CableMode接入技术培训班讲义(权威实用)

CableModem接入技术成都电子科技大学唐明光2003.12.9简化的系统组成

家庭用户端电视计算机分配器CableModemTXRX视频信号

干线放大器

延长放大器分支分配器光纤同轴电缆分路器/合路器电缆调制解调器终端系统应用层表示层会晤层传输层网络层数据链路层物理层ISO的开放互联模型802.2802.3802.5FDDIEthernetIEEE和ANSI标准MAC地址SAP（服务访问点）地址IP地址协议号端口号地址应用层传输层网络层TelnetFTPDNSTFTPTCPUDPIPICMPDODTCP/IP标准族网络接口层IGMP几种网络结构模型发送端应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层接收端DATADATADATADATADATADATADATABITSAHPHSHTHNHDHDT数据链路层协议应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议网络层协议各层之间如何工作应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层DOCSIS的介绍美国四大有线电视机构TimeWarner、TCI、Cox、Comcast所发起的多媒体电缆网络协会（MCNS）制定的技术规范，该规范得到了Cisco、3Com、Intel、Motorola、NEC等诸多厂商的支持1998年3月，DOCSIS规范被国际电信联盟（ITU）所采纳，标准号为ITU-Tj.112，从而DOCSIS成为HFC网络内进行高速数据通信的国际标准，2002年12月，国际电信联盟采用了DOCSIS2.0标准，标准号为ITU-Tj.122电缆传输数据接口规范在参考结构上进行系统规范DOCSIS1.0射频接口规范1.0操作支持系统接口(OSSI)1.0基线加密接口规范(BPI)CM终端系统网络侧接口规范CM到用户端设备接口(CMCI)电缆电话回传接口规范测试方法1.0DOCSIS1.1射频接口规范1.1操作支持系统接口(OSSI)1.1基线加密接口规范+(BPI+)CM终端系统网络侧接口规范CM到用户端设备接口(CMCI)DOCSIS1.1CMCI测试方法DOCSIS1.1RFI测试方法DOCSIS2.0现在还在继续完善，产品已经实用DOCSIS的不同版本什么是Eruo

Docsis在CM产品标准中一直存在美国标准和欧洲标准的竞争，目前美国的DOCSIS标准被国际电信联盟采纳在电视制式上美国使用的是NTSC，带宽是6MHZ，欧洲和中国使用的是PAL，带宽是8MHZ，2000年CableLabs发表了EuroDOCSIS1.1欧洲规范，其系统在频道划分、频道带宽、信道参数的规定上完全兼容欧洲标准究竟各个版本间有什么区别呢DOCSIS1.0实现了在有线电视网上传输双向信号，1.0的产品在数百个有线电视网上使用DOCSIS1.1对1.0的最大改进是增加了QOS服务保证，使得在有线网中实现VoIP有了保证，CableLabs专门成立了PacketCable工作组进行这方面研究，目前在北美有线网中电缆电话已经开始大规模应用DOCSIS2.0对1.1的改进全部是在物理层，上行使用了S-CDMA和A-TDMA技术，使上行的数据速率提高到了30Mbit/s，1.0是5M，1.1是10M。采用S-CDMA技术可以降低对上行信号的载噪比要求，对付噪声比较有效（当然是以降低数据速率为代价）版本重点优点/服务DOCSIS1.0(5Mbpsu/s)被普遍应用

国际标准

高速数据

互联网接入DOCSIS1.1(10Mbpsu/s)

QoS更好的带宽利用效率

预均衡

增强的操作系统支持接口增强的安全性

服务分等级

双倍速率更低的运营成本DOCSIS2.0“高级物理层”(30Mbpsu/s)

上行使用了S-CDMA

或者A-TDMA

上下速率对称更高的上行速率DOCSIS不同版本总结Internet骨干网本地服务设备LANCMTS网络终端调制解调混合器分路器光发光收光节点安全和接入控制器前端CPE数字电视信号上行信号电缆网络远程服务设备操作支持服务器HFC网络平台CM下行=>54MHz上行=<42MHzCableModem到CPE接口(CMCI)电缆调制解调器射频端接口操作支持接口系统(OSSI)基线加密系统(BPI)电缆调制解调器终端系统上行RF信号接口电缆调制解调器终端系统下行RF信号接口CM终端系统网络侧接口(CMTS-NSI)DOCSIS的参考模型通用的应用层协议通用的传输层协议通用的网络层协议DOCSIS专门定义的协议DHCPTFTPSNMPSMTPTODHTTPFTPTelnet物理层UDPTCP下行传输汇聚子层(MPEG-2)IP协议数据链路加密媒质接入控制DOCSIS协议模型DOCSIS协议栈OSIStackData-Over-CableInterfaceSpecificationsCMTS-NSIInterfaceto/fromWANPHYLayerDataLinkLayerForwardingIP802.2/DIXLLCLinkSecurityDOCSISMACCablePMDCMCIInterfaceto/fromCustomerPremisesEquipmentU/STDMA(minislots)D/STDM(MPEG)CableTransmissionNetworkCableModemTerminationSystemCableModem(EthernetCMCI)PhysicalDataLinkNetworkTransportHigherLayers802.310Base-T802.2/DIXLLC802.1dBridgingIP802.2/DIXLLCLinkSecurityDOCSISMACCablePMDIP802.3/DIXMACU/STDMA(minislots)D/STDM(MPEG)TCP/UDPApplicationsDOCSISControlMessagesTCP/UDPTCP/UDPApplicationsManagementonlyDataDHCPTFTPSNMPSecurityMgmtApplicationsDHCPTFTPSNMPSecurityMgmtIP究竟DOCSIS制定了什么IP协议现在已经发展得很成熟了，被大量地应用，DOCSIS在网络层上完全采用了IP协议，这样可以很好地和支持IP协议的设备兼容在数据链路层上分了三个子层，逻辑链路控制子层、逻辑链路安全子层和介质访问控制子层，逻辑链路控制子层采用了以太网的标准，DOCSIS制定了逻辑链路安全子层、介质访问控制子层（MAC）的协议DOCSIS在物理层上定义了两个子层，下行传输汇聚子层，任务是将以太网帧封装成MPEG2包在HFC网络上传输，物理媒体子层，定义CM和CMTS的互操作性，制定了物理层传输的TDMA和S-CDMA标准DOCSIS标准的优点（1）内部和IP完全兼容（2）和DVB传输格式兼容（3）支持QoS扩展（4）建立在广电网现有基础设施上，分摊的建设和维护成本低，有利于长期经营通过Cable

Modem系统，用户可以在有线电视网络内实现国际互联网访问、IP电话、视频会议、视频点播、远程教育、网络游戏等功能，采用Cable

Modem在有线电视网上建立数据平台是适合有线电视行业特点的物理层(L1)数据链路层(L2)网络层(L3)光纤,电缆,

光节点,放大器CM/CMTSCMTS/路由器HFC网络中的设备一个基本的CM系统有什么要实现一个完整的CM系统仅仅有CM和CMTS是不够的，还需要一些辅助设备在CM和CMTS通信的时候，都要对每个CM和CM所带的CPE都需要分配一个IP地址作为网络上的唯一标识，因此需要DHCP服务器为每个设备分配一个IP地址CM在获得IP地址后，仅仅是能够在网络中唯一标识了，为了能够正常运行，还要一些配置文件，这些配置包括分配的带宽、优先权、SNMP的设置、提供的服务类型等等，所有的这些都必须从TFTP服务器上获得CM会保存一部分日志信息，例如加电时间，工作的频率点，通信中发生的错误等等，这些日志文件需要时间标记，这样好对错误进行诊断，这就需要一个TOD服务器，当然这个服务器不是必须的一个基本的CM系统图广域网地址池选项CM配置文件CM配置文件CM配置文件第三层网络交换机第二层网络第三层网络第三层网络数字信号的损伤无损伤随机噪声相位噪声单一回波(45DEG.)调制后的数字信号频谱图，相同的频率带宽内能够承载的比特率和调制的方式有关FSK–效率最低，但抗干扰能力最好QPSK–效率更高可靠信较好QAM–效率很高可靠信较低数字信号频谱图什么是TDMATDMA的意思是时分多址，由头端设备CMTS和用户端设备CM组成一个完整的数据传输和交换通道CMTS与CM间分上下行两个通道进行通信，下行通道的带宽为6M，采用64QAM或者256QAM的调制方式，下行通道的频段通常都安排在550MHZ--750MHZ上，数据速率最大为42.7Mbps，一个CMTS最多能管管理2000个CM，这些CM都共享这一下行通道，即CMTS以广播形式（一点对多点）通过下行通道发送多址数据信息每个CM都拥有一唯一的地址码，CM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，也就是说，每个CM都侦听下行传输的所有数据包，只有地址码与之匹配的CM才能接收。即所谓多址控制。这有点象邮递员送信，每封信（数据包）都有一个用户住址（地址码），邮递员就是根据这个住址准确地将信送到用户（CM）的手中。上行信道的传送图中可以看出CM1和CM2工作在24-25.2MHz频段上，CM1和CM2通过时分多址方式共享这一频段，CM3、CM4和CM5工作在34-35.2MHz频段上，这3个CM也通过时分方式共享这一频段

CMTSCM2CM1CM3CM4CM524-25.2MHz34-35.2MHz什么是A-TDMAA-TDMA的全称是高级时分多址，由博通（broadcom)公司和德州仪器公司（TI）共同制定，相比原来的TDMA，它主要使用了：增强的FEC（前向纠错），使用了更强的里德-所罗门编码，可以纠正更多的错误侵入消除技术，提供了剔除窄带侵入噪声的能力，从而提高稳健性，使运营商可以充分利用通常被认为是不可用的上行信道中的频率。脉冲噪声缓解技术，降低了系统相对于侵入噪声的脆弱性预均衡技术，提高上行通道的效率，最大化该信道内的网络传输率A-TDMA有什么优点由于系统的抗噪声能力强了，因此可以使用更高的调制技术在1.0中上行使用的是QPSK调制，每个上行频道最大带宽3.2MHZ，最大上行速率是5Mbit/s在1.1中，由于使用了一些抗噪声技术，上行可以使用16QAM技术，最大上行速率提高到了10Mbit/s在A-TDMA中，上行的调制方式可以使用64QAM，同时上行频道最大带宽6.4MHZ，最大上行速率30Mbit/s，为什么发展CDMA在某些信道中由于噪声比较强或者信号衰减比较大，例如有线电视网和移动通信网，为了克服噪声问题，开发出了扩频技术，扩频技术有两种主要方法：一种是跳频技术，即信号占用的频率宽度是固定的，但是设置了好几个频率信道，发送信号时根据不同信道的噪声采用不同的信道，即发送信号的中心频率点在不停地跳动，这种技术使用在军用无线通信和蓝牙技术中一种是直接序列扩频技术，即把每个信号的脉冲宽度展宽，脉冲宽度展宽后信号的抗噪声能力得到加强，但是占用的频率也拓宽了，这种技术的典型代表是CDMA什么是CDMACDMA的全称是码分多址，是最早由军方开发的，用以抵抗噪声、增强安全性并降低干扰影响的传输技术。CDMA的每一个数据符号在发射机端与伪随机序列码(码片序列)相乘，从而“扩展”到较宽的频谱之上，在接收端，同样的伪随机序列码被用来检取出原始信号。在多个数据流同时传输时，每个数据流分别用它们各自的伪随机序列码相乘。由于许多个用户共享同一频谱，各用户通过不同的伪随机序列码区分并使干扰最小

CDMA的原理框图扩频调制信息比特发送扩频序列载波解扩解调扩频序列同步载波同步信息比特接收fbfcf0G＝fc/fb扩频增益CDMA调制的频谱图f0fcfb2fc窄带干扰信号干扰扩频调制接收解扩CDMA序列示意图000110111100100001101000110100011011110010101110111001011100101110010111001011100101110010信息码地址码发送码000ππ0πππ00000ππ0000ππ0000ππ0000ππ0发端已调信号π0πππ0101110111001011100101110010111001011100101110010信息码地址码解扩信号000ππ0πππ00000ππ0000ππ0000ππ0000ππ0接收已调信号什么是S-CDMAS-CDMA的意思是同步码分多址，普通CDMA虽然抗干扰能力很好，但是频谱利用效率很低S-CDMA在有线电视网中的使用了一套相位对齐的正交码以维持同步，减少并发用户之间的干扰。S-CDMA对多个用户进行同步处理来共享同一上行信道，这样就使得多个调制解调器能够同时发送数据提高了频谱利用效率。S-CDMA的优点S-CDMA带来的一个优势是干扰信号频谱在CDMA解调的时候被展宽了，因此信号抗脉冲噪声的能力也增强了。第二个优势是对时间同步的严格要求降低了每次发送对前导数据的要求，从而增加了对回传通路的使用效率。虽然数据吞吐量与64QAMA-TDMA系统的数据吞吐量相当，S-CDMA实际上采用的是128QAM，额外的数据用于TCM（格子编码）。与增强的前向纠错(FEC)配合使用，获得了对加性高斯噪声(AwGN)的抵抗性能。究竟S-CDMA带来了什么CDMA技术是以扩频来提高抗噪声性能，表面上看是降低了频谱利用效率，但是伴随抗噪声能力的提高，可以采用更高效的调制技术1.0使用的是QPSK，1.1最高可用16QAM，A-TDMA最高可用64QAM，S-CDMA最高可用128QAM，S-CDMA在6.4MHZ的上行频率内最高的数据速率为30Mbit/s，这样S-CDMA的上行频谱利用效率是1.1上行标准的1.5倍S-CDMA和A-TDMA的比较在2.0标准中，下行信道和1.1标准没有变化，仍然是采用TDMA方式，最高采用256QAM调制，下行最高速率为42Mbit/s在2.0标准中，上行信道同时采用了S-CDMA和A-TDMA两种调制方式在最大上行数据速率方面，两者是一样的，都是在上行信号的载噪比为25db时最大数据速率30Mbit/s在信号载噪比低于25db的时候，A-TDMA可能会通信中断，S-CDMA可以降低数据速率来维持通信不中断在兼容性方面，虽然S-CDMA厂家宣布S-CDMA可以完全和TDMA兼容，但是使用A-TDMA可以使原有的1.1/1.0CM获得A-TDMA中的预均衡，增强FEC，入侵过滤等优点，获得更好的抗噪声能力，S-CDMA则强制CMTS在S-CDMA和TDMA两种工作模式中不停切换S-CDMA和TDMA共存示意图M2DOCSIS1.x(TDMA)DOCSIS2.0(S-CDMA)M1M3M4M5M6CMTS1234

561246MapMessageTaM1M2M3NullM1M2NullNullNullTbtimeM4M6TDMAS-CDMAM4M5M6S-CDMA和A-TDMA的比较由美国有线电视实验室（CableLabs）和其他单位进行的测试和分析表明，S-CDMA技术最适合于低振幅、伴随小数据包、持续时间适中的脉冲；A-TDMA技术最适合于高振幅、持续时间短的脉冲。DOCSIS2.0CMTS输出口特性符号率

64QAM5.056941Msym/sec

18%

均方根升余弦整形参数值中心频率91to857MHz±30kHz1输出电平50~61dBmV调制方式64QAMand256QAM256QAM5.360537Msym/sec下行带宽6MHz频率响应64QAM256QAM12%均方根升余弦整形输出反射损耗>14dBCMTS端的接收电平

符号速率

(kHz)接收范围

(dBmV)16016to+1432013to+1764010to+2012807to+2325604to+2651201to+29DOCSIS2.0CM输出口电气特性

参数值频率5to42MHz发射电平(一个频道)TDMA: +8to+54dBmV(32QAM,64QAM) +8to+55dBmV(8QAM,16QAM) +8to+58dBmV(QPSK)S-CDMA: +8to+53dBmV(所有调制方式)调制方式QPSK,8QAM,16QAM,32QAM,64QAM,and128QAM符号率

TDMA:160,320,640,1

280,2

560and5

120ksymbol/sS-CDMA:1

280,2

560and5

120ksymbol/s带宽TDMA:200,400,800,1

600,3

200and6

400kHzS-CDMA:1

600