمات چند گیگابیتی را در عرض پنج سال هدف قرار می‌دهند باید تجهیزاتی را انتخاب کنند که صریحاً برای عملیات با تقسیم بالا یا طیف کامل طراحی شده‌اند.

• پشتیبانی از طیف: تأیید کنید که تقویت‌کننده‌ها، گره‌ها و غیرفعال‌ها برای فرکانس تقسیم بالادست هدف شما رتبه‌بندی می‌شوند - تقسیم متوسط (85 مگاهرتز)، تقسیم بالا (204 مگاهرتز)، یا بالادست گسترش یافته (396 مگاهرتز برای FDX). اختلاط تجهیزات طیف ناسازگار در یک آبشار، هدف ارتقا را از بین می برد.
• سازگاری تغذیه: تجهیزات خارج از کارخانه HFC از طریق خود کابل کواکسیال و با استفاده از ورودی های برق 60 یا 90 VAC تغذیه می شوند. قبل از استقرار بررسی کنید که تقویت کننده های جدید با ولتاژهای منبع تغذیه موجود و ظرفیت کابل برق سازگار هستند.
• مدیریت از راه دور: تقویت‌کننده‌ها و گره‌های مدرن به طور فزاینده‌ای از نظارت از راه دور مبتنی بر SNMP یا DOCSIS پشتیبانی می‌کنند و به اپراتورها این امکان را می‌دهند تا بدون فرستادن تکنسین‌ها به میدان، رانش بهره، تخریب لیزر یا خطاهای برق را تشخیص دهند.
• رتبه بندی های زیست محیطی: همه تجهیزات فضای باز باید دارای رتبه بندی های مناسب حفاظت از نفوذ (معمولا IP67 یا بهتر) باشند و در تمام محدوده دمایی منطقه خدماتی شما - از گرمای بیابان تا سرمای زمستان - کار کنند.
• اکوسیستم فروشنده: قابلیت همکاری بین سخت افزار هدند CMTS، گره ها و RPD های تولیدکنندگان مختلف تحت مشخصات CableLabs بهبود یافته است، اما آزمایش قابلیت همکاری در یک محیط آزمایشگاهی قبل از استقرار گسترده بهترین عمل باقی مانده است.

در نهایت، تجهیزات انتقال HFC سرمایه‌گذاری‌ها باید به‌عنوان بخشی از یک نقشه راه منسجم تکامل شبکه ارزیابی شوند تا خرید قطعات فردی. گره‌ای که امروزه از Remote PHY پشتیبانی می‌کند، شبکه شما را برای فردا DOCSIS 4.0 قرار می‌دهد، و آن را به سرمایه‌گذاری بسیار بهتری نسبت به یک گره آنالوگ سنتی تبدیل می‌کند، حتی اگر هزینه اولیه بالاتر باشد.