CMTS+CM原理介绍

1、技术服务部CMTS+CM原理介绍原理介绍THE INTRODUTION OF CMTS PRINCIPLECMTS+CM网络系统组成部分网络系统组成部分CMTS(Cable Modem Terminal Systems),又叫C-docsis。CMTS是管理控制Cable Modem（CM）的设备HFC网络即混合光纤同轴电缆网。HFC通常由光纤干线、同轴电缆支线和用户配线网络三部分组成,从有线电视台出来的节目信号先变成光信号在干线上传输；到用户区域后把光信号转换成电信号,经分配器分配后通过同轴电缆送到用户CM(Cable Modem)电缆调制解调器CMTS系统组成系统组成CMTS网络拓扑网络拓

2、扑CMTSEMTA(内置内置CM)STB(内置内置CM)CMHFC汇聚交换机汇聚交换机CMTS+CM核心核心网网接入网接入网当光节点覆盖用户数在400户左右,把MiniCMTS部署在光节点位置,使用野外型MiniCMTS,采用xPON回传XPON组网组网Internet光发分光器Mini CMTSMini CMTS分光器OLT汇聚交换机CMTS网管分前端CMCM用户当光节点的覆盖用户数小于100户时,把MiniCMTS部署在光节点位置虽然可以提供更高的带宽,但改造成本较高此网络模型下,建议MiniCMTS部署在分前端,采用1U MiniCMTS,一个MiniCMTS覆盖4-5个光节点(按每个光

3、节点覆盖100户计算,一个MiniCMTS覆盖400-500户)CMTS前端组网前端组网光发分光器双向光站多路光收CMTS网管双向光站InternetMini CMTSCMCMCMTS+CM从下行的模拟信号中划出8MHz频带,将信号转化为符合以太网协议的格式,与电脑实现通讯下行是指路由器的数据包在CMTS中被封装成MPEG2-TS帧的形式,经过64QAM调制后,通过HFC网传输到各CM上行数据利用时分多址(TDMA)技术进行动态分配带宽直接基于以太网包进行传输,与IP网络结合紧密CMTS基本原理基本原理CMTS工作在二层网络,对数据的调制/解调与传输,对所有CM的接入进行控制（认证许可）下发C

4、M上线配置（包括上下行频点、频宽、电平、调制方式等）完成docsis和以太网数据的转换对下行service-flow进行带宽控制其它相关的以太网功能CMTS主要主要功能功能下行通道的频率范围为88860MHz, 每个通道的频宽为8MHz (NTSC 6MHz,PAL 8MHz),采用256QAM调制方式,对应数据传输速率为55.616884Mbit/s在6MHz频宽工作模式下,64QAM为5.056941 Msym/sec,256QAM和1024QAM为5.360537 Msym/sec 在8MHz频宽工作模式下,64QAM、256QAM和1024QAM 均为6.952 Msym/secCMT

5、S的上下行电平都是设定的固定值,默认发射电平是45dBmv,接收电平是0dBmvCMTS下行参数下行参数CM的接收电平在-15到+15之间,下行链路需要加衰减到这个范围内,而上行到CMTS的接收电平需要根据测距情况调整到上行设置的接收电平传输有效速率计算公式：D=W(1+),Rs=D*log2(qam)注：Rs为传输速率,D为符号率,W为频宽。为滚降系数,当它的取值为0时,它的矩阵系数最好,占用频宽最小,很难实现。为此它的取值一般不小于0.15,我们这里取值为0.16CMTS下行参数下行参数(cont.)上行通道的频率范围为565MHz,每个通道的带宽可为200、400、800、1600、32

6、00kHz采用QPSK或16QAM调制方式（数据速率320kbps-10Mbps）,对应的数据传输速率为3205120Kbit/s或64010240Kbit/s。上行通道的带宽可根据所需的数据传输速率设定在同样的带宽内,QPSK调制的速率比16QAM调制方式低,但其抗干扰性能好,适用于噪声干扰较大的上行通道,而16QAM调制适用于信道质量好且要求高速传输数据的场合在CMTS设备中,为了减小上行通道的干扰,一个下行通道一般对应多个不同频率的上行通道CMTS设备根据信道的噪声状况自动跳频到干扰较小的通道,而用户察觉不到该跳频过程CMTS上行参数上行参数为了减小上行通道的干扰,一个下行通道一般对应有

7、多个不同频率的上行通道,CMTS可根据信道的噪声状况自动跳频到干扰较小的通道,而用户察觉不到跳频的过程CMTS负责处理不同的媒体访问控制(对访问用户的IP地址进行受权认正）,这些程序包括下行的时隙信息传输、测距管理以及给各CM分配时分多址访问的时隙。CMTS根据带宽分配算法可将一个小时隙定义为预约小时隙或竞争小时隙,CM通过小时隙向CMTS传输数据CMTS上行参数上行参数(cont.)docsis协议栈协议栈OSIDOCSIS Data Over CableMPEG-based applics e.g.Video高层高层ApplicationsDOCSISControlMessages传输层传

8、输层TCP or UDP网络层网络层IP数据链路层数据链路层IEEE 802.2DOCSIS MAC上行上行TDMA(mini-slots)下行下行TDM(MPEG)物理层物理层5-65 MHZ(QPSK or 16QAM)8 MHZITU-T J.83 Annex AHFCCMTS/CM交互交互CMTS上线流程上线流程下行频道扫频和同步CMTS获取传输参数(从UCD消息中)进行测距建立IP连接确立时间传输运行参数执行注册过程 TuningRangingconnectionconfigurationregistrationMaintenance Cable Modem TuningCMTS上线

9、流程上线流程(cont.)CM Listens for CMTSdownstream transmission CM搜索一个下行数据频道同步QAM同步FEC和MPEG TuningRangingconnectionconfigurationregistrationMaintenanceCMTS上线流程上线流程(cont.) CM在获得上行信道的传输参数后,就可以与CMTS进行通讯。CMTS会在MAP中给该CM分配一个初始维护的传输机会,用于调整CM传输信号的电平、频率等参数,其中CM的输出电平是根据分配给CM的带宽,按每赫之功率为参数,通过CMTS 对CM 的长线AGC 来控制的。另外,CMT

10、S 还会周期性地给各个CM 发周期维护报文,用于对CM进行周期性的校准。 监视监视SYNC消息消息CMI上线流程上线流程(cont.)TuningRangingconnectionconfigurationregistrationMaintenanceSYNCCMTS周期性地发出SYNC消息包含的时间信息,用以描述CMTS何时传输SYNCCM将同步其自身时间参考时钟,以便它的上行传输落在正 确的时隙(mini-slots)中 获得上行参数获得上行参数CMI上线流程上线流程(cont.)TuningRangingconnectionconfigurationregistrationMainten

11、anceUCD监视监视UCD消息消息CMTS周期性发出UCD定义上行通道的特性 时隙的大小 上行通道ID 下行通道ID CMTS周期性地传输UCD消息(上行信道描述符)给所有的CM，CM必须从其中的信道描述参数中确定它是否使用该上行信道 CM在获得上行信道的传输参数后,就可以与CMTS进行通讯。CMTS会在MAP中给该CM分配一个初始维护的传输信息,用于调整CM传输信号的电平、频率等参数，然后它可以按照MAC操作和带宽分配机制在上行信道中传输信息。CMI上线流程上线流程(cont.) RANGINGCMI上线流程上线流程(cont.)TuningRangingconnectionconfigu

12、rationregistrationMaintenance 调整cable网络位置 电平 时偏 频偏 CM使用Ranging请求(RNG-REQ) 假设SID=0 在某些情况下,如上下行链路衰减不对等,会出现CM在获取上行参数后,始终无法将电平值调整到CMTS可接受范围,导致CM始终处于测距状态 606.050575: RNG-RSP CM=38:6b:bb:e0:6b:63 us=1 sid=0 x1001(4097) power=-8 freq=244 SNR=46dB stat=Continue 打印信息中始终充斥的测距为continue的打印,不能变更为success,说明CM调节电平

13、已达到其最高门限或者最低门限。CMI上线流程上线流程(cont.) IP连接连接CMI上线流程上线流程(cont.)TuningRangingconnectionconfigurationregistrationMaintenance 在modem成功测距之后,它必须要与VMTS进行注册网络连接 DHCP被用来提供如下： IP地址 Lease time 网关地址 文件服务器和文件名字 时间服务器和时偏 DHCP总结总结CMI上线流程上线流程(cont.)TuningRangingconnectionconfigurationregistrationMaintenanceDHCP ServerO

14、fferResponseDiscoverRequestCMTSCMIP AddressGatewayTFTP ServerToD ServerConfig File name 配置配置CMI上线流程上线流程(cont.)TuningRangingconnectionconfigurationregistrationMaintenanceTFTP-REQTFTP-ACKTFTP-ACKTFTP-RSPTFTP-RSPLAN/WANTFTP Server在modem获得IP之后,它必须要获得一些基本的配置信息配置文件名字和位置服务器地址在DHCP的option 66指定启动文件名字在DHCP的op

15、tion 67中指定TFTP-REQ 注册注册CMI上线流程上线流程(cont.)TuningRangingconnectionconfigurationregistrationMaintenance仅当modem完成与CMTS的注册之后,才可能online 注册注册包含在所接收到的TFTP配置文件中的参数 Downstream,frequency,Upstream channel ID Network access configuration settings Modem CapabilitiesCMI上线流程上线流程(cont.)HFCREG-REQCMTSCable Modem 注册注册

16、 CMTS 检查CM的MAC地址和authentication签名(DOCS1.1) 分配一个永久SIDCMI上线流程上线流程(cont.)HFCREG-RSPCMTSCable Modem 注册注册 为CM提供所需带宽(Class of Service) 更改转发表以便允许用户数据的传输(如果Network Access打开的话） 发送REG-RSP给CM CM可以传输无加密的数据CMI上线流程上线流程(cont.)HFCREG-RSPCMTSCable Modem 配置CMTS DHCP策略,根据option60内容对不同设备打不同VLAN TagDHCP授权管理体系支持测试授权管理体系支

17、持测试cable dhcp-tag cable-modem vlan 205cable-modem携带option60 docsis*,cable-modem发起的DHCP报文经过CMTS,会被打上vlan205cable device-type cqstb CNTSTBC自定义设备类型cqstb,option60为CNTSTBC的机顶盒被识别为cqstb这种设备类型 CMTS默认支持4种设备类型,cable-modem,host,stb,mta,除host外,其余三种设备类型都有默认的option60字段,如果对应的option60字段的设备发起DHCP报文,则会被识别为对应的设备类型；当然

18、,用户也可以像上面的配置案例一样,根据自身情况将这些设备类型定位为携带其他option60字串的设备。 host设备类型比较特殊,在没有自定义设备类型的前提下,其余非默认所能识别的option60会全部被识别为host设备类型,并且打上host所指定的vlan tag。DHCP授权管理体系支持测试授权管理体系支持测试(cont.)在CMTS上使能option82选项,CM后接PC,使PC获取正确地址,抓包查看PC发起的DHCP报文,应该携带正确的option82及子选项Option82子选项定义：子选项定义：sub option1：（代理电路ID）默认是DHCP客户端所连接的交换机的接口信息（

19、VLan名加物理端口名）,也可以由用户自己配置代理电路ID,option 82选项的子选项2（代理远程ID）是DHCP中继设备本身的MAC地址。 sub option2：CM的MAC地址sub option3：根据底层VendorOID确定其值DHCP授权管理体系支持测试授权管理体系支持测试(cont.)CMTS接入端口负载均衡技术是一种端口流量优化技术。在CMTS中,当有多个channel同时使用时,如果存在有的channel负荷超重(流量大),有的通道负荷轻(流量小),则会将通道负荷较重的CM转移到负荷较轻的通道上,最终达到各个通道负荷均衡。BCMC主要通过两种方式来实现负载均衡静态负载均

20、衡和动态负载均衡。DHCP授权管理体系支持测试授权管理体系支持测试(cont.)CMTS通过配置的优化策略,一方面静态负载均衡向即将注册的CM发送指令,指定它到一个负载流量相对较小的端口上线；另一方面,动态负载均衡基于对已经注册上线的CM发送指令,更改其通道参数,实现CM通道切换,如果设置成非掉线策略,CM不需要经过下线或者重新注册,就能直接切换到另一个端口通道。CMTS负载均衡技术正是通过不断的调整modem数据传输通道,平抑各个通道的流量,达到负载均衡,稳定流量的目的。DHCP授权管理体系支持测试授权管理体系支持测试(cont.)CMTS通过配置的优化策略,一方面静态负载均衡向即将注册的C

21、M发送指令,指定它到一个负载流量相对较小的端口上线；另一方面,动态负载均衡基于对已经注册上线的CM发送指令,更改其通道参数,实现CM通道切换,如果设置成非掉线策略,CM不需要经过下线或者重新注册,就能直接切换到另一个端口通道。CMTS负载均衡技术正是通过不断的调整modem数据传输通道,平抑各个通道的流量,达到负载均衡,稳定流量的目的。DHCP授权管理体系支持测试授权管理体系支持测试(cont.) 1998年年3月公布月公布Docsis 1.0标准标准 物理层中包括了调制格式、符号率、前向纠错,突发保护等规定 在数据链路层中,数据链路层中包括了MAC帧结构,MAC管理报文结构。同步,下行TDM

22、和上行TDMA机制,初始化过程,UCD,MAP报文,测距,信道编码,信道识别,间隔使用码IUC以及文件配置和IP连接等规定 Docsis的演进的演进 1999年年3月公布月公布docsis 1.1版本版本 为了有线运营商提供宽带服务而提出, 进行了qos的改进,加入了classification和service-flow 2002年年1月通过了月通过了docsis 2.0版本版本 上行带宽优化:ATDMA,SCDMA,逻辑信道Logical channels实现了上行速率的增加。上行速率增加5.12 Msymbols/s一档,调制方式增加了32 QAM和64 QAM两档,上行信号的信噪比要求降

23、低将大大改进上行噪声免疫能力,或者说一个光节点能容纳更多的用户 Docsis的演进的演进 2006年年6月通过了月通过了Docsis3.0 DOCSIS 3.0主要采用了“频道捆绑”技术，大大提高了上行和下行速率和带宽，例如四个频道捆绑在一起，下行速率可达213Mb/s，上行速率可达160Mb/s，今后还可以提高。支持IPV6，同时支持IPTV，支持对multicast增加qos保障Docsis的演进的演进 2013年年10月通过了月通过了Docsis3.1 物理层LDPC OFDM（子载波宽度：25kHz或50kHz）最高至4096QAM的调制，速率可达到上1Gbps/下10Gbps，192MHz一个信道，有更多可用的物理频谱：上行585/204MHz，下行108/258MHz1288/1788MHz。MAC也相应改进，同时可与D3.0设备兼容，还可集成到CCAP（converged cable access platform）平台。另外，由于DOCSIS 3.1采用了先进的Active Queue Management（主动队列管