第3章混合光纤同轴电缆接入技术

1、l本章介绍混合光纤本章介绍混合光纤/同轴电缆接入技术的相关内容，主同轴电缆接入技术的相关内容，主要包括：要包括：混合光纤混合光纤/同轴电缆网同轴电缆网HFC概述概述电缆调制解调器（电缆调制解调器（Cable Modem）HFC网络双向传输网络双向传输l本章重点：本章重点：HFC的概念的概念HFC的网络系统结构的网络系统结构HFC的网络频带划分的网络频带划分Cable Modem系统工作原理系统工作原理l本章难点：本章难点：Cable Modem工作过程工作过程Cable Modem基本协议结构基本协议结构混合光纤混合光纤/ /同轴电缆网（同轴电缆网（HFCHFC）概述）概述3.13.1电缆调制

2、解调器（电缆调制解调器（Cable ModemCable Modem）3.23.2HFCHFC网络双向传输网络双向传输3.33.3l混合光纤同轴电缆网（混合光纤同轴电缆网（Hybrid Fiber Coax，HFC）是采用）是采用光纤和有线电视网络（光纤和有线电视网络（CATV）传输数据的宽带接入技术）传输数据的宽带接入技术，它从传统有线电视网发展而来。，它从传统有线电视网发展而来。l许多国家的许多国家的CATV覆盖率与公用电话网不相上下，甚至超覆盖率与公用电话网不相上下，甚至超过了公用电话网，是重要的过了公用电话网，是重要的信息传输基础设施信息传输基础设施之一。之一。l传统的传统的CATV多

3、为同轴电缆系统或微波电缆系统，承载的多为同轴电缆系统或微波电缆系统，承载的业务一般只有电视和调频广播，只有从业务一般只有电视和调频广播，只有从局端局端（前端前端）向用）向用户的信号，而没有从用户到前端的信号。户的信号，而没有从用户到前端的信号。l20世纪世纪90年代初，随着光传输技术的成熟与发展，人们开年代初，随着光传输技术的成熟与发展，人们开始考虑在有线电视系统中采用光传输，这种始考虑在有线电视系统中采用光传输，这种采用光传输的采用光传输的有线电视网就是混合光纤同轴网有线电视网就是混合光纤同轴网。l随着随着Internet的发展，传统的的发展，传统的CATV网络已经难以满足人们网络已经难以满

4、足人们对信息的需求。对信息的需求。 在在HFC上利用上利用电缆调制解调器（电缆调制解调器（Cable Modem，CM）提供高速上网业务的技术得到迅速发展。提供高速上网业务的技术得到迅速发展。lHFC优点优点传输容量大，易实现双向传输，从理论上讲，一对光纤可同时传输容量大，易实现双向传输，从理论上讲，一对光纤可同时传送传送150万路电话或万路电话或2 000套电视节目套电视节目频率特性好，在有线电视传输带宽内无需均衡频率特性好，在有线电视传输带宽内无需均衡传输损耗小，可延长有线电视的传输距离，传输损耗小，可延长有线电视的传输距离，25km内无需中继放内无需中继放大大光纤间不会有串音现象，不怕电

5、磁干扰，能确保信号的传输质光纤间不会有串音现象，不怕电磁干扰，能确保信号的传输质量量可支持可支持IP数据业务、模拟广播电视业务、调频广播业务、数字数据业务、模拟广播电视业务、调频广播业务、数字广播电视业务和交互视频业务，并保证各种不同业务之间不产生广播电视业务和交互视频业务，并保证各种不同业务之间不产生相互影响。相互影响。 1 1、HFCHFC系统参考配置系统参考配置根据我国通信行业标准根据我国通信行业标准接入网技术要求接入网技术要求混合光纤同轴电缆网混合光纤同轴电缆网（HFC）（YD/T 1063-2000）规定，）规定，HFC系统参考配置如图系统参考配置如图3-1所示。所示。图3-1 混合

6、光纤/同轴电缆网HFC系统参考配置l在HFC网络中，各种业务信号均以副载波调制复用方式传输。l上行和下行信号可以在不同的光纤中传输，也可以采用波分复用方式在同一根光纤中传输。当上下行信号采用粗波分复用方式传输时，下行信号使用1550nm波长区，上行信号使用1310nm波长区。l电缆调制解调器（电缆调制解调器（Cable Modem，CM）是在混合光纤）是在混合光纤/同轴电缆同轴电缆（HFC）网络上提供）网络上提供双向双向IP数据传输数据传输的的用户端用户端设备。根据我国通信设备。根据我国通信行业标准行业标准接入网技术要求接入网技术要求电缆调制解调器（电缆调制解调器（CM）（YD/T 1076-

7、2000）建议，在）建议，在HFC网络上进行双向网络上进行双向IP数据传输的网络配置如数据传输的网络配置如图图3-2所示。所示。图3-2 HFC网络双向IP数据传输配置lCMTS：电缆调制解调器头端管理控制器，是：电缆调制解调器头端管理控制器，是HFC网络与网络与 数据网（数据网（IP）的连接设备）的连接设备；完成数据与；完成数据与RF（射频）的转换（射频）的转换lCMTS也是也是管理和控制管理和控制CM的设备，的设备， CM的工作参数由的工作参数由CMTS管理和控制，包括：上行频率、上行调制方式、上管理和控制，包括：上行频率、上行调制方式、上行电平等行电平等lCM：电缆调制解调器，：电缆调制

8、解调器，CM是放在用户家中的终端设备，是放在用户家中的终端设备，连连接用户的接用户的PC机和机和HFC网络网络，提供用户数据接入。，提供用户数据接入。lCM接收从接收从CMTS发送来的发送来的QAM调制信号调制信号并解调；在相反的并解调；在相反的方向上从方向上从PC机接收到的以太帧经调制后，通过机接收到的以太帧经调制后，通过HFC网络的上网络的上行数据通路传送给行数据通路传送给CMTS。 1 1、Cable ModemCable Modem内部结构内部结构l电缆调制解调器（电缆调制解调器（CM）的基本功能是实现数据业务的双向）的基本功能是实现数据业务的双向传输，其内部结构如图传输，其内部结构如

9、图3-3所示。所示。图图3-3 电缆调制解调器电缆调制解调器CM内部结构内部结构lCM内部有上下行两条传输通道：上行传输通道的数据信号来源于用户终端设备，经MAC处理、数据编码、差错控制编码和调制后传送至HFC网络；下行传输通道的数据信号来源于HFC网络，经解调、差错控制解码和数据成帧后传送至用户终端设备。下行链路：通过双工下行链路：通过双工滤波器接收来自滤波器接收来自HFC网络的射频信号，网络的射频信号， HFC网络下行信号采网络下行信号采用的调制方式主要是用的调制方式主要是256QAM或或64QAM调调制，经解调后送至去交制，经解调后送至去交织织/FEC模块进行去交模块进行去交织和织和FE

10、C纠错处理，再纠错处理，再送至数据成帧模块形成送至数据成帧模块形成数据帧，最后通过网络数据帧，最后通过网络接口卡（接口卡（Network Interface Card，NIC）传送至用户终端设备。传送至用户终端设备。上行链路：用户的访问请上行链路：用户的访问请求先由媒质访问控制求先由媒质访问控制（Media Access Control，MAC）模块中的访问协议进）模块中的访问协议进行处理，上行数据经由网络行处理，上行数据经由网络接口卡（接口卡（NIC）送至上行通）送至上行通道，由数据编码器对数据进道，由数据编码器对数据进行编码，再经交织行编码，再经交织/FEC模块模块进行信号交织处理和进行信

11、号交织处理和FEC差差错控制编码，然后送入调制错控制编码，然后送入调制器进行调制；上行链路通常器进行调制；上行链路通常采用采用QPSK或或16QAM调制技调制技术，已调信号通过双工滤波术，已调信号通过双工滤波器送至器送至HFC网络。网络。l下行广播机制下行广播机制：下行通道是一种多址控制，一个：下行通道是一种多址控制，一个CMTS能管能管2000个个CM，这些，这些CM都共享这一下行通道都共享这一下行通道 ，CMTS以以广播形式广播形式通过通过下行通道发送多址数据信息下行通道发送多址数据信息 ，一点对多点一点对多点，每个，每个CM都拥有一唯都拥有一唯一的一的地址码地址码（48位，制造商定位，制

12、造商定），），CM通过下行信号中的地址码通过下行信号中的地址码与自己的地址码进行判别是否是自己的信息与自己的地址码进行判别是否是自己的信息l上行时分复用（上行时分复用（TDMA）机制）机制：上行通道是一种汇聚式的：上行通道是一种汇聚式的通讯通讯多点到一点多点到一点。CMTS将上行通道划分成一个个将上行通道划分成一个个小时隙小时隙，每个小时隙由，每个小时隙由CMTS分配给在线的分配给在线的CM，CM在属于自己在属于自己的小时隙内发送信息。的小时隙内发送信息。l小时隙的分配是小时隙的分配是CMTS根据在线的根据在线的CM数量实行数量实行动态分配动态分配的，例如某一的，例如某一CM下线后，系统会将原

13、来属于这个下线后，系统会将原来属于这个CM用的用的时隙释放出来分配给其他在线时隙释放出来分配给其他在线CM。lCable Modem的应用，可以使的应用，可以使HFC网络实现双向、多业务网络实现双向、多业务接入传输。但在不同传输方式和不同业务接入环境中，对接入传输。但在不同传输方式和不同业务接入环境中，对Cable Modem的要求也不同。的要求也不同。 l根据常见应用需求和使用场合，根据常见应用需求和使用场合，Cable Modem通常分为以下通常分为以下五种类型。五种类型。（1）以传输方式划分，）以传输方式划分，Cable Modem可分为可分为双向对称式传输双向对称式传输和和非对称式传输

14、非对称式传输。（2）以数据传输方向划分，可分为）以数据传输方向划分，可分为单向单向Cable Modem和和双向双向Cable Modem。 （3）以网络通信模式划分，）以网络通信模式划分，Cable Modem可分为可分为同步同步（共享）（共享）和和异步异步（交换）两种方式。（交换）两种方式。（4）以接入模式划分，可分为）以接入模式划分，可分为个人个人Cable Modem（单用户）（单用户）和和宽带宽带Cable Modem（多用户），宽带（多用户），宽带Modem可以具有网桥可以具有网桥的功能，可以将一个计算机局域网接入。的功能，可以将一个计算机局域网接入。（5）以接口类型划分，）以接口

15、类型划分，Cable Modem可分为可分为外置式外置式、内置式内置式和和交互式机顶盒交互式机顶盒。lCable Modem前端设备前端设备CMTS设置在局端设备的前端，设置在局端设备的前端， Cable Modem设置于用户端，设置于用户端， Cable Modem通过通过HFC上行通道与上行通道与CMTS通信，接收通信，接收CMTS传送的参数，实现对自身的配置。传送的参数，实现对自身的配置。（1）CM加电后与头端加电后与头端CMTS同步同步CM扫描所有下行频道，寻找有效控制信息（广播信息）扫描所有下行频道，寻找有效控制信息（广播信息）一般一般CM首选对上次使用过的频道进行搜索（内存保存）首

16、选对上次使用过的频道进行搜索（内存保存）（2）获取上行信道参数并请求注册）获取上行信道参数并请求注册CM收到头端发来的上行信道传输参数（包括上行电平数值、收到头端发来的上行信道传输参数（包括上行电平数值、DHCP和和TFTP服务器的服务器的IP地址等）地址等）CM根据参数中指配的上行通路向头端发送注册请求消息根据参数中指配的上行通路向头端发送注册请求消息（3）注册认可，开始认证、密钥交换、初始化）注册认可，开始认证、密钥交换、初始化（4）带宽请求与分配）带宽请求与分配（5）在分配的带宽里上传数据，实现与网络的交互）在分配的带宽里上传数据，实现与网络的交互（1）数据信号传输）数据信号传输l在在C

17、able Modem技术中，采用了双向非对称传输技技术中，采用了双向非对称传输技术，在系统传输频带中分别配置了下行和上行数据术，在系统传输频带中分别配置了下行和上行数据通道，形成了数据传输回路。通道，形成了数据传输回路。（2）话音信号传输）话音信号传输l在在Cable Modem系统中，通过系统中，通过IP技术提供话音业务，技术提供话音业务，可通过实现可通过实现VoIP。 机机 构构规范规范说明说明IEEE802.14工作工作组组IEEE802.14以以ATM为核心为核心（承载（承载ATM信元）信元）MCNSDOCSIS以以IP为核心为核心（承载可变长（承载可变长packets）MCNS：Mu

18、ltimedia Cable network System（多媒体电缆网络系统）（多媒体电缆网络系统）DOCSIS: Data Over Cable Service Interface Specification（有线（有线电缆数据服务接口规范）电缆数据服务接口规范）（1）物理层）物理层l物理媒质关联子层物理媒质关联子层（Physical Medium Dependent sublayer，PMD）l传输汇聚子层传输汇聚子层（Transmission Convergence sublayer，TC）（2）MAC层层（3）上层）上层（1）物理层）物理层（2）传输会聚子层）传输会聚子层TC（3）M

19、AC子层子层（4）数据链路加密子层）数据链路加密子层图3-5 基于DOCSIS的Cable Modem层次结构 1 1、 Internet Internet接入应用比较接入应用比较 （1）Cable Modem的典型的典型Internet接入接入l图图3-6所示为所示为Cable Modem/HFC的典型的典型Internet接入配置。接入配置。Cable Modem通过头端接入到通过头端接入到Internet，头端包含，头端包含IP路由器、路由器、代理服务器或高速缓存（代理服务器或高速缓存（cache memory）以及控制部分。）以及控制部分。图3-6 Cable Modem/HFC网络的

20、典型网络的典型Internet接入接入l图图3-7所示为使用所示为使用ADSL Modem接入时的一种典型结构。接入时的一种典型结构。用户（个人计算机）通过现有的双绞电话铜线接入到用户（个人计算机）通过现有的双绞电话铜线接入到Internet。图3-7 ADSL Modem的典型的典型Internet接入接入l在在HFC网络中解决双向传输问题，主要是解决网络中解决双向传输问题，主要是解决HFC网络中同轴电缆分配网的双向传输问题。网络中同轴电缆分配网的双向传输问题。3.3.1 3.3.1 双向传输方式双向传输方式1、频分双工、频分双工2、时分双工、时分双工3、空分双工、空分双工HFC网络网络光纤

21、干线光纤干线采用采用空分双工传输空分双工传输，同轴电缆分同轴电缆分配网配网采用采用频分双工传输频分双工传输 1 1、HFCHFC频谱分配频谱分配lHFC采用副载波频分复用方式，将各种视频、数据和话音信采用副载波频分复用方式，将各种视频、数据和话音信号通过调制进行频带分配，实现上述多种业务信号同时在同轴号通过调制进行频带分配，实现上述多种业务信号同时在同轴电缆上传输。电缆上传输。l在在YD/T 1063-2000标准中，规定了对于标准中，规定了对于1000MHz带宽的带宽的HFC网络，可用传输频带范围是网络，可用传输频带范围是51000MHz。图3-11 HFC射频频带分配方案l上行通道占用上行

22、通道占用60MHz带宽，用来传送上行业务，如话音及用带宽，用来传送上行业务，如话音及用户请求户请求/控制信号等控制信息等；控制信号等控制信息等；l下行通道占用下行通道占用913MHz带宽，用于传送下行广播业务、模拟带宽，用于传送下行广播业务、模拟/数字视频业务和数据业务，其中数字视频业务和数据业务，其中87108MHz频段用于频段用于广播业广播业务务，1101000MHz频段用于传送频段用于传送模拟电视、数字电视模拟电视、数字电视和和数据数据业务业务，YD/T 1063-2000建议在建议在606862MHz频率范围内传送下频率范围内传送下行数据业务。行数据业务。图3-12 双向HFC传输网络

23、结构l采用频分复用方式实现采用频分复用方式实现HFC双向传输时，需要完成以下工作双向传输时，需要完成以下工作（1）首先要把同轴电缆分配网的）首先要把同轴电缆分配网的传输频带提升到传输频带提升到750MHz以以上上。（2）将原来网络中使用的单向信号放大器换成）将原来网络中使用的单向信号放大器换成双向放大器双向放大器，该双向放大器在下行方向上按照规定频率范围（下行频段）从该双向放大器在下行方向上按照规定频率范围（下行频段）从前端接收下行信号，将信号放大后再传送至用户终端；上行方前端接收下行信号，将信号放大后再传送至用户终端；上行方向上按照规定频率范围（上行频段）接收来自用户的上行信号，向上按照规定

24、频率范围（上行频段）接收来自用户的上行信号，放大后传送至前端。放大后传送至前端。（3）改造光纤节点改造光纤节点，使之具有双向传输功能。，使之具有双向传输功能。（4）在前端需要增加用于传送话音信号和数据信号的设备，）在前端需要增加用于传送话音信号和数据信号的设备，如图如图3-12中与电话网和数据网连接的设备。中与电话网和数据网连接的设备。33 下行帧结构下行帧结构l下行帧结构为下行帧结构为MPEG-2帧帧MPEG2:Motion Picture Experts Group compression algorithm 2运动图像专家组压缩算法运动图像专家组压缩算法2l一个一个MPEG-2由头部和载

25、荷组成（共由头部和载荷组成（共188字节）字节）基于基于ATM的的CM：4字节头部字节头部184字节载荷字节载荷基于基于IP的的CM： 4字节头部字节头部1字节指针域（可选）字节指针域（可选）183/184字节载荷字节载荷l一个一个MPEG可封装多个可封装多个MAC帧帧l一个一个MAC帧可能被分片，由多个帧可能被分片，由多个MPEG帧承载帧承载34上行帧结构上行帧结构l上行帧结构为小时隙流上行帧结构为小时隙流l上行信道承载三种上行信道承载三种PDU（管理、请求、数据）（管理、请求、数据）上行信道的时隙划分上行信道的时隙划分上行信道的传输方式：上行信道的传输方式：FDMAFDMATDMATDMA

26、每个时隙称为每个时隙称为minislotminislot每个每个minislotminislot是上行信道带宽分配的基本单位是上行信道带宽分配的基本单位上行信道承载的上行信道承载的MAC PDUMAC PDU类型类型信道请求信道请求PDUPDU：Request PDU(miniPDU)Request PDU(miniPDU)，占，占1 1个个minislotminislot数据传输数据传输PDUPDU：data PDUdata PDU，一般占多个，一般占多个minislotminislot管理信息管理信息PDUPDU：manage PDUmanage PDU，占多个时隙，占多个时隙不同的不同的

27、PDUPDU在头部由不同的类型表示在头部由不同的类型表示35Request PDU：用于：用于CM请求上行带宽，含请求上行带宽，含CM ID、所需时隙数等、所需时隙数等Data PDU：ATM信元（信元（802.14 标准）或可变长分组（标准）或可变长分组（DOCSIS)Manage PDU：用于测距、功率调整等：用于测距、功率调整等36 上行信道的带宽请求与分配上行信道的带宽请求与分配带宽的请求与分配由带宽的请求与分配由CM与与CMTS交互实现交互实现CM向向CMTS请求，由请求，由CMTS分配与管理分配与管理上行带宽由一些小时隙来表征上行带宽由一些小时隙来表征CMTS可保留一些时隙固定分配给一些特殊的业务和用户可保留一些时隙固定分配给一些特殊的业务和用户将剩下的一些时隙用于一般用户通过竞争上传数据将剩下的一些时隙用于一般用户通过竞争上传数据专门的带宽请求捎带请求相结合专门的带宽请求捎带请求相结合CM要发送数据时，先向头端要发送数据时，先