基于3G网络的HFC监控系统设计与实现
摘 要：**首先简单介绍HTC网络监控系统，然后提出一种基于3G的HFC网络（光纤同轴电缆混合网络）监控系统解决方案，该方案可以解决由3G带来的NAT（网络地址转换）穿透，最后详细阐述基于GOOGLE（谷歌）电子地图开发的四种HFC系统应用。该设计对于低成本防范非法信号切入、保障播出顺利进行有无法替代的作用。 1 HFC网络监控系统介绍 随着三网融合业务的不断开展。HFC监控网络的安全性及稳定性，防止非法信号切入、提高服务质量、满足三网融合业务的开展变得越来越重要。目前HFC网络的监控设备具有以下特点： （1）单向HFC网络与双向网络同时并存目前国内绝大部份网络设计还是以单向网络为主。 双向网主要集中在有一定经济基础且对数字业务有强烈需求的区域，例如高档小区、写字楼、宾馆等。而拥有大量用户的城中村和城乡结合部等区域的HFC网设计，还是以普及数字电视的网络建设为中心。 （2）采用HFC网的双向通道无法提高监测可靠性由于双向网本身依赖于HFC网作为传输介质。一旦网络异常，采用HFC网本身双向通道的监测器将失去回传信道，无法将监测点的准确信息传送回前端。前端仅能判断监测器失效，而无法判断网络状态，影响系统对网络安全及网络状态的判断精度。 （3）目前采用的无线接入方式存在带宽瓶颈目前采用Wi-Fi等大带宽的无线方式覆盖率低，无法形成规模效应。而采用GPRS方式由于带宽问题，无法实时传送大量播放截图，无法有效判断网络是否受到非法信号入侵。 2 HFC网络监控系统解决方案 2.1 系统拓扑 图1为本系统解决方案拓扑图。系统由前端的中心服务器集群和终端的HFC网监测器组成。中心服务器集群安装在前端机房，HFC网监测器安装在HFC网的关键节点，如光机、楼放、干放处。两者采用3G网络的IP（互联网协议）信道进行数据交互。 图1 HFC网络监控系统拓扑 图2 为前端中心服务器集群架构，平台分为Web（互联网站）操作平台及中心平台模块。Web操作平台提供用户与系统内核的图形化接口，根据功能要求分为权限管理、内容管理、业务管理以及日志管理四大功能模块。用户可通过登陆Web平台对系统进行操作管理。系统中心平台提供数据管理、集群均衡管理、交换管理、终端特性管理以及接口管理。 图2 HFC网络监控系统架构 2.2 监测器设计方案 图3为本系统监测器设计原理图。监测器通过高频头接收HFC网的信号，并获取信号质量以及信号源的数字信息。CPU（中央处理器）通过USB模块与3G模块连接，监测器获取到的HFC信号质量数据以及HFC在播的节目图像通过3G模块发送至3G网络，并通过其回传至中心服务器。 图3 监测器设计方案 图4为监测器3G模块开启软件流程。监测器采用多线程设计模式。系统初始化CPU的USB硬件接口后。 USB监测线程将不断访问CPU的USB状态寄存器，检测是否有USB硬件变更事件。若USB状态寄存器中发现有3G模块硬件接入事件。系统将寻找3G模块的驱动程序并打开3G通信的应用程序线程。系统可通过该线程启动3G通信，并开启HFC网监测线程。当USB状态寄存器显示事件为3G通信移除，系统将删除HFC网监测线程。 图4 监测器3G模块开启软件流程 2.3 数据包穿透方案 基于3G网络为第三方接入网络以及全球IPv4资源枯竭等问题，例如目前使用联通的3G上网，终端获得的IP地址均为私网IP地址，所以在系统设计中，必须考虑到NAT穿透等问题。监测器定时向中心服务器集群发送注册包，并且在两个注册包之间，设计发送用于穿透的小数据包，保持服务器与监测器的会话通道。在此过程中，必须保持服务端的发送与接收端口一致，以及监测器的发送与接收端口一致。服务器可通过该通道向监测器下发监测指定，解决数据包穿透问题。
3 系统应用 本系统可实现地理信息化管理，以下是本系统基于Google（谷歌）电子地图开发的HFC系统应用。 3.1 在线预警 图5 为本系统与Google 电子地图进行在线预警示例。图中标注了几个网络监测器在Google地图中的位置及其在线状态。通过标注的颜色显示当前网络监测器或其它设备的状态，如本示例所示，当监测器无法解扰电视节目、侦测信号有异常波动时，监测器通过3G网络向服务器发送异常信息，服务器将地图标注颜色更改为黄色；当网络中断时，标注更改为红色；当网络运行正常时，标注为绿色。操作员可在电子地图上标注各电节点以及光节点的节点信息，描绘网络拓扑信息。更重要的是，监控平台可实现智能化、自动化的网络状态信息标注，显示突发事件，如安全播出故障、非法信号切入等。地理信息化有利与给操作人员带来更直观的系统状态，更便捷的操作方式，极大地压缩初级维修人员的地理信息培训时间。维修人员可从地图上直接了解故障所在地点，安排适当的交通工具。 图5 Google电子地图在线预警示例 3.2 图像监测 目前国内外现有技术对于网络异常的侦测，采用侦测信号强度方式或是识别码方式判断网络运行状态。这两种识别手段均以模拟电视侦测技术发展而来。 由于信号强度由信号功率和噪声功率累加，因此网络产生的突发噪声往往引起监测器的大量误判。采用GPRS通道会由于带宽瓶颈无法大量传输网络的节目播放截图，采用3G接入则可解决带宽瓶颈问题。图6为通过Google地图平台操作的监测点电视节目播放截图。节目图像通过3G网络回传发布，实现远程监测节目播放图像。 图6 Google电子地图监测器节目播放状态测量示例 3.3 信号测量 HFC网络受到干扰来源，主要为突发噪声。噪声持续一段时间后，将会减弱。采用现场测试手段，往往会发生测试人员到达现场后观察不到噪声现象，而当测试人员不在场时现象反而明显的情况。图7为系统通过监测器远程实时采集网络节点的星座图，通过星座图的噪声模型，定性、定量、定时对噪声进行分析，达到智能化、远程化检测网络的目的。 图7 单频点信号质量测量示例 3.4 频谱扫描 图8为Google电子地图模式下进行频谱扫描操作。 频谱扫描通常用于HFC网络安装及维修，它是信号在线路传输稳定性的重要依据。通过频谱调整有源器件的增益及均衡，可有效提高HFC传输线路的稳定性。 图8 Google电子地图频谱扫描操作 4 结束语 本系统采用3G技术进行HFC网络监测，特点如下： （1）解决单向HFC网的网络监测，目前3G网已大量覆盖。 （2）提高网络监测可靠性，采用第三方网络进行监测可有效提高网络监测可靠性。 （3）接入便利，3G网采用无线接入方式，解决回传网络布线问题。 （4）解决网络回传带宽，3G网较GPRS等接入方式，具有更大的带宽反馈监测器所检测到的节目安全播出图像。 本文方案HFC网监控监测器可通过3G网络将HFC网的信号质量及数字电视图像反馈到前端服务器，实现单向HFC低成本安全播出监测。不仅可以提高HFC网络运营商对HFC网络的监控能力，降低HFC网络运营商的运维成本，还可提高HFC网络运营商的运维效率。
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