电缆调制解调器的接入技术研究

1、第三章电缆调制解调器的接入技术研究接入网技术第3章 电缆调制解调器接入技术本章教学重点介绍CATV网络的结构及局限性介绍双向HFC网络的结构以及网络环境重点强调Cable Modem技术：接入结构、工作原理、MAC技术、技术标准等本章要求掌握HFC网络的结构以及这种结构潜在的问题掌握Cable Modem接入的结构、工作原理及MAC技术了解Cable Modem技术标准及发展趋势2第3章电缆调制解调器接入技术 本章主要内容传统的有线电视网络CATV 新一代的有线电视网络HFC Cable Modem系统系统结构工作原理协议模型技术要点技术标准HFC的传输向数字化发展Cable Modem 与A

2、DSL Modem的比较3CATV、HFC与 Cable ModemCable Modem：基于双向HFC网络，实现高速数据接入，是一种共享介质的接入技术；HFC：Hybrid Fiber Coax 混合的光纤同轴电缆；CATV：community antenna television， 原指共用天线电视，现在通常指有线电视。利用屏蔽同轴电缆向用户传送多路清晰的电视信号。传统的有线电视网络CATV CATV的特点为特定的业务设计 将广播视频业务传送到家而优化设计 通信方式：单向（下行）、广播式 介质：同轴电缆 频带：50550MHz（参考范围） 复用技术：FDM 模拟传输方式5CATV网络的系

3、统结构组成：网络组成：头端、干线网、配线网、下引线 设备组成：头端设备、放大器、分配器、分支器拓扑结构： 树状结构（分支结构）6视频信号 接收机 合路器 信号分配器分支器配线网头端干线网单向放大器15km下引线主配线系统结构说明 头端 信号的接收与处理中心 接收来自各种信号源的电视信号（卫星、本地） 将接收到的各路信号调制到一个6（8）MHz频道 通过FDM合路器下传到干线，最终送到千家万户 干线（网） 连接头端和信号分配点之间的电缆与设备 距离一般为15km 配线网 连接信号分配点之间和用户之间的电缆与设备 （信号分配器、同轴缆、放大器、分支器） 距离一般为13km7系统结构说明（续）信号分

4、配器：将干线信号分成几路，覆盖更大范围配线：连接信号分配点与分支器，中间有放大器分支器：用户的接入点下引线（引入线）： 用户接入线缆放大器：对信号放大，使信号能达到更大的范围注： 线缆越长，使用的放大器越多，但放大器串联 个数越多，失真越厉害，故个数有一定限制8CATV网络的局限性业务单一：视频单向通信：只能下行通信，不能双向交互网络结构脆弱：树形结构，只要一个地方或设备故障，可能导致中断对众多用户的服务传统的CATV已不能满足现代业务（交互式、综合业务）的要求，双向改进势在必行9新一代的有线电视网络HFC HFC：Hybrid Fiber Coax 混合的光纤同轴电缆HFC 原本含义指采用光

5、传输系统代替CATV中的干线传输部分，而用户分配网仍保留同轴电缆网络结构。 HFC 网是在CATV的网络基础上进行改造，利用光纤传输的宽频带特性，在保留原有CATV视频业务的同时，用空余的频带来传输 业务、高速数据业务和个人通信业务，构成全业务的传输网络。10双向的HFC网络结构11头端电话网因特网 双向 放大器 视频 信号光纤同轴缆服务区光纤干线网光节点5002000用户配线网下引线 光纤到服务区结构（FSA) 每个服务区物理上为一个独立的子网，不同的服 务区可采 用相同的频谱，彼此不干扰 结构说明 头端信号的接收与处理中心接收来自各种信号源的电视信号（卫星、本地）接入到PSTN、Inter

6、net 光纤干线网头端到服务区光节点之间的部分（光纤）拓扑结构为星形配线网和下引线完全同CATV（放大器除外） 配线网的拓扑结构为树形12 HFC对CATV的改进主干采用光纤代替同轴电缆和放大器 引入光节点光纤与配线网的接口（光/电变换及反变换） 双向放大器代替原有的单向放大器 重建头端增加接入PSTN的设备（DLC或PSTN交换机）增加接入Internet的设备（Router或网关）保留原视频接收机增加话音、数据、视频合路和分离的设备增加光发射器和光接收器增加网络管理设备或接口13双向HFC的优势取消主干上的放大器，提高信号质量和可靠性 在主干上采用光纤，提高了容量，为宽带接入奠定了基础 为

7、双向交互式通信提供了网络条件 通过Cable Modem可实现全业务通信（数、话、图）14HFC的频谱划分15上行信道CATV业务数字下行ff1下行信道数字上行f2f3f4f5f6个人通信地区 f1（MHz） f2（MHz） f3（MHz） f4（MHz） f5（MHz） f6（MHz）北美 5 42 88 550 860 1000欧洲 5 65 110 550 862 1000中国 5 65 65 550 750 1000 日本 5 48 88 550 860 1000HFC的问题 可靠性问题虽然主干采用光纤后，减少了许多放大器 但配线网仍有一些，一个放大器故障可能会中断一片 安全性问题 共

8、享介质存在安全隐患供电问题必须给放大器供电一旦供电故障，可能会造成片区的服务中断 操作、管理和维护问题提供完善的服务、管理和维护，HFC营运者尚需努力 上行信道多干扰，会对数据通信产生影响16影响HFC上行信道的噪声 主要噪声源类型交流声调制：由供电设备耦合到信号的包络中，产生幅度调制侵入噪声：由电缆泄露或从外部环境中收集到的噪声短波电台、业余电台等户内隔离较差的电器（微波炉、收音机等）瞬态噪声源（闪电、汽车点火等）用户的连接器松动、接触不良17影响HFC上行信道的噪声（续） 共路失真原因之一可能是同一机箱内上下行放大器干扰原因之二可能是双向滤波器隔离不充分热噪声由线缆中的电子运动产生的噪声

9、非线性来源于放大器的限幅效应，光纤节点的光发射 器和头端的光接收器18影响HFC上行信道的噪声19 上行信道噪声 上行侵入噪声是HFC系统传输损伤的主要原因 连接用户的同轴电缆将接收到的噪声向上传输 各分支的噪声在主干上会聚、叠加 解决上行信道的噪声是一件十分困难的事 噪声的主要来源 用户家里（占70%） 用户下引线（占25%） 同轴设备（占5%）抑制HFC上行信道噪声的基本方法20 一个服务区允许合适的用户数量 选择采用抗干扰能力强的Cable Modem（调制 技术、纠错技术等） 合理调整放大器的放大倍数 安装时确保机械接触良好，电气屏蔽好 室内使用良好的同轴电缆和连接器Cable Mod

10、em系统系统概述系统结构工作原理协议模型技术要点技术标准21Cable Modem系统概述 Cable Modem：电缆调制解调器（简称CM）基于双向HFC网络，实现高速数据接入，是一种共享介质的接入技术频分复用，实现数据业务和传统的CATV业务共存频分复用，实现上、下行双向通信：上行：频分复用时分复用上行：频分复用时分复用上下行采用非对称工作方式下行 最高42Mbps 上行 最高10M bps(QPSK 最高1.5Mbps)两种标准：，基于ATM传输DOCSIC，基于IP传输22Cable Modem的系统结构23CMTS: Cable Modem Termination System 头端

11、电缆调解器CM: Cable Modem：电缆调解器InternetC MHFCRouterCMTS系统结构说明CM:电缆调解器 连接用户的PC与HFC网络对网络和用户数据进行调制/解调，并传输实现网络与用户数据的双向交互 CMTS: 头端接入设备连接数据网与HFC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）给CM分配带宽并进行管理24 Cable Modem工作原理25 每个CM都有一个ID（48位，制造商定） CM发送数据前要向CMTS申请带宽（发送时隙数） 下行帧格式为MPEG-2，封装ATM信元或可变长分组 CM的接收器能调谐到所有M个下行信道的任何一个接收数据 CM

12、能在所有1n个上行信道中的任何一个发送数据头端mn下行上行11Cable Modem1Cable Modem2Cable Modemx 上行帧为小时隙流格式Cable Modem工作过程描述261） CM加电后与头端CMTS同步 CM扫描所有下行频道，寻找有效控制信息（广播信息） 一般CM首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 CM收到头端发来的上行信道传输参数 CM根据参数中指点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、测距、初始化4） 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 只要不断电，CM就一直处于在线状

13、态 Cable Modem参考模型27CMTS MACATMLLC其他接收PMD发送PMDCM MACMAC层PHY层下行上行CMTSCM TC子层接收PMD发送PMD TC子层ATMLLC其他28CM的层功能物理层组成：PMD子层、TC子层PMD子层：物理介质相关子层分为上行PMD（接收PMD)和下行PMD（发送PMD)提供物理接口、信号的调制/解调、比特流同步等 TC子层：传输会聚子层 提供与MAC的接口，对MAC帧进行分片与重组， 形成在信道上传输的格式 PDU的定界 完成同步、测距和功率调整测距：均衡时延（各CM到CMTS距离不等），避免时隙重叠同步：定期接收头端的广播的参考时钟，并调

14、整本地时钟，功率调整：为了使 各CM到CMTS的电平基本相同29CM的层功能MAC层 CM和头端MAC层，完成以下功能 CM接入的合法性认证 完成信息处理和流量控制 多个CM上行信道竞争的冲突分解 各CM带宽的请求、分配与管理30CM技术要点物理层 调制技术选择何种调制技术主要从信道利用率和抗干扰性能考虑Cable Modem的调制方式为QAM和QPSK上行：QPSK、16QAM下行：64QAM、256QAMQAM的信道利用率比QPSK高，但QPSK的抗干扰性更好31CM技术要点物理层（续1） 下行帧结构下行帧结构为MPEG-2帧MPEG2:Motion Picture Experts Gro

15、up compression algorithm 2运动图像专家组压缩算法2一个MPEG-2由头部和载荷组成（共188字节）基于ATM的CM：4字节头部184字节载荷基于IP的CM： 4字节头部1字节指针域（可选）183/184字节载荷一个MPEG可封装多个MAC帧一个MAC帧可能被分片，由多个MPEG帧承载32CM技术要点物理层（续2） 下行帧结构PDU定界协议ID0XIFFD：基于ATM0XIFFE：基于IP对基于IP的CM，确定MAC PDU的边界,占1字节，可选项对基于ATM的CM，没有此项指针PIDMAC PDUMAC PDU4字节184字节33CM技术要点物理层（续3） 上行帧结构

16、上行帧结构为小时隙流上行信道承载三种PDU（管理、请求、数据）Request PDU去头端Data PDUManage PDU占多个时隙占1个时隙占多个时隙CM34CM技术要点物理层（续4） 上行信道的时隙划分上行信道的传输方式：FDMATDMA每个时隙称为minislot每个minislot是上行信道带宽分配的基本单位上行信道承载的MAC PDU类型信道请求PDU：Request PDU(miniPDU)，占1个minislot数据传输PDU：data PDU，一般占多个minislot管理信息PDU：manage PDU，占多个时隙不同的PDU在头部由不同的类型表示35f.上行信道.PDU

17、PDURequest PDU去头端tminiSlotData PDUPDUManage PDURequest PDU:用于CM请求上行带宽，含CM ID，所需时隙数等Data PDU：ATM信元（802.14 标准）或可变长分组（DOCSIS)Manage PDU：用于测距、功率调整等36CM技术要点 MAC层 上行信道的带宽请求与分配带宽的请求与分配由CM与CMTS交互实现CM向CMTS请求，由CMTS分配与管理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CM要发送数据时，先向头端CMT

18、S申请带宽，由CMTS根据资源情况进行分配和管理CM在发送数据时有新数据要发，直接在发送数据时捎带对新数据发送带宽的请求CM技术要点 MAC层（续1） 上行带宽的请求与分配过程待发数据的CM，从下行信道获取头端对上行带宽分配的广播信息(MAP PDU),从中选取一个空闲的minislot，CM通过上行信道在选取的minslot内发送一个request PUD后等待头端的ACK如果请求冲突，则按某种算法进行冲突分解，并再次请求请求成功，会收到正确的ACK，对CM的发送时刻及允许发送的minislot个数（可能与申请的个数相同，也可不同）CM根据分配信息，在指定的上行时隙内发送data PDU （

19、发送数据时是不会产生冲突的） 如果发送数据时又有新数据要发，则可采用捎带技术在data PDU中将请求一起发给头端，无需用Request PDU重新申请37Contend minislot to send request，wait ACK ReadyCollision resolution Wait for grant Data PDU transmission with piggybackTraffic arrivalCollisionWait until given time SuccessTraffic arrivalIdle专门的带宽请求捎带请求相结合CM技术要点 MAC层（续2） 冲突分解机制CM系统基于HFC，是一种点到多点结构上行共享带宽，同时发送会产生冲突冲突发生在上行带宽请求的过程