基于3G的HFC監(jiān)控系統(tǒng)設計

　　摘 要：文章首先簡單介紹HTC網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)，然后提出一種基于3G的HFC網(wǎng)絡（光纖同軸電纜混合網(wǎng)絡）監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，該方案可以解決由3G帶來的NAT（網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換）穿透，最后詳細闡述基于GOOGLE（谷歌）電子地圖開發(fā)的四種HFC系統(tǒng)應用。該設計對于低成本防范非法信號切入、保障播出順利進行有無法替代的作用。

　　1 HFC網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)介紹

　　隨著三網(wǎng)融合業(yè)務的不斷開展。HFC監(jiān)控網(wǎng)絡的安全性及穩(wěn)定性，防止非法信號切入、提高服務質(zhì)量、滿足三網(wǎng)融合業(yè)務的開展變得越來越重要。目前HFC網(wǎng)絡的監(jiān)控設備具有以下特點：

　　（1）單向HFC網(wǎng)絡與雙向網(wǎng)絡同時并存目前國內(nèi)絕大部份網(wǎng)絡設計還是以單向網(wǎng)絡為主。

　　雙向網(wǎng)主要集中在有一定經(jīng)濟基礎且對數(shù)字業(yè)務有強烈需求的區(qū)域，例如高檔小區(qū)、寫字樓、賓館等。而擁有大量用戶的城中村和城鄉(xiāng)結(jié)合部等區(qū)域的HFC網(wǎng)設計，還是以普及數(shù)字電視的網(wǎng)絡建設為中心。

　?。?）采用HFC網(wǎng)的雙向通道無法提高監(jiān)測可靠性由于雙向網(wǎng)本身依賴于HFC網(wǎng)作為傳輸介質(zhì)。一旦網(wǎng)絡異常，采用HFC網(wǎng)本身雙向通道的監(jiān)測器將失去回傳信道，無法將監(jiān)測點的準確信息傳送回前端。前端僅能判斷監(jiān)測器失效，而無法判斷網(wǎng)絡狀態(tài)，影響系統(tǒng)對網(wǎng)絡安全及網(wǎng)絡狀態(tài)的判斷精度。

　　（3）目前采用的無線接入方式存在帶寬瓶頸目前采用Wi-Fi等大帶寬的無線方式覆蓋率低，無法形成規(guī)模效應。而采用GPRS方式由于帶寬問題，無法實時傳送大量播放截圖，無法有效判斷網(wǎng)絡是否受到非法信號入侵。

　　2 HFC網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

　　2.1 系統(tǒng)拓撲

　　圖1為本系統(tǒng)解決方案拓撲圖。系統(tǒng)由前端的中心服務器集群和終端的HFC網(wǎng)監(jiān)測器組成。中心服務器集群安裝在前端機房，HFC網(wǎng)監(jiān)測器安裝在HFC網(wǎng)的關鍵節(jié)點，如光機、樓放、干放處。兩者采用3G網(wǎng)絡的IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）信道進行數(shù)據(jù)交互。

圖1 HFC網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)拓撲

　　圖2 為前端中心服務器集群架構(gòu)，平臺分為Web（互聯(lián)網(wǎng)站）操作平臺及中心平臺模塊。Web操作平臺提供用戶與系統(tǒng)內(nèi)核的圖形化接口，根據(jù)功能要求分為權(quán)限管理、內(nèi)容管理、業(yè)務管理以及日志管理四大功能模塊。用戶可通過登陸Web平臺對系統(tǒng)進行操作管理。系統(tǒng)中心平臺提供數(shù)據(jù)管理、集群均衡管理、交換管理、終端特性管理以及接口管理。

圖2 HFC網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

　　2.2 監(jiān)測器設計方案

　　圖3為本系統(tǒng)監(jiān)測器設計原理圖。監(jiān)測器通過高頻頭接收HFC網(wǎng)的信號，并獲取信號質(zhì)量以及信號源的數(shù)字信息。CPU（中央處理器）通過USB模塊與3G模塊連接，監(jiān)測器獲取到的HFC信號質(zhì)量數(shù)據(jù)以及HFC在播的節(jié)目圖像通過3G模塊發(fā)送至3G網(wǎng)絡，并通過其回傳至中心服務器。

圖3 監(jiān)測器設計方案

　　圖4為監(jiān)測器3G模塊開啟軟件流程。監(jiān)測器采用多線程設計模式。系統(tǒng)初始化CPU的USB硬件接口后。

　　USB監(jiān)測線程將不斷訪問CPU的USB狀態(tài)寄存器，檢測是否有USB硬件變更事件。若USB狀態(tài)寄存器中發(fā)現(xiàn)有3G模塊硬件接入事件。系統(tǒng)將尋找3G模塊的驅(qū)動程序并打開3G通信的應用程序線程。系統(tǒng)可通過該線程啟動3G通信，并開啟HFC網(wǎng)監(jiān)測線程。當USB狀態(tài)寄存器顯示事件為3G通信移除，系統(tǒng)將刪除HFC網(wǎng)監(jiān)測線程。

圖4 監(jiān)測器3G模塊開啟軟件流程

　　2.3 數(shù)據(jù)包穿透方案

　　基于3G網(wǎng)絡為第三方接入網(wǎng)絡以及全球IPv4資源枯竭等問題，例如目前使用聯(lián)通的3G上網(wǎng)，終端獲得的IP地址均為私網(wǎng)IP地址，所以在系統(tǒng)設計中，必須考慮到NAT穿透等問題。監(jiān)測器定時向中心服務器集群發(fā)送注冊包，并且在兩個注冊包之間，設計發(fā)送用于穿透的小數(shù)據(jù)包，保持服務器與監(jiān)測器的會話通道。在此過程中，必須保持服務端的發(fā)送與接收端口一致，以及監(jiān)測器的發(fā)送與接收端口一致。服務器可通過該通道向監(jiān)測器下發(fā)監(jiān)測指定，解決數(shù)據(jù)包穿透問題。

　　3 系統(tǒng)應用

　　本系統(tǒng)可實現(xiàn)地理信息化管理，以下是本系統(tǒng)基于Google（谷歌）電子地圖開發(fā)的HFC系統(tǒng)應用。

　　3.1 在線預警

　　圖5 為本系統(tǒng)與Google 電子地圖進行在線預警示例。圖中標注了幾個網(wǎng)絡監(jiān)測器在Google地圖中的位置及其在線狀態(tài)。通過標注的顏色顯示當前網(wǎng)絡監(jiān)測器或其它設備的狀態(tài)，如本示例所示，當監(jiān)測器無法解擾電視節(jié)目、偵測信號有異常波動時，監(jiān)測器通過3G網(wǎng)絡向服務器發(fā)送異常信息，服務器將地圖標注顏色更改為黃色；當網(wǎng)絡中斷時，標注更改為紅色；當網(wǎng)絡運行正常時，標注為綠色。操作員可在電子地圖上標注各電節(jié)點以及光節(jié)點的節(jié)點信息，描繪網(wǎng)絡拓撲信息。更重要的是，監(jiān)控平臺可實現(xiàn)智能化、自動化的網(wǎng)絡狀態(tài)信息標注，顯示突發(fā)事件，如安全播出故障、非法信號切入等。地理信息化有利與給操作人員帶來更直觀的系統(tǒng)狀態(tài)，更便捷的操作方式，極大地壓縮初級維修人員的地理信息培訓時間。維修人員可從地圖上直接了解故障所在地點，安排適當?shù)慕煌üぞ摺?/P>

圖5 Google電子地圖在線預警示例

　　3.2 圖像監(jiān)測

　　目前國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)對于網(wǎng)絡異常的偵測，采用偵測信號強度方式或是識別碼方式判斷網(wǎng)絡運行狀態(tài)。這兩種識別手段均以模擬電視偵測技術(shù)發(fā)展而來。

　　由于信號強度由信號功率和噪聲功率累加，因此網(wǎng)絡產(chǎn)生的突發(fā)噪聲往往引起監(jiān)測器的大量誤判。采用GPRS通道會由于帶寬瓶頸無法大量傳輸網(wǎng)絡的節(jié)目播放截圖，采用3G接入則可解決帶寬瓶頸問題。圖6為通過Google地圖平臺操作的監(jiān)測點電視節(jié)目播放截圖。節(jié)目圖像通過3G網(wǎng)絡回傳發(fā)布，實現(xiàn)遠程監(jiān)測節(jié)目播放圖像。

圖6 Google電子地圖監(jiān)測器節(jié)目播放狀態(tài)測量示例

　　3.3 信號測量

　　HFC網(wǎng)絡受到干擾來源，主要為突發(fā)噪聲。噪聲持續(xù)一段時間后，將會減弱。采用現(xiàn)場測試手段，往往會發(fā)生測試人員到達現(xiàn)場后觀察不到噪聲現(xiàn)象，而當測試人員不在場時現(xiàn)象反而明顯的情況。圖7為系統(tǒng)通過監(jiān)測器遠程實時采集網(wǎng)絡節(jié)點的星座圖，通過星座圖的噪聲模型，定性、定量、定時對噪聲進行分析，達到智能化、遠程化檢測網(wǎng)絡的目的。

圖7 單頻點信號質(zhì)量測量示例

　　3.4 頻譜掃描

　　圖8為Google電子地圖模式下進行頻譜掃描操作。

　　頻譜掃描通常用于HFC網(wǎng)絡安裝及維修，它是信號在線路傳輸穩(wěn)定性的重要依據(jù)。通過頻譜調(diào)整有源器件的增益及均衡，可有效提高HFC傳輸線路的穩(wěn)定性。

圖8 Google電子地圖頻譜掃描操作

　　4 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)采用3G技術(shù)進行HFC網(wǎng)絡監(jiān)測，特點如下：

　　（1）解決單向HFC網(wǎng)的網(wǎng)絡監(jiān)測，目前3G網(wǎng)已大量覆蓋。

　?。?）提高網(wǎng)絡監(jiān)測可靠性，采用第三方網(wǎng)絡進行監(jiān)測可有效提高網(wǎng)絡監(jiān)測可靠性。

　　（3）接入便利，3G網(wǎng)采用無線接入方式，解決回傳網(wǎng)絡布線問題。

　　（4）解決網(wǎng)絡回傳帶寬，3G網(wǎng)較GPRS等接入方式，具有更大的帶寬反饋監(jiān)測器所檢測到的節(jié)目安全播出圖像。

　　本文方案HFC網(wǎng)監(jiān)控監(jiān)測器可通過3G網(wǎng)絡將HFC網(wǎng)的信號質(zhì)量及數(shù)字電視圖像反饋到前端服務器，實現(xiàn)單向HFC低成本安全播出監(jiān)測。不僅可以提高HFC網(wǎng)絡運營商對HFC網(wǎng)絡的監(jiān)控能力，降低HFC網(wǎng)絡運營商的運維成本，還可提高HFC網(wǎng)絡運營商的運維效率。