CN101568005A

CN101568005A - 基于WiFi技术的CATV综合接入系统

Info

Publication number: CN101568005A
Application number: CNA2008100367053A
Authority: CN
Inventors: 陈舟
Original assignee: Shanghai Runxin Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Runxin Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2009-10-28

Abstract

本发明公开了一种基于WiFi技术的CATV综合接入系统，该系统包括头端和用户终端两种设备，两种设备通过有线电视同轴电缆连接；HE与无源光通信系统连接，CPE与机顶盒、PC机或家庭交换机相连。该系统中HE与CPE通过有线电视运营商的同轴电缆系统实现点(NC)对多点(CPE)数据通信，HE作为系统头端，部署在楼道或设备箱中，与各CPE之间实现高速数据通信，并协调各CPE数据通信、带宽管理；整个系统采用降频的WiFi信号，数据包与WiFi标准兼容；CPE作为用户终端设备，可安装在用户家中任何一个有线电视接口上，作为整个系统的数据通信终端与HE进行高速数据通信并接受HE的管理。

Description

基于WiFi技术的CATV综合接入系统

技术领域：

本发明涉及WiFi(Wireless Fidelity)技术以及有线电视信号传输和接入技术，特别涉及一种基于WiFi技术的CATV综合接入系统。

背景技术：

目前，由于相关技术的成熟度尚待实际环境的检验，WiFi和同轴电缆的接入应用一直是国内外的研究热点。早在上个世纪末，中国的一些地方有线电视运营商就在试验DOCSIS技术，最近也有一些运营商在利用HomePNA3.0技术做网络改造尝试。然而针对实际应用中遇到的一些问题，相关的技术也在研究中，具体有以下几个方面：

1.服务质量的问题

传统的有线电视网络是设计用来传输广播电视节目的，对于双向服务并没有明确的要求，目前有线电视网络上的接入技术，在服务质量上存在带宽低，覆盖用户数量有限，干扰大等问题：

(1)带宽问题：

DOCSIS：以目前比较领先的DOCSIS2.0标准为例，500户共享56M理论下行带宽和30.72M理论上行带宽，在实际的网络运营中，这个数字为36M和10M，一般用户的实际带宽峰值为下行700K左右，上行240K左右。目前宽带服务已普遍使用，此带宽不仅不能满足现在的需求，更无法满足未来的需求。而且这已是在网络改造的基础上。未来的DOCSIS3.0的理论带宽会是现在的3倍，但是成本增加和并对网络有更高的要求，目前还在原型测试阶段，需要更多的时间去验证。

HomePlug和HomePNA技术都使用OFDM技术，理论上也能达到几百M的数据率，但是需要时间去验证，成本方面也是一个问题。

WiFi使用802.11g标准，可以达到54Mbps的带宽，若采用扩频技术，可以达到108Mbps的带宽，正在试运行的802.11n网络，能够达到400Mbps带宽。

(2)覆盖用户数量问题：

目前的技术每个光节点覆盖用户最多到500户，超过后会形成漏斗效应，造成整个网络的崩溃，这是一个无法避免的瓶颈。由于共享带宽有限，在实际应用中，每用户有效带宽也会有比较大的瓶颈，从而造成增值服务无法有效开展。

HomePlug和HomePNA为家庭网络设计，用户数量支持方面有先天不足。

由于“基于WiFi技术的CATV综合接入系统”采用先进的调制技术和合理的频率分配，能够大幅提高用户有效覆盖的能力。

(3)干扰问题：

由于现有技术多采用低频率上行，高频率下行的方式，并且由于有线电视网络的复杂性，低频上行信号对与网络中其他传输信号(包括数字和模拟电视信号和数据信号)存在干扰问题，如何解决干扰，提高整个网络的性能，是所有人都在研究的问题。“基于WiFi技术的CATV综合接入系统”的频率设计完全避免了这个问题，所有上行和下行信号都在现有广播信号的频率之上，不会对其他信号产生任何干扰问题。

2.升级的问题

如何解决将来的系统升级问题，也是大家都在关注的问题，主要体现在两个方面，一个是DOCSIS到现在已经是3.0，从技术的角度上来看，再无可能空间，HomePNA技术也发展到了3.0，但在商业推广上一直没有太大起色，后续产品情况不明。从运营的可持续性角度来说，一定要部署一代，发展一代，跟踪一代，没有一家运营商会把自己绑在没有明确技术路线图的技术基础上。从现在可以看到的技术路线图，从802.11b到802.11a到802.11g再到将来的802.11n，WiFi的技术路线图一直很稳定，对于未来也有明确的目标。

3.与光纤接入网融合的问题

目前几乎所有的有线电视运营商都在部署光纤接入网，基本要求是做到光纤到小区，有条件的地方要做到光纤到楼，从用户规模的角度来看，要求系统能够使用统一技术从几十户到几百户的规模中间灵活调整。从经济性和可实现性的角度来看，DOCSIS适合500户左右的接入，HomePNA最多支持到64户，HomePlug为最多200户。WiFi over Cable一般能够适应16-300户，并可以根据具体情况进行扩展。

4.与数字电视业务融合的问题

有线电视网络运营商铺设接入网，除了能够给用户提供宽带接入功能以外，必须能够与数字电视业务融合，实现三网合一，或是Tripe Play，让用户在一个统一的界面上实现功能，享受服务。在这里有几个问题需要考虑：

(1)语音服务

提供低成本的语音服务是任何运营商在将来必须面对的问题，在处理VoIP时，安全和QoS是重要因素。

(2)流媒体服务

不论是现在的视频点播，还是将来的双向视频电话和“播客”业务，流媒体服务都是将来互联网和数字电视业务确定的新方向，如何定义带宽和QoS，来满足未来对基于个体的流媒体服务，是个重要的课题。

(3)游戏

游戏已经是一个巨大的产业，互联网推动了交互游戏的发展，数字电视将带来另一个游戏发展的巨大契机，怎样定义网络，来满足数字电视游戏的发展，需要做长期的规划。

发明内容：

鉴于上述现有技术的局限以及有线电视接入技术的发展趋势，本发明的目的是提供一种基于WiFi技术的CATV综合接入系统。该系统在现有有线电视网络中，综合运用WiFi无线局域网技术、变频技术、OFDM(正交频分复用)技术、嵌入式软件技术和射频电路设计技术等多种创新的技术，开发出有线电视网路的综合数字接入系统。与传统有线电视网络数字双向改造中遇到需要重新铺设线路、带宽利用率低不同，该系统利用了WiFi作为首要的接入技术，充分考虑了WiFi的技术特点和对其安全、服务质量在内的各项要求。

此外，由于该系统是基于通用WiFi芯片开发的，设计时参照了与各种接入网系统的数据接口，使得该项目能够支持有线电视网络之上的各种接入平台和业务。

下面对本发明系统所涉及的技术原理分别做简要的说明：

1.WiFi相关技术介绍：

WiFi

WiFi(Wireless Fidelity)是WiFi联盟授予通过其认证产品的标志，WiFi联盟以前为(WECA)是创建WiFi标志的全球Wi-Fi机构。Wi-Fi联盟于1999年以非牟利机构成立，以便认802.11WLAN(无线局域网)产品的互操作性，并促进此类产品为全球所有产业的无线局域网标准。很多时候，我们把WiFi等同为WLAN。

WLAN

无线局域网WLAN(Wireless Local Area Networks)是指以无线信道作传输媒体的计算机局域网。它是一种灵活的数据传输系统，是从有线网络系统的自然延伸出来的一种新技术，使用无线射频(RF)技术空中收发数据，减少使用电缆的连接，使无线网络系统即可达到建设计算机网络的目的，又可以自由安排和移动。目前市场上销售的WiFi有三种标准，802.11b，802.11a和802.11g。802.11b和802.11g使用2.4GHz频段，最高数据传输率分别能够达到11Mbps和54Mbps，802.11a采用5GHz频段，最高数据传输率能够达到54Mbps，在市场上销售的产品主要有802.11b，802.11b/g，802.11a，802.11a/b/g产品，其中802.11a/b/g产品是双频产品。

下一代WiFi产品802.11n标准正在制定当中，目前已有多家公司推出自己的产品，最高数据传输率可达到400Mbps。

OFDM

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正交频分复用，是MCM(Multi-Carrier Modulation，多载波调制)的一种，广泛应用与各种有线和无线通信系统中，比如WiFi，DVB-T/DMB-T，4G(第四代移动通信)等。OFDM有频谱利用率高，抗衰落能力强，抗码间干扰能力强，适合高速数据传输等技术特点。

2.WiFi技术应用于有线电视网络

有线电视网络也叫CATV，普遍采用HFC(Hybrid fiber coax)混合光纤同轴电缆网的组网方式。

在HFC结构中，单根光纤用于把有线电视网的头端连到200-1500户家庭的居民小区，这些光纤由头端的模拟激光发射机驱动，并连到光纤接收器上(一般为“结点”)，通常由电话杆或用户区基座。这些光纤接收器的输出驱动一个标准的用户同轴网。

HFC体系结构与传统的由电缆组成的网相比较，主要好处在于它消除了一系列的宽带RF放大器，需要用来补偿同轴干线的头端到用户群的信号衰减，这些放大器逐步衰减系统的性能，并且要求很多维护。在典型HFC体系结构中，支持标准的有线电视网广播节目选择，每个从头端出去的光纤载有相同的信号或频道。通过使用无源光纤分离器，以驱动多路接收结点，它位于头端激光发射器的输出处。HFC有线电视网系统可利用单个输出光纤以重用交互服务的带宽。

传统的CATV系统是单向广播网，若用现有技术进行双向改造，会遇到以下问题：上游信号的传输，在传统的5-30MHZ的带宽内有一个重大的问题，即无关信号的干扰。这个频段载有国际短波广播和许多别的RF无线服务，光纤同轴网可覆盖很多平方公里，带有大量的松脱或是安装的不好的连接器，未中止的端口，还有电视屏蔽的破裂处。比方一个大天线，把这些散失的信号捡起传回头端，附带这来自机顶盒的信号。大量散在空中的RF干扰，使5-30MHZ的上行波段部分不可用于机顶盒的信号和交互式服务的通讯。这种干扰随这一天中时间的变化而变化，而且随光纤同轴电缆网中结点的不同而不同。因此，上行信号的传送策略必须是：信号足够强，能够解决这些困难或是改变环境。需要投入大量人力物力来改造现有网络。同时，现有的有线电视双向通信设备也比较高昂。

随着数字电视的普及，有线电视必须进行双向改造，以适应未来的业务和服务竞争。将WiFi技术用于现有CATV网络中，具有不需要对现有HFC网络进行改造，设备价格低廉，维护方便和高带宽，易升级的特点。同时利用CATV网络广播业务高效稳定的特点，在现有网络基础上，投入较少的成本，开展双向数字电视的各种业务，为有线电视运营商提供未来10年内高速发展的技术保障。

通过上述技术原理的介绍与分析，本发明所述的基于WiFi技术的CATV综合接入系统包括头端(Head End，简称HE)和用户终端(CPE)两种设备，两种设备通过有线电视同轴电缆连接。HE与无源光通信系统(EPON ONU)连接，CPE与机顶盒、PC机或家庭交换机相连。

上述系统中的头端其结构包括以太网接口(100M)、同轴电缆接口、以太网PHY芯片、处理器(AR2316处理芯片)、Flash闪存芯片、SDRAM内存和变频电路。其中，处理器分别与以太网PHY芯片通过MII(媒体无关接口)接口连接，并通过100M以太网接口与网线连接；与Flash闪存芯片通过存储总线连接；与SDRAM内存通过内存总线连接；与变频电路和射频接口通过射频接口连接，并通过同轴电缆接口与同轴电缆线相连接。

上述系统中的用户终端其结构包括以太网接口(100M)、同轴电缆接口、以太网交换机、处理器(AR2316处理芯片)、Flash闪存芯片、SDRAM内存和变频电路。其中，处理器分别与以太网交换芯片通过MII(媒体无关接口)接口连接，并通过100M以太网接口与网线连接；与Flash闪存芯片通过存储总线连接；与SDRAM内存通过内存总线连接；与变频电路和射频接口通过射频接口连接，并通过同轴电缆接口与同轴电缆线相连接。

另外，在本发明系统所包含的头端设备和终端设备中：

1、头端和终端采用TDMA(时分多址)的方式实现比例为1∶16或1∶32，也可通过软件进行客户定制。

2、头端设备与接入网系统相连，终端设备与数字电视机顶盒或数字电视机相连，中间采用有线数字电视网络连接。

3、在系统设计方面：

(1)利用变频技术，通过软件控制锁相环的方式，设置工作频率，实现2.4GHz信号到900MHz的变频，并设计出一套生产软件，实现大规模生产。

(2)在射频电路设计上通过合理的射频电路设计，使系统的工作性能得到保障。

(3)对WiFi协议的进行改良，使WiFi从无线应用到有线应用，对其中部分协议进行优化。

4、在头端设备和用户端的设计方面：

(1)都采用Atheros公司AR2316作为核心芯片。

(2)通过以太网的方式与外部设备互联。

(3)操作系统采用嵌入式Linux 2.6.15内核。

本发明系统的有益效果如下：

1、1、在国内外首次采用变频的方式将WiFi技术应用于有线电视网络接入，可以完全取代现有的有线电缆接入设备，在不需要任何改造的情况下可以直接在现有有线电视网络中使用，降低了网络建设成本：

有线电视双向网络改造所需要投入的人力物力是整个数字电视双向改造中最大的投资，也是目前所有有线电视运营商所遇到的最大的问题，本方案不需要对现有网络进行改造，采用数字变频的方式将WiFi技术应用于有线电视网络，提供高带宽、高可靠性的双向解决方案，降低了初期网络建设成本，减少了投资风险。

2、采用本项目产品，不仅实现了有线电视网络中的高速宽带接入(16或32户共享108Mbps带宽)，同时能够大幅降低运营商的维护成本：

实现了在现有有线电视网络中的高速宽带接入的同时，由于基于通用的无线局域网接入技术(WiFi技术)，系统简单，易升级，易维护，大幅降低了运营商的运作成本，使运营商能够更关注于可持续业务的开展和优质服务的提供。

3、采用本项目产品在家庭同轴电缆上实现了多媒体互联：

随着数字电视的普及和家庭PC以及其他数字多媒体设备的普及，数字家庭将不再只是一个概念。本项目产品及系统解决方案在PC、数字电视和媒体网关之间搭起了数字化的桥梁，可以保障高清晰数字媒体内容的无缝连接，使用户通过该接入平台可以享受数字多媒体的乐趣。

4、在现有有线电视系统中通过WiFi技术实现了不改造现有网络的综合接入解决方案，能够有效的降低运营成本，实现三网合一。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明系统中头端网络结构示意图。

图2为本发明系统中用户终端网络结构示意图。

图3为HE软件的结构框图。

图4为本发明系统实施例中介绍的EPON+WoC机顶盒+宽带接入方式的系统示意图。

图5为本发明系统实施例中介绍的EPON+WoC宽带接入方式的系统示意图。

图6为本发明系统实施例中介绍的EPON+WoC机顶盒点播方式的系统示意图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

根据上述发明内容，下面详细描述具体技术方案：

参见图1和图2，本系统中的HE采用了Atheros的AR2316芯片，为WiFi单芯片解决方案。最高能够达到108Mbps的物理速率和60Mbps的数据吞吐量。变频电路将2.4GHz的信号转化到900MHz左右。AR2316内置220MIPS的MIPS24K处理器，有Local Bus接口，MII以太网接口等通信接口。用来处理以太网通信，网络管理系统客户端，采用嵌入式Linux操作系统，版本为2.6.15。具体的HE软件的结构框图参见图3，硬件驱动直接各个硬件设备，并将这些硬件设备抽象成可以为上层操作系统和驱动使用的软件接口，在硬件驱动之上分别是操作系统和IP协议栈，操作系统负责调配系统资源和维护系统运行，在操作系统之上是WiFi的协议栈，负责WiFi协议在操作系统上的正常运行，数据封包，解包以及资源调配。IP协议栈负责IP通信方面的处理，之上是UPD协议栈和TCP协议栈，负责UDP包和TCP包的处理，在WiFi、IP和TCP协议栈之上是WiFi后台程序和中间件，WiFi后台程序用来监控WiFi系统的运行，中间件负责将系统信息对应成比较统一的软件接口，供上层应用软件调用。在中间件之上，是网管软件的SNMP客户端和Web控制客户端，完成网络管理和在线管理、升级等方面的工作。

另外，HE与CPE通过有线电视运营商的同轴电缆系统实现点(HE)对多点(CPE)数据通信，HE作为系统头端，部署在楼道或设备箱中，与各CPE之间实现高速数据通信，并协调各CPE数据通信、带宽管理。整个系统采用降频的WiFi信号，数据包与WiFi标准兼容。CPE作为用户终端设备，可安装在用户家中任何一个有线电视接口上，作为整个系统的数据通信终端与HE进行高速数据通信并接受HE的管理。

在实际系统接入中，除了EPON+WoC机顶盒+宽带接入(参见图4)方式以外，还有EPON+WoC宽带接入(参见图5)和EPON+WoC机顶盒点播(参见图6)方式。

图4是EPON+WoC机顶盒点播+宽带接入的应用实例，在光节点处系统头端HE与GEPON系统的ONU相连，同轴电缆输出的双向数据信号通过双工器与光站输出的广播信号混合，在同轴电缆系统中传输，在用户终端处，CPE连接到同轴电缆系统中，与系统头端HE进行数据通信，并将数据以以太网的形式连接到交换机，通过交换机分别与机顶盒(STB)和PC连接，同时实现机顶盒双向视频点播和PC宽带接入上网的功能。适用于既需要进行视频点播，又需要宽带上网业务的客户。

图5是EPON+WoC宽带接入的应用实例，在光节点处系统头端HE与GEPON系统的ONU相连，同轴电缆输出的双向数据信号通过双工器与光站输出的广播信号混合，在同轴电缆系统中传输，在用户终端处，CPE连接到同轴电缆系统中，与系统头端HE进行数据通信，并将数据以以太网的PC连接，实现PC宽带接入上网的需求。适用于需要宽带上网业务的客户。

图6是EPON+WoC机顶盒点播的应用实例，在光节点处系统头端HE与GEPON系统的ONU相连，同轴电缆输出的双向数据信号通过双工器与光站输出的广播信号混合，在同轴电缆系统中传输，在用户终端处，CPE连接到同轴电缆系统中，与系统头端HE进行数据通信，并将数据以以太网的形式连接到机顶盒(STB)，实现机顶盒双向视频点播以及其他双向增值业务的功能。适用于既需要进行视频点播的用户需求。

以下为本系统实施过程中具体的技术参数设置：

带宽：16/32户共享108Mbps带宽

系统平台：32位嵌入式系统，嵌入式Linux，2.6.15内核

调制技术：OFDM

协议：DHCP，RTP/RTSP

配置和网管：HTTP1.0，TFTP，SNMP1.0

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1、基于WiFi技术的CATV综合接入系统，该系统包括头端和用户终端两种设备，两种设备通过有线电视同轴电缆连接；HE与无源光通信系统连接，CPE与机顶盒、PC机或家庭交换机相连；其特征在于，

所述系统中的头端其结构包括以太网接口、同轴电缆接口、以太网PHY芯片、处理器、Flash闪存芯片、SDRAM内存和变频电路；处理器分别与以太网PHY芯片通过MII接口连接，并通过100M以太网接口与网线连接；与Flash闪存芯片通过存储总线连接；与SDRAM内存通过内存总线连接；与变频电路和射频接口通过射频接口连接，并通过同轴电缆接口与同轴电缆线相连接；

所述系统中的用户终端其结构包括以太网接口、同轴电缆接口、以太网交换机、处理器、Flash闪存芯片、SDRAM内存和变频电路；处理器分别与以太网交换芯片通过MII接口连接，并通过100M以太网接口与网线连接；与Flash闪存芯片通过存储总线连接；与SDRAM内存通过内存总线连接；与变频电路和射频接口通过射频接口连接，并通过同轴电缆接口与同轴电缆线相连接。

2、根据权利要求1的基于WiFi技术的CATV综合接入系统，其特征在于，所述系统头端和终端采用TDMA的方式实现比例为1∶16或1∶32，也可通过软件进行客户定制；头端设备与接入网系统相连，终端设备与数字电视机顶盒或数字电视机相连，中间采用有线数字电视网络连接。

3、根据权利要求1的基于WiFi技术的CATV综合接入系统，其特征在于，所述系统通过软件控制锁相环的方式，设置工作频率，实现2.4GHz信号到900MHz的变频。

4、根据权利要求1的基于WiFi技术的CATV综合接入系统，其特征在于，所述系统在头端设备和用户端设备都采用Atheros公司AR2316作为核心芯片；通过以太网的方式与外部设备互联；操作系统采用嵌入式Linux 2.6.15内核。

5、根据权利要求1的基于WiFi技术的CATV综合接入系统，其特征在于，所述系统中HE与CPE通过有线电视运营商的同轴电缆系统实现点对多点数据通信，HE作为系统头端，部署在楼道或设备箱中，与各CPE之间实现高速数据通信，并协调各CPE数据通信、带宽管理；整个系统采用降频的WiFi信号，数据包与WiFi标准兼容；CPE作为用户终端设备，可安装在用户家中任何一个有线电视接口上，作为整个系统的数据通信终端与HE进行高速数据通信并接受HE的管理。

6、根据权利要求1的基于WiFi技术的CATV综合接入系统，其特征在于，所述系统可以采用EPON+WoC机顶盒点播+宽带接入的方式，在光节点处系统头端HE与GEPON系统的ONU相连，同轴电缆输出的双向数据信号通过双工器与光站输出的广播信号混合，在同轴电缆系统中传输，在用户终端处，CPE连接到同轴电缆系统中，与系统头端HE进行数据通信，并将数据以以太网的形式连接到交换机，通过交换机分别与机顶盒和PC连接，同时实现机顶盒双向视频点播和PC宽带接入上网的功能。

7、根据权利要求1的基于WiFi技术的CATV综合接入系统，其特征在于，所述系统可以采用EPON+WoC宽带接入的方式，在光节点处系统头端HE与GEPON系统的ONU相连，同轴电缆输出的双向数据信号通过双工器与光站输出的广播信号混合，在同轴电缆系统中传输，在用户终端处，CPE连接到同轴电缆系统中，与系统头端HE进行数据通信，并将数据以以太网的PC连接，实现PC宽带接入上网的需求。

8、根据权利要求1的基于WiFi技术的CATV综合接入系统，其特征在于，所述系统可以采用EPON+WoC机顶盒点播的方式，在光节点处系统头端HE与GEPON系统的ONU相连，同轴电缆输出的双向数据信号通过双工器与光站输出的广播信号混合，在同轴电缆系统中传输，在用户终端处，CPE连接到同轴电缆系统中，与系统头端HE进行数据通信，并将数据以以太网的形式连接到机顶盒，实现机顶盒双向视频点播以及其他双向增值业务的功能。