接入网技术-第06章HFC接入技术

2023/2/4AccessNetwork(2009)12023/2/41接入网技术于 秦通信与信息工程学院网络工程系E-mail：yuqin@Office：61830521Mobile：138805080252023/2/4AccessNetwork(2009)2第6章：HFC接入技术引言CATV网络HFC网络基本结构电缆调解器(CableModem)电缆调解器的标准演变2023/2/4AccessNetwork(2009)3引言CATV网络有线电视运营商最重要、最普及的入户基础设施最初只使用50—550MHz频段提供单向广播电视业务但使用新技术，可使用其他剩余频段在CATV的基础上进行双向HFC改造保留原有CATV有线电视业务并可提供交互式数据业务Cablemodem

技术——一种典型的HFC接入技术2023/2/4AccessNetwork(2009)4第6章：HFC接入技术引言CATV网络HFC网络基本结构电缆调解器(CableModem)电缆调解器的标准演变2023/2/4AccessNetwork(2009)5CATV网络CATV——传统的有线电视网络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：同轴电缆或以同轴电缆为基础广播业务使用频段：50～550MHz复用技术：FDM模拟传输方式2023/2/4AccessNetwork(2009)6CATV网络网络组成：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、鱼骨状结构（分支结构）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2023/2/4AccessNetwork(2009)7CATV网络系统结构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信号分配器：将干线信号分成几路，覆盖更大范围(将干线信号分配到楼群、单元)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2023/2/4AccessNetwork(2009)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：鱼骨形结构，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，双向改造势在必行2023/2/4AccessNetwork(2009)9第6章：HFC接入技术引言CATV网络HFC网络基本结构电缆调解器(CableModem)电缆调解器的标准演变2023/2/4AccessNetwork(2009)10HFC网络HFC：光纤同轴混合网络HybridFiberCoax干线部分用光传输系统代替传统网络中的同轴电缆用户分配网仍保留同轴电缆网络结构可提供业务保留传统CATV单向电视广播业务利用加宽的频带提供宽带数据业务便于在原有CATV网络基础上进行双向改造网络中的放大器等有源器件均需双向改造2023/2/4AccessNetwork(2009)11双向的HFC网络结构光纤到服务区结构（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500～2000用户配线网下引线2023/2/4AccessNetwork(2009)12HFC网络结构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、Internet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2023/2/4AccessNetwork(2009)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双向交互式通信提供了网络条件通过CableModem可实现全业务通信（数、话、图）2023/2/4AccessNetwork(2009)14HFC的频谱划分地区f1f2f3f4f5f6北美5MHz42MHz88MHz550MHz860MHz1000MHz欧洲5MHz65MHz110MHz550MHz862MHz1000MHz中国5MHz65MHz65MHz550MHz750MHz1000MHz日本5MHz48MHz88MHz550MHz860MHz1000MHz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2023/2/4AccessNetwork(2009)15HFC网络特点及面临的问题特点共享介质、点到多点结构上行信道多干扰环境面临问题上行信道的分配问题（需要MAC协议）上行信道多干扰（各种噪声）安全性问题可靠性问题（单点故障）供电问题（户外设备供电）2023/2/4AccessNetwork(2009)16第6章：HFC接入技术引言CATV网络HFC网络基本结构电缆调解器(CableModem)电缆调解器的标准演变2023/2/4AccessNetwork(2009)17CableModem系统概述系统结构工作原理协议模型物理层MAC层2023/2/4AccessNetwork(2009)18CableModem系统概述CableModem：电缆调制解调器（简称CM）基于双向HFC的宽带接入技术频分复用，实现数据业务和传统CATV业务共存CATV（典型频段）：50—550MHzCM（典型频段）：5—42MHz，550—750MHzCM上、下行双向通信5—42MHz（上行）550—750MHz（下行）非对称速率方式下行最高42Mbps上行最高10Mbps(QPSK最高1.5Mbps)两种标准IEEE802.14，基于ATM传输DOCSIC，基于IP传输2023/2/4AccessNetwork(2009)19CableModem系统概述系统结构工作原理协议模型物理层MAC层2023/2/4AccessNetwork(2009)20CableModem的系统结构CMTS:CableModemTerminationSystem（头端电缆调解器端接系统）CM:CableModem（电缆调解器）InternetRouterCMTSHFCCM以太网接口以太网接口2023/2/4AccessNetwork(2009)21CableModem的系统结构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2023/2/4AccessNetwork(2009)22CableModem系统概述系统结构工作原理协议模型物理层MAC层2023/2/4AccessNetwork(2009)23工作原理每个CM都有一个ID（48位，制造商）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能在所有1～n个上行信道中的任何一个发送数据头端n信道下行上行11上行m信道22CableModem＃1CableModem＃2CableModem＃n2023/2/4AccessNetwork(2009)24CableModem工作过程描述(1)加电初始化与头端CMTS同步CM扫描所有下行信道，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）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上行信道描述符(UCD)：包含目前可用的上行信道CM根据所选上行信道的带宽分配MAP信息，在中指定的上行通路向头端发送注册请求消息注册认可，开始认证、密钥交换、测距、初始化2023/2/4AccessNetwork(2009)25CableModem工作过程描述(2)预约带宽传送数据CM向CMTS申请带宽，由CMTS分配CM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就一直处于在线状态2023/2/4AccessNetwork(2009)26CableModem系统概述系统结构工作原理协议模型物理层MAC层2023/2/4AccessNetwork(2009)27CM协议参考模型模型包括:物理层和MAC层承载的高层数据主要为两种ATM信元（802.14标准）LLCPDU（DOCSIC标准）CMTS

MACATMLLC其他接收PMD发送PMDCM

MACMAC层PHY层下行上行CMTSCMTC子层接收PMD发送PMDTC子层ATMLLC其他2023/2/4AccessNetwork(2009)28CableModem系统概述系统结构工作原理协议模型物理层MAC层2023/2/4AccessNetwork(2009)29CM物理层功能组成：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（下行数字信道）目的：提高下行解调的鲁棒性方便使用通用的接收硬件来同时接收视频和数据为今后在下行PMD比特流上实现对视频信号和数据的多路复用预留下扩展空间提供与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2023/2/4AccessNetwork(2009)30下行信道物理层下行信道物理层采用了ITU-TJ.83视频信号的数字传输附件B(ITU-TJ.83B)TC子层由连续的MPEG分组构成每个MPEG分组固定长度为188字节：4字节头部+184字节载荷DOCSIS载荷部分可以是数据MAC（DOC）、视频信息（Video），或是其它类型的数据2023/2/4AccessNetwork(2009)31MPEG分组格式PID用来区分载荷的类型对于数据MAC其对应的PID是0x1FFEMAC帧之间的空隙由填充字节(stuff_byte)来填满，0xFF作为填充字节指针域（pointer_field）是否有效是由MPEG头部的PUSI（payload_unit_start_indicator）比特来指示的当PUSI为l，那么MPEG分组头后的第一个字节为指针，它指示了CM在接收时必须跳过的字节数2023/2/4AccessNetwork(2009)32TC层支持PDU的定界MAC帧可以出现在MPEG分组的任意位置，它可以跨越多个MPEG分组，或是几个MAC帧合并在一个MPEG分组当中2023/2/4AccessNetwork(2009)33上行信道物理层通过FDMA将HFC网络上行带宽划分成多个RF信道，CM在指定的某个上行RF信道传输TDMA技术将每个上行的RF信道进一步划分成若干时隙，共享某条RF信道的CM通过动态分配时隙实现突发的数据传输上行帧结构：由小时隙（minislot）构成minislot是上行信道带宽分配的基本单位PDUPDURequestPDU去头端tminiSlotDataPDUPDUManagePDU2023/2/4AccessNetwork(2009)34上行信道物理层上行信道可承载三种PDU（不同的PDU在头部由不同的类型表示）RequestPDU用于CM请求上行带宽，含CMID，所需时隙数等DataPDU承载数据，可以是定长信元或变长帧ManagePDU用于测距、功率调整等RequestPDU去头端DataPDUManagePDU占多个时隙占1个时隙占多个时隙CM2023/2/4AccessNetwork(2009)35物理层的调制技术调制技术的选择满足抗干扰性能、提高信道利用率调制方式比较：QAM和QPSKQPSK的抗干扰性更好QAM的信道利用率高上下行的调制技术上行：16QAM、QPSK，抗干扰性能好下行：256QAM、64QAM，信道利用率高2023/2/4AccessNetwork(2009)36CableModem系统概述系统结构工作原理协议模型物理层MAC层2023/2/4AccessNetwork(2009)37MAC协议环境（上行信道）共享介质同一服务区的用户共享带宽需要介质访问控制（MAC）技术无法实现载波侦听（CSMA）收发信道完全分开很难实现分布式协调控制CMTS集中仲裁CMTS对多个CM进行集中控制2023/2/4AccessNetwork(2009)38CM的MAC层功能CM接入的合法性认证上行信道竞争的冲突分解CM带宽的请求、分配与管理MAC层最核心技术2023/2/4AccessNetwork(2009)39MAC层的运行机制上行总带宽由许多小时隙（minslot）表示CM向CMTS预约上行带宽，实现无竞争传送数据请求带宽发生冲突时，进行冲突分解IEEE802.14采用基于树的分解算法和P坚持DOCSIS采用二进制指数退避算法2023/2/4AccessNetwork(2009)40MAC层：上行带宽分配CM与CMTS交互实现CM向CMTS请求，由CMTS进行分配与管理专门请求＋捎带请求相结合CM有数据要发时CM先向头端CMTS申请带宽（小时隙数量）CMTS给CM指定上行发送小时隙CM在指定上行时隙内发送CM在发送数据时有新数据要发时直接在发送数据时捎带对新数据发送带宽的请求2023/2/4AccessNetwork(2009)41MAC层：带宽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(MAPPDU)的广播信息,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dataPDU（发送数据时是不会产生冲突的）2023/2/4AccessNetwork(2009)42MAC层带宽分配状态图Contendminislottosendrequest，waitACKReadyCollisionresolution

WaitforgrantDataPDUtransmissionwithpiggybackTrafficarrivalCollisionWaituntilgiventimeSuccessTrafficarrivalIdle2023/2/4AccessNetwork(2009)43MAC层带宽分配时序图t02023/2/4AccessNetwork(2009)44第6章：HFC接入技术引言CATV网络HFC网络基本结构电缆调解器(CableModem)电缆调解器的标准演变2023/2/4AccessNetwork(2009)45CM的标准演进IEEE802.141994年5月成立，2000年3月停止活动制定了标准草案：IEEE802.14a物理层采用ITU-TJ.83建议MAC层基于ATM信元，协议机制相当精致2023/2/4AccessNetwork(2009)46DOCSIS的标准演进DOCSIS1.0是由有线电视实验室（CableTelevisionLaboratories，CableLabs）于1998年年初发布1998年3月，DOCSIS1.0被ITU接受为国际标准1999年CableLabs发布了DOCSIS1.1版本，为1.0版本的扩展2001年12月CableLabs发表了DOCSIS2.0在1999～2002年期间，为适应双向HFC网络多功能业务开发的需求，在DOCSIS1.1标准的基础上，CableLabs先后发表了开放电缆（OpenCable）、数据包电缆（PacketCable）、电缆家庭（CableHome）等三个业务应用层面上的技术规范OpenCable经多次修改后发表于2001年4月～2002年2月，它描述了在DOCSIS1.1系统上接入多业务商用的用户驻地设备（CPE）的网络接口特性和规范，即在双向HFC网上建立开放式的业务应用平台（OpenCable1.0/2.0），以适应视、音频、数据及紧急发布系统（EAS）等多种业务开发的需求。PacketCable经多次修改后发表于2001年12月～2002年1月，它描述了在DOCSIS1.1系统上建立VoIP（PacketvoiceoverIPovercable）和视频会议（Packetvideoovercable）等通信业务的接口规范，即在双向光纤电缆混合（HFC）网上建立实时多媒体业