Využití systému CATV pro přenos dat

Rozvody kabelové televize (CATV) jsou vysoce kvalitním širokopásmovým médiem, vhodným pro aplikaci datových přenosů. Přesto je při zprovoznění systému přenosu dat nutné realizovat několik důležitých kroků.

---

Data transmission over CATV systems

Abstract

Distribution of cable television (CATV) is broadband medium with very high quality, suitable for data transfer application. That is why during an implementation of data transfer system is necessary to follow some important steps.

---

Jelikož sítě CATV byly původně koncipovány pro jednosměrnou distribuci TV signálu, je nutné zřídit tzv. zpětný kanál (angl. upstream), který je nejčastěji umístněn na dolním okraji přenosového pásma. V praxi to vyžaduje výměnu všech aktivních prvků na trase, za prvky, u kterých je možný průchod signálů v obou směrech. Dalším nezbytným krokem je odstranění zdrojů rušení, resp. potlačení rušivých vlivů zejména v kmitočtovém pásmu zpětného kanálu. Spektrum možností, jak využít kabelových sítí je široké, zatím však až na výjimky zcela dominuje připojování k Internetu, občas doplněné o telefonní služby a telemetrii.

Zařízení pro datové přenosy a připojení k Internetu

Zařízení, které je nezbytné pro realizaci datových přenosů a připojení k Internetu se označuje jak headend nebo CMTS. Ve většině případů bývá toto zařízení umístěno v hlavní stanici provozovatele CATV. Zařízení CMTS se vyrábí široká řada, od zařízeních s jedním dopředným a zpětným směrem, až po zařízení, které jsou samy o sobě řídicí stanicí s procesorem, pevným diskem a dalšími PC komponenty. Tyto zařízení jsou pak modulární a lze je osadit několika jednotkami reprezentujícími dopředné a zpětné kanály.

Hlavním úkolem CMTS je modulace signálu ze vstupního rozhraní ethernet na výstupní rozhraní, které je zde reprezentováno koaxiálním výstupem do sítě CATV. Tento směr je označován jako dopředný (downstream). Ve zpětném směru dochází k demodulaci signálu z rozhraní reprezentované koaxiálním vstupem zpět na rozhraní ethernet.

Obr. 1 Zapojení CMTS a kabelových modemů

Koaxiální vstup a výstup zařízení CMTS je kvůli odlišnému nastavovaní útlumových poměrů realizován odděleně. Po správném nastavení útlumových poměrů se obě dvě koaxiální rozhraní sloučí v pasivním slučovači. Dále se tento signál, složený ze dvou kmitočtově oddělených kanálů (upstream a downstream), slučuje s TV kanály podle předem schváleného kmitočtového plánu. Je tedy zřejmé, že downstream a upstream se v koaxiální síti chovají jako dva TV kanály umístěné na speciální kmitočty dané použitými standardy. Kabelové modemy mají při modulaci a demodulaci signálu samozřejmě přesně obrácenou úlohu.

Jelikož v CATV sítích je kladen velký důraz na bezpečnost, je nutné CMTS nějakým způsobem řídit. K řízení a správě sítě se používá protokol SNMP, který zpřístupňuje velké množství informací o celé datové síti. Provozní informace lze shromažďovat a analyzovat na centrálním místě a je tak možné účinně zabránit přetěžování datové sítě. Dále to umožňuje síť efektivně řídit, spravovat a snadno diagnostikovat problémy celého systému z jednoho centrálního místa. Každé zařízení má z výroby určenou svou unikátní MAC adresu, podle kterého jsou o každém zařízení a jeho umístění vedeny podrobné údaje a neautorizovaná zařízení nemohou v síti pracovat.

Jedním z nejdůležitějších zařízení jsou kabelové modemy umístěné u zákazníka. O kabelových modemech a o doporučeních vztahujících se k nim pojednává článek Vývoj doporučení pro kabelové modemy v sítích kabelové televize. Následující obrázek ukazuje rozdělení kmitočtového pásma počínaje dlouhovlnnými rozhlasovými pásmy přes střední, krátké, velmi krátké a ultra krátké vlny.

Obr. 2 Rozdělení kmitočtového pásma u CATV

Zařízení pro regulaci a sběr dat – telemetrie

Systém je založen na principu MASTER-SLAVE. SLAVE modem se připojuje k měřenému zařízení a MASTER modem se připojuje k PC, kde dochází ke zpracování dat přijímaných od SLAVE modemu. Komunikace mezi počítačem a měřeným zařízením díky tomu probíhá v reálném čase. Hlavní funkcí obou modemů je převod dat z úrovně V.24/V.28 na vysokofrekvenční signál s modulací FSK a naopak. Jejich prostřednictvím je možné navázat spojení a umožnit tak obousměrnou datovou komunikaci. SLAVE modem umožňuje propojení koncového zařízení s CATV. Zařízení je adresovatelné a jeho činnost v síti je plně řízena hlavním počítačem prostřednictvím MASTER modemu. Pokud SLAVE modem obdrží od MASTER modemu dotaz s adresou, která mu přísluší, připojí se automaticky ke CATV a propojí PC s koncovým terminálem. Tímto okamžikem se datová komunikace stává zcela transparentní a může docházet ke sběru dat, resp. k regulaci.

Tímto systémem lze například odečítat spotřebu teplé a studené vody, spotřebu plynu a elektrické a tepelné energie. To samozřejmě za předpokladu, budou-li vodoměry, plynoměry apod. opatřeny impulsním výstupem. Impulsní vodoměr vysílá přes svůj spínací kontakt impulsy vždy po daném množství proteklé vody. Impulsy z vodoměru jsou snímány a počet impulsů se kumulativně načítá. Okamžitá hodnota spotřeby se ukládá v jednotce SLAVE a na žádost MASTER modemu se tato hodnota přenáší do PC. Obdobně pracují i plynoměry apod.

Obr. 3 Schéma systému pro regulaci a sběr dat pomocí speciálních modemů

Další aplikací je přenos videosignálu z určitých míst. Jde například o hlídání parkovišť, sledování provozu na komunikacích atd. K realizaci je potřeba webová kamera umístěna v blízkosti kabelového modemu. Aby nedocházelo k velkým a zbytečným datovým přenosům aplikační software umožňuje. aby např. při hlídání objektů se přenášel jeden snímek za sekundu a při jakékoli detekci pohybu v obraze přenášel např. 20 snímků/s.

Přenos hovorového signálu prostřednictvím sítě CATV

Existují dvě alternativní řešení IP telefonie.Prvním je tzv. PacketCable, který se stal v sítích CATV zavedenou normou, druhým architektura založena na standardu SIP. Architektura PacketCable vychází z platformy založené na principu DOCSIS 1.1. Architektura nabízí ucelený systém signalizační sítě zahrnující zabezpečení, signalizaci, správu konfigurace a nastavení a v neposlední řadě zabezpečení. Cílem PacketCable je především definice rozhraní CATV a multimediálních službeb založených na IP (videokonference, IP telefonie apod.). Architekturu lze rozdělit do třech subsítí. Na přístupovou síť (Access Network), páteřní síť (Managed IP Network) a PSTN (Public Switched Telephone Network). Důležitou komponentou v přístupové síti je zařízení označované jako MTA (Multimedia terminal Adapter), což je modem nebo měnič signálu, jehož úkolem je konverze analogového řečového signálu do digitální formy. K tomu se používá známý kodek G.711 (dle doporučení povinný). Tento kodek musí být podporován všemi koncovými zařízeními a multimediálními terminály. Kromě kodeku G.711 jsou v doporučení ještě další kodeky. Konkrétně jsou to kodeky G.728 a G.729 Annex E. G.728, které představují vysoce kvalitní řešení s přenosovou rychlostí 16 kbit/s, G.729 pak s přenosovou rychlostí 11,8 kbit/s.

Další důležitou částí sítě je CMS (Call Managment Server), který se stará o kontrolu volání v síti a o signalizaci pro MTA. CMS má dvě podúrovnně. CA (Call Agent), který má funkci informátora pro vyhledávání služeb a GC (Gate Control), jež zabezpečuje kontrolu a přijetí QoS. PSTN Gateway pak lze rozdělit na Media Gateway Controller, Media Gateway a Signaling Gateway. Tato část je odpovědná za propojení do PSTN. Standard SIP je novější alternativa k dřívějšímu standardu H.323 a jedná se o signalizační protokol, který slouží k sestavení, modifikaci a ukončení spojení mezi dvěma a více účastníky v IP síti. Učastníci ve spojení spolu mohou komunikovat skrze skupinové vysílání, tzv. multicast, nebo spojení typu bod-bod, tzv. unicast. Spojení může představovat obecně jakýkoliv multimediální přenos, ale zatím je SIP nejčastěji využíván právě pro telefonování přes IP.

Obr. 4 Architektura přenosu hovorového signálu prostřednictvím CATV

Podíváme-li se na architekturu na obr. 4 existuje několik možných typů připojení IP telefonu ke kabelové síti. V prvé řadě je to varianta připojení IP telefonu přímo na kabelový modem, druhá varianta je připojení telefonu přes USB k počítači, který musí být vybaven programem pro IP telefonii. IP telefon musí být plně kompatibilní se sadou protokolů H.323 (příp. SIP).

Tento příspěvek vznikl za podpory grantu FRVŠ F1-31 s názvem "Rozvoj výuky / datové komunikace".

Literatura

[1] ITU-T J.112 (Transmission systems for interactive cable television services). INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION, 03-2001