分布式宽频带互联网

本发明涉及一种光纤同轴电缆网络系统，尤其涉及一种基于有线电视分布式宽频带互联网。

现行开发的基于有线电视光纤同轴电缆的网络系统，一般是将各类计算机服务器例如邮件服务器、域名服务器、网关服务器、国际互联网接驳服务器、数据库服务器等服务器安放在网络的主前端处，同时将电缆调制解调器的发射装置、管理系统和交换系统等也都置于主前端，这种架构方式虽然简单，但却存在如下的缺点：1、现行的网络结构采取以主前端为中心的星形网络拓扑结构，造成光结点对网络的单一联系，一旦光纤连接因故障或受损出现中断，光结点下所带的全部用户也将出现网络中断，造成网络的部分瘫痪；2、现行网络除骨干网外，光纤部分多采用模拟传输，特别是同轴电缆模拟部分，使用户的数据传输要经过长距离的模拟传输。因模拟系统本身所含的器件例如放大器、分支分配器，以及用户网络中的回转噪声等干扰，数据在模拟传输中，一方面受自身的衰减，另一方面受到上述噪声干扰产生变形和失真，以致导致数据的丢失和多次重发，这将大大降低网络的传输效率，严重时可能导致网络的瘫痪；3、由于现行网络采取主前端发射的广播传输方式，一个或者几个光结点所覆盖的小区共享一个速率为10Mbps-30Mbps(6M-10M)的发射频道，2000户小区光结点，当上网用户使用率达到25％时，平均用户速率只能达到50Kbps，无法进行多媒体信息的传输；4、现行网络中将数据库和服务器集中在主前端，信息集中交换，容易形成网络交换的瓶颈；5、而且，这种传输不具有弹性，不能根据实际的上网人数和所需的传输速率进行适当的收缩、扩张和调整；6、上述技术对网络所需要的双向改造成本太高，难以推广。

本发明的目的就是为了克服以上网络构架的缺点，而提供的一种在有线电视网络拓扑上采用容错结构的分布式宽频带互联网的方法，从而提高传输的速率、优化路由、并避免因光纤线路或主前端的损坏和故障造成的网络部分或整体的瘫痪，实现宽频带高速率的互联网通讯。

解决本发明目的的技术方案是：一种分布式宽频带互联网，由光纤和同轴电缆及设置的发射装置、服务器和数据库构成，其特征在于：所述的发射装置、各服务器、数据库采用网状分布式拓扑结构的形式分别设在用户区各光结点上；在信号的传输中采用码分多址技术，对不同的地址码可做到区别速率编码；所述的光结点为一级光结点和二级光结点，一级光结点采用环行的光纤链路容错，每个结点都利用光纤同相邻的一级结点双向连接；二级光结点根据其结点信息流量的多少、所服务的对象及具体的位置来决定用光纤或同轴电缆。在各光结点放置网关、交换设备，实现路由优化、容错；在小区光结点放置码分扩频信号发射和接收设备；在接入网部分信号的宽频带传输中采用码分多址技术，对不同的地址码可根据用户需求采取区别速率编码。

由于本发明采用了以上的技术，其产生的效果是明显的：1)、整个网络实现了链接的容错，任何一条光纤线路、任何一个结点、任何一个交换路由设备的损坏和故障都不再会引起网络部分或者全部的阻塞、中断和瘫痪，即使是主前端出现问题，整个网络也仍然能继续正常运行；2)、减少了网络噪声和干扰，减少了误码率，提高了网络的利用效率和传输质量；3)、由于在传输上采用了码分多址技术，使光结点下覆盖用户共享的信息流量提高几十倍，能同时满足2000-5000户用户的多媒体宽带高速信息传输、交户式可视电话、视频点播的要求，消除传输带宽和交换瓶颈。

4)、在进行有关频道双向改造时，可节省投资。

为进一步理解本发明的特征、性能，现结合一较佳实施例及其附图作详细的说明如下。

附图一为现有网络技术的结构原理图；附图二为本发明一较佳实施例的宽带互联网络结构原理图；附图三为本发明上述实施例的一个接入网的结构原理图。

请参阅附图：附图1为现有网络技术的结构原理图，现有技术中，现行开发的光纤同轴电缆网(HFC)系统，是将各类计算机服务器安放在主前端处，比如：邮件服务器(MailServer)，域名服务器(DNS Server)、网关服务器(Geateway Server)、国际互联网络接驳服务器(ISP Server)、数据库服务器(Content Server)等服务器。同时电缆调制解调器(Cable Modem)的发射装置、管理系统、交换系统也都置于主前端处。电缆调制解调器的发射装置采取以单一电视频道带宽为发射频宽，以广播方式向整个电视网络传送信息，而接收信息则利用50MHz以下的回传频带。在光纤部分采用星型为主的拓扑结构。在各分前端，安放光收、光转发及光分配器、功率放大器设备。在各光结点，进行光电转换，将信号送人主干同轴电缆。在结点所覆盖小区内，以同轴电缆方式接人用户。Cable Modem安装于用户室内，接于室内有线电视插口。

附图2为本发明为一较佳实施例的宽带互联网络结构原理图：这是一个以主前端1下带四个分前端21、22、23、24的光纤同轴电缆网络。一般来说，一个主前端下可带多个分前端。

在图2中主前端放置有电视节目前端设备、网络管理监控系统、放置在前端的信息数据库服务器，如域名服务器、帐户管理和电子邮件服务器等、以及完成网关、路由、交等功能的适合宽带互联网络的设备等等。主前端1和各分前端21、22、23、24之间通过双向光纤相连。各分前端除具备光转发的功能外，在新的宽带互联网络中还应具有交换的功能，才能使整个网络做到路由优化和容错。作为一种新型网状的网络，每个分前端都必须另外至少有一条光纤线路与其他相邻分前端或光结点相连，所以在各分前端也需放置完成交换功能的第二代宽带结点综合服务设备。

分前端向下仍然通过双向光纤同各个小区光结点相连，以分前端3为例，下带有名为光结点31、32、33的三个小区光结。道理同上，每个小区光结点为了实现路由优化和网络容错，必须以光缆或铜轴电缆或数据线路的形式同相邻小区光结点或分前端相连。在图1中，光结点32以铜轴电缆或数据线路(如双绞线、细缆等)分别同光结点31和光结点33相连，进行双向数据传输和网路备份。而光结点31则通过铜轴电缆或数据线路同分前端24下所带的光结点34相连；光结点33则可以通过光缆直接同分前端22相连。

附图3是本发明对一个接入网的抽象设计，简单地从网络拓扑上来看，这是一种混合了星型、环形和树型的网状结构。

从图3中可知道，在小区光结点处放置光处理系统、宽带结点综合服务设备、码分扩频信号的发射和接收系统等。通过光处理系统来完成光电转换和数模转换；通过宽带结点综合服务设备来实现网关、交换、宽带互联网上的用户接入等；通过码分发射和接收系统来实现码分扩频信号在接入网的信息下行播放和上行接收。

在用户终端，我们分别以机顶盒和电缆调制解调器(Cable Modem)为例。在实现有线电视功能外，通过适合家庭用的机顶盒，利用功能化的插口和软件来实现数字电视、可视电话及同计算机网络接入器、FTP服务器等多种多样的服务器相连。从而极大地便利网上信息的制作和各种服务的提供。

从附图中我们可以看到，所有的光结点，无论是一级还是二级，都通过“备份”的光纤或同轴电缆实现了网络的容错。一级光结点采用环行的光纤链路容错，每个结点都利用光纤同相邻的一级结点进行双向连接。二级光结点根据其结点信息流量的多少、所服务的对象、具体的位置来决定用光纤还是同轴电缆，同一级结点还是二级结点相连。对于要求大传输量、严格保密性和准确性的结点用户，如大型工矿企业、金融证券、办公楼、大型医院、高等院校等在网络容错中依然采用光纤备份；对于大量重点服务于小区居民用户的结点，可采用同轴缆连接相邻结点容错。总之，每个终端光结点都至少存在两个连接。

前端发射接收装置在用区光结点的实现，对下行信息，由于发射设备处理的是数字信息，所以没有了长距离的光纤传输所产生的衰耗。对上行信道而言，同样道理，减少了同轴电缆网络部分的巨大噪声。这是因为，前端发射接收设备只能处理数字化的信息，所以所有接收到的信息都必须要由模拟信息转化成数字信息。这样，信息在进一步传输前，已经能完全正确地恢复成数字信号。对用户端接收到的信号只受到同轴电缆传输部分的干扰；对于上行的信息则只受到光纤传输部分的干扰。

前端发射接收装置在用户区光结点的实现，我们可以通过编制网控来做到远程监管。

针对现行下行传输无任何复用可言及现行上行传输复用方式(频分与时分结合)所造成的延迟、低速率和带宽浪费，新设计中通过对码分多址(CDMA)技术的进一步改进来解决问题。

码分多址CDMA是目前应用在无线通讯的一种前沿技术，主要的商业用途是在无线通讯中同GSM相竞争。CDMA应用到有线传输中，通过分配不同的称之为“伪噪声”(PSEUDO-NOISE)的伪随机二进制序列，对每一个信号进行扩频；在用户接收端，信号用调制解调器中的CDMA相关器加以分离，相关器只接收作为此终端地址码的特定二进制序列并压缩其频谱，而其余所有不符合该用户终端的二进制序列信号不进行压缩，最终只有符合地址码的信息被识别和提取出来。目前CDMA技术只应用在窄频道带宽通讯上。反而没有尽量发挥CDMA在射频(spread spectrum)上独有的特点。码分(CDMA)不同时分(TDMA)或频分(FDMA)，在于CDMA使每一个用户可以享用全部带宽而无需分割。

根据香农公式：C＝Wlog2(1+S/N)其中C表示最大传输速率，W表示可用带宽，S/N表示信噪比。由此可知可用带宽越大时，则传输速率越大；而在设若传输速率C不变时，通过增大传输带宽W，可降低对信道信噪比的要求，即S/N指标可减少。将码分多址应用在有线电视的HFC网上，我们设计分为两种方式。一种在现有的550MHz有线电视系统下行带宽中开辟8M～200MHz的带宽资源作为下CDMA信道；或者在750M系统中利用550～750MHz制成下行带宽资源。在这种方式下，我们将下行单一发射频道宽由现行的6MHz，改变为CDMA发射方式下的8～200MHz；将上行接收频道带宽由现行的2MHz，改变为CDMA方式下的8～200MHz。实际的码分信道带宽将在产品标准制定后确定。但明显的一点是，频道越宽则对信噪比的要求越低，同一信道下的复用用户数也越多，用户可享有的速率也越快。无论是下行还是上行，在极宽的频带传输下都不排除可以采用码分和时分相混合的复用方式。

由于在前述中我们已经将前端发射接收设备放置在用户区光结点，在此即将CDMA发射接收设备放置在小区光结点，那么对于每个光结点所覆盖的用户会得到的改善。例如，在每个光结点仍然只采取一个发射频道的情况下，我们可以利用CDMA的宽频带特性，将单一频道带宽改造成100MHz左右。这样在16-QAM编码方式下，单一频道所带来的信息流量在码分复用下按同比计算可达到500Mbps，即光结点所覆盖的用户在下行中共享的信息流量由原来的30Mbps提升了15～20倍。随着256QAM芯片价格的逐渐市场化，如果采用256QAM压缩编码，则100M的单一频道所能提供的下行传输流量可达到2Gbps左右，届时多媒体信息在宽带互联网上的传输将变得流畅无阻。

另一方式是在现有的有线电视频道播送频点下同时再利用码分技术传递下行信息。比如，假设现有电视系统在200～360MHz邻频传送着16套节目，利用码分技术，我们同时在此段频内传送一个带宽为8M～100MHz的下行信息通道。此时的电视信号成为码分信道的背景噪声，根据香浓公式，我们知道即便信噪比很低，我们也可用更宽的带宽来弥补。由于码分的低功率特性，对电视信号的影响可以控制在仍可正常收视的程度上。

采用这种方式，对现存的大量550Mhz HFC网络具有重大的意义。因为此时，网络将不必要升级改造成750MHz，而只需进行双向改造就可以满足宽带互联网的建立。由此节省下的费用将是不可估量的。即便是在750MHz网上，仍然可以采用此方式来提供更宽的下行通道，或者以此种方式来进行高清晰度数字电视HDTV业务，为750MHz有线系统的提供了极大的扩展空间。

同样在上行传输中采用CDMA技术，用户端Cable Modem不必再按照现行的方法在发射时依赖和等待主前端的控制信息以避免碰撞，Cable Modem完全可以讯捷高速地以自己的地址码二进制序列向外发射信息，而不用再考虑碰撞问题。而且随上行频道带宽的增大，上行传输流量也将随之扩大为现行的数位。例如当采用20MHz的上行码分信道时，上行传输容量将是现有2MHz带宽容量的10信。由于宽带互联网络在发展中将支持交互式可视电话，必然要求远大于现行设计的上行频带；用CDMA技术，我们通过对不同地址码的区别速率编码，以实现信息质量服务。采用在CDMA方式下的可变速率编码，可根据用户的不同需要提供不同速率，给用户以更大的灵活性和便利。

此外CDMA信号的扰频方式本身提供了高度的保密性，能有效防止对信号的侦听、截取和破译。

针对将所有数据库和服务器都安放在主前端的错误现状，我们将各式各样的服务器和数据库网状分布在整个宽带网中。上述一点CDMA宽频带的实现，为此网状分布提供了带宽基础，上述的网络分布交换为此提供了交换基础。

从附图2和与图3中我们还可以看到，本发明设计下所有的企业、公司、单位和个人，都可以创建自己的数据库和服务器，并通过光纤或者是利用普通有线用户的同轴缆向外提供信息。对于为数众多的直接同Cable终端相连的服务，新技术发明的8～200MHz的上行宽频为接受访问后大量信息的输出提供了足够的带宽。

将现行的主前端集中交换改变成如附图二和三所示的网络分布交换，可实现在网络中的路由优化并解决现有网络设计中的交换瓶颈问题和取代昂贵的ATM交换设备。

在网络中的各个光结点设置单一协议的第二代宽带结点综合服务器，来实现交换功能。这样在绝大多数情况下，信息的传输和交换将不会通过主前端，主前端的交换瓶颈将不复存在。同时利用分布的交换网络，也实现了路由选择的优化。信息在路由选择中，通常可以选取到目的地的多条路径，因此不会因为一条路径的阻塞而延迟或中断通讯。而在没有阻塞的情况下，信息包将选择最佳路径，从而提高网络传输效率，减少传输损耗和费用。无论从网络的安全性还是网络优化上讲，都具有重大的作用。