有线电视网络结构和HFC接入基础知识

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1、基于NGN的HFC接入网络报告提纲第1章 HFC产生21.1 背景21.1.1 有线电视网络基本特点21.1.2 有线电视网络演进过程21.2 现状3第2章 二、HFC网络技术概要52.1 原则简介52.1.1 概述52.1.2 DOCSIS/EuroDOCSIS演进和应用状况52.1.3 PACKETCABLE原则演进和应用状况62.2 回传系统建设（噪声，回传躁声问题的的克制，回传带宽的有效运用）62.3 双向数据实现原理DOCSIS/EuroDOCSIS62.3.1 系统构造62.3.2 通信合同框架72.3.3 物理层技术82.3.4 MAC层技术112.3.5 终端启动配备132.3

2、.6 CMTS管理132.4 话音业务实现原理PacketCable132.4.1 系统构造132.4.2 呼喊信令142.4.3 DQoS方案142.4.4 EMTA启动配备流程152.4.5 设备管理15第1章 HFC产生1.1 背景1.1.1 有线电视网络基本特点有线电视网和电话网是连接千家万户的两大网络，但是这两个网络的运营机制却是完全不同，在表1-1中对电话网与有线电视网进行了一种简朴的比较，以加深对有线电视网络的结识：表1-1 电话网与老式有线电视网对比电话网老式有线电视网传播信号形态二进制基带信号射频信号复用方式时分频分传播方式点对点双向连接点对多点单向广播接入网网络构造星型，点

3、对点树型/星型，共享顾客线双绞线（约1MHz）同轴电缆，（450MHz/550/750/860MHz）我们可以看到，老式的有线电视网是一种单向广播网络，网络中传播通过调制的模拟射频信号，不同的电视频道信号在网络中占用不同的频点来辨别开，其顾客接入同轴电缆具有远远高于电话线的频谱带宽。依赖于电视制式的不同，有线电视网络也有不同的原则之分，制式PALNTSC应用场合亚洲，欧洲美洲下行每个频道带宽8MHz6MHz上行频谱范畴565MHz542MHz下行频谱范畴80860MHz54860MHz1.1.2 有线电视网络演进过程初期的有线电视网络是基于完全的同轴电缆的网络，随着有线电视产业和信息技术的发展

4、，90年代初开始，在中国原有的同轴网络部分传播管道被改造为光纤，速率多为450/550MHz，就是我们一般所说的光纤同轴混合网，即HFC网（Hybrid Fiber Coax）。到90年代末期，原有的HFC网又掀起了一次改造浪潮，驱动力在于i. 原有HFC网络的老化需要更新ii. 顾客数的急剧增长导致网络需要调节iii. 双向高速数据业务的驱动iv. 数字电视的发展对网络提出了更高的规定，交互式数字视频也提出了双向化的需求。新改造网络的带宽多为750M/860MHz，与此同步，光节点越来越接近顾客，光纤距离变长，同轴距离缩短，更重要的是，单向的HFC网络逐渐被改造为双向HFC网，同步增长前端C

5、MTS和终端CM，即可以提供宽带接入服务。1.2 现状目前中国有线电视顾客网络覆盖顾客已经超过一亿，其中已有约10的网络进行了双向改造。目前大中都市典型的单向网络构造：1310二级光纤网STBTV-setRF放大器总前端本地节目卫星转播节目节目数字电视节目1550/1310一级光纤环网逻辑构造:星型,树型分前端分前端分前端光节点光节点1310二级光纤网1310二级光纤网经改造后小规模开展数据业务时，一般CMTS在总前端，典型组网如图所示：1310二级光纤网STBTV-setRF双向放大器总前端本地节目卫星转播节目节目数字电视节目1550/1310一级光纤环网逻辑构造:星型,树型分前端分前端分前

6、端光节点光节点1310二级光纤网1310二级光纤网InternetCMCMCMTS光节点光节点光节点CableRouter随着数据业务规模增长，数据城域网建设完毕，大规模开展数据业务的典型组网：1310二级光纤网STBTV-setRF双向放大器总前端本地节目卫星转播节目节目数字电视节目1550/1310一级光纤环网逻辑构造:星型,树型分前端分前端分前端光节点光节点1310二级光纤网1310二级光纤网InternetCMCMCMTSCMTSCMTS数据城域网光节点光节点Router第2章 二、HFC网络技术概要2.1 原则简介2.1.1 概述网络发展的同步，原则的进展也非常迅速。CableLab

7、s组织制定的DOCSIS/EuroDOCSIS和PacketCable原则已经成为事实上的国际原则：DOCSIS/EuroDOCSIS原则完善地定义了在HFC上进行高速数据通信的机制，并且得到非常成熟的应用。PacketCable原则定义了基于DOCSIS原则所定义的双向高速HFC数据网开展实时业务的系统框架、合同体系、各个部件接口，基于该原则的业务目前处在规模实验局阶段。中国广电总局原则化所正在制定HFC数据传播原则，目前已经到等待审查阶段，估计在今年终前会正式发布，从技术上该原则兼容EuroDOCSIS1.1/1.0。中国广电原则化所已经发布上行通道建设原则HFC网络上行传播物理通道技术规

8、范，该原则对指引双向改造有技术上的指引作用。2.1.2 DOCSIS/EuroDOCSIS演进和应用状况1997年，CableLabs发布原则DOCSIS1.0，该版本定义了基于NTSC的有线电视网络的HFC的宽带数据接入的系统框架、通信合同（重点在MAC层和物理层），各个设备的接口，系统的管理维护接口。随后，发布了基于PAL制的EuroDOCSIS1.0原则，该原则和DOCSIS1.0的核心完全同样，不同之处只是在于物理层频谱划分方案不同（参见第一章的阐明）。，CableLabs发布了DOCSIS1.1/EuroDOCSIS1.1，该原则兼容DOCSIS/EuroDOCSIS1.0，增长定义

9、了完善的QoS保障机制以支撑多种不同传播特点的业务，以及提高HFC MAC传播效率的级联和包头压缩机制。，在Terayon公司的大力推动下，CableLabs发布了DOCSIS2.0原则，该原则增长定义了上行物理层的SCDMA和ATDMA方式。但是由于独家技术和作用不明显的因素，该跟随该原则的厂家很少，同步应用也不多。DOCSIS/EuroDOCSIS在全球特别时北美、欧洲、韩国、日本得到广泛的应用，以北美为例，截至底，CM顾客已经达到1300万，是xDSL顾客的2倍。可以说，DOCSIS的数据应用已经非常成熟。Res DSL顾客数CM顾客数总顾客数CM比例美国顾客数量5,451,54011,

10、265,16716,716,70767.39%加拿大顾客数量1,404,9001,954,9003,359,80058.19%北美总顾客数量6,856,44013,220,06720,076,50765.85%2.1.3 PACKETCABLE原则演进和应用状况CableLabs在发布了PacketCable1.0，该原则定义了在DOCSIS1.1网络上传播话音的系统框架、呼喊信令、编解码、QoS机制、安全机制等。到目前为止，仍然没有完全符合PacketCable商业VoIP应用，目前大多停留在规模实验局阶段，采用的技术一般是PacketCable的一部分。下面列举部分海外运营商运用HFC提供

11、VoIP业务的信息：u 北美Time Warner：今年夏天开始field test。n Primary line，市话长途包月39.95，目前支持911，没有后备电源，正在考虑线路馈电的可行性n Second-line，基本价格9.95，超过呼喊准时收费u 北美 Cablevision Systems ：今年夏天开始field testn Second-line,市话长途包月34.95u 北美Comcast：正在作Primary line的field test，覆盖18万家庭u 北美Cox：刚启动VoIP的field testu 欧洲callahan：field test，目前大概有8K顾客

12、，采用DOCSIS1.1和部分PacketCable技术。2.2 回传系统建设（噪声，回传躁声问题的的克制，回传带宽的有效运用）中国广电已经发布行业原则HFC网络上线传播物理通道技术规范，该原则可以有效指引双向改造。事实上，由于技术的发展，上行通道噪声问题是可以解决的。2.3 双向数据实现原理DOCSIS/EuroDOCSIS2.3.1 系统构造HFC数据接入系统重要设备涉及：电缆调制解调局端设备CMTS（Cable Modem Termination System）、操作支持系统OSS（Operation Support System）和电缆调制解调器CM（Cable Modem）等。CMT

13、S：HFC网络数据接入局端设备，是数据网络和HFC模拟射频网络的连接设备，重要完毕网络数据的转发、合同解决以及射频调制解调等功能。操作支持系统服务器（OSS Server）：OSS服务器提供网络的设备管理和CM 的启动配备Provisioning服务器，OSS由DHCP、TFTP、ToD、LOG、SNMP服务器构成CM：连接HFC网和顾客终端，重要完毕的功能涉及HFC网和顾客数据网络（或者数据设备）之间的数据转发、合同解决以及调制解调等功能。HFC数据接入系统基本构造如图2-1所示：图2-1 HFC数据接入系统基本构成2.3.2 通信合同框架DOCSIS定义的通信合同是基于IP的，CMTS和C

14、M所支持的合同如图所示，在这个合同栈中，核心的部分在于基于HFC的物理层和MAC层通信合同。CMTS可以作为二层或者三层的转发设备，CM为二层转发设备。2.3.3 物理层技术运用HFC网构造通信网的基本技术是数字调制技术，即通过变化射频载波的相位、频率或者幅度，使射频的带通信号携带了丰富的二进制信息。或者简朴地说，数字调制技术就是二进制数字信号和模拟带通信号的一种转换技术。数字调制也称为“键控”，常用的调制措施涉及：幅移键控（ASK），频移键控（FSK），相移键控（PSK）及它们的改善与变形。其中由于相移键控（多相相移键控）具有较高的频谱运用率，较强的抗干扰性能而在通信系统中得到了广泛地应用，

15、成为一种重要的调制方式。特别是四相相移键控QPSK，下面就以QPSK为例来建立数字调制的基本概念。QPSK是一种恒定包络的数字调制，这就意味着调制载波的相位随着调制信号的1或0而变化，而它的幅度是不发生变化的。四相相移键控有四种不同的调制相位，每一种相位相应着不同的输入，分别为：00、01、10、11。表2-2QPSK的也许的相位相应表；表2-2 QPSK的相位相应表二进制输入QPSKQ I0 00 11 01 1输出相位-135-45+135+45用调制信号的矢量端点分布图来表达调制状况的图称为星座图。星座图中定义了一种调制技术的两个基本参数：(1) 调制信号相对于载波的幅度和相位的变化，星

16、座点到原点的距离表达调制信号的幅度，星座点相对于水平正半轴的旋转角度表达调制信号相对于载波的相位变化；(2) 星座点与调制数字比特之间的相应关系，称为“映射”，即每个星座点相应多种比特的二进制信息。一种调制技术的特性可以由信号分布和映射关系来完全定义，也就可以由星座图来完全体现。QPSK调制方式的星座图，如图2-2所示：图2-2 QPSK调制方式的星座图QPSK调制只运用了载波的相位，因此它的星座点只分布在半径相似的圆周上。为了进一步增长传播信号的数据率，提高频谱的运用率。HFC数据接入系统中还采用了正交幅度调制（QAM）。QAM是对载波的振幅和相位同步进行数字调制的一种复合调制方式。例如，图

17、2-3是64QAM的星座图：图2-3 64QAM的星座图64QAM的星座图中有64个星座点，每个星座点映射了6个比特，同步这些星座点也相应了载波的64种幅度和相位的不同组合。在调制解调的过程中，就是根据星座图来对载波信号和信息数据比特来进行转换的。相似的，M-QAM即正交幅度调制中载波矢量的端点个数为M。其中M可以等于4,16,32,64,128等等。M-QAM的调制方式可以调制（log2M）个比特。当M=4时，4QAM和QPSK的星座图相似。M-QAM同步运用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相似的条件下，QAM星座图中可以容纳更多的星座点，可实现更高的调制效率和频带运用率。多

18、种不同的调制方式具有不同的抗干扰性能。调制方式的抗干扰性可由相邻星座点之间的最小距离来衡量，最小距离越大，抵御噪声等干扰的能力越强。QAM调制的星座点之间的最小距离不不小于PSK方式，因此其抗干扰性不如PSK方式。例如，要同样达到107误码率，256QAM方式规定的信噪比要远高于QPSK方式。多种调制方式与误码率之间的相应关系见图2-4：图2-4 调制方式和误码率在HFC数据接入系统中，上行信道的噪声干扰较为严重，因此采用了抗干扰性能较强的QPSK或16QAM作为其调制方式；下行信道的传播环境比较抱负，数据传播的需求也相对较大，因此可以采用调制效率较高的64QAM或256QAM调制方式。0表达

19、了在HFC系统中采用的多种调制方式与传送的数据率的相应关系：调制方式带宽符号率数据速率净载速率下行QAM-256 8b/Sym6MHz5.36MSps42.88Mbit/s约38Mbit/s8MHz6.952MSps55.62Mbit/s约51Mbit/sQAM-64 6b/Sym6MHz5.057MSps30.34Mbit/s约27Mbit/s8MHz6.952MSps41.7Mbit/s约36Mbit/s上行QAM-16 4b/Sym0.2MHz0.16MSps0.64Mbit/s约0.5Mbit/s0.4MHz0.32MSps1.28Mbit/s约1.1Mbit/s0.8MHz0.64M

20、Sps2.56Mbit/s约2.3Mbit/s1.6MHz1.28MSps5.12Mbit/s约4.6Mbit/s3.2MHz2.56MSps10.24Mbit/s约9Mbit/sQPSK 2b/Sym0.2MHz0.16MSps0.32Mbit/s约0.288Mbit/s0.4MHz0.32MSps0.64Mbit/s约0.575Mbit/s0.8MHz0.64MSps1.28Mbit/s约1.15Mbit/s1.6MHz1.28MSps2.56Mbit/s约2.3Mbit/s3.2MHz2.56MSps5.12Mbit/s约4.6Mbit/s表2-3 数据调制方式和速率对照表我们可以看到，

21、HFC支持多种带宽的上行信号，这样可以给设备提供更多的选择，在不同的噪声环境下采用不同的带宽。同步我们可以看到每个上行通道的带宽和传播速率都低于下行通道，在实际产品设计中，CMTS一般设计为1下4上或者1下6上，以获得上下行速率的对称。2.3.4 MAC层技术由于HFC这种介质的特点，其MAC层技术是非常独特的：一方面看看下行通道：我们懂得有线电视网络是频分复用的网络，同样的，CMTS下行输出信号间或者CMTS输出信号和有线电视信号间是通过不同频谱来辨别的。由于一种CMTS的下行信号会发给多种CM，因此在信道内部则是采用时分复用的方式。由于HFC网络是向下广播的网络，所如下行MAC控制是非常简

22、朴的，CMTS将下行报文打到MPEGII的幀中发送，CM作为二层转发设备，有选择地接受目的地址是该CM的或者该CM所带的CPE的报文。CMTSCMCMCMMPEG数据流HFC网络上行通道间一般通过频分或者空分（星型组网、线路隔离）的方式来辨别，对于同一种信道内部的不同CM间的数据发送，仍然采用时分复用的方式，但是由于上行数据，事实上是一种多点到一点的模式，因此多种CM间必须存在调度机制，使多种CM可以有序的发送数据，DOCSIS1.0定义了这样一种模式：所有上行通道时间由CMTS统一管理和分派，CMTS和CM存在MAC管理报文。CM在发送数据之前必须先公共时段发送申请报文，CMTS接受到申请报

23、文后，通过算法调度，将时间端分派给合适的CM，并将所有上行通道的时间段分派信息在下行通道广播，CM受到该报文，并在指定的时间段发送数据，这样CM间就不会发生发送碰撞的也许了。的道端SII的基本技术就OCSIS1.0固然公共时段的申请报文发送是存在碰撞也许的，DOCSIS定义了类似于802.3以太的碰撞退避机制。CMTSCMCMCM（1）申请发送时隙（2）分派时隙（3）发送数据固然这种申请分派发送的机制无法提供QoS保证，因此在DOCSIS1.1原则里又具体定义了QoS保证的机制。HFC的QoS保证机制基于面向连接的方式，通过CM的配备文献定义特定业务流SF的分类原则和QoS参数，在合适的时候，

24、CM或者CMTS申请增长该业务流或者激活业务流，一旦该业务流激活，CMTS将自动定期为该CM的SF分派符合QoS参数的时间段，在合适的时候，CMTS或者CM也可以申请删除该业务流。举一种例子，如果某个CM需要支持VoIP业务，则可以在CM配备文献中为该CM配备一种UGS类型的业务流，一旦该业务流激活，CMTS自动每隔10ms为该SF分派一定长度的时间段，CM将话音包在该时间段内发送，这样可以在HFC段获得非常接近PSTN的质量保证。CMTSCM/MTA（4）CMTS根据SF1参数，自动定期为CM分派合适的时间段（2）申请增长保证服务质量的业务流(SF1)（3）申请激活SF1OSS（1）配备文献

25、下发授权的保证服务质量的业务流SF1DOCSIS1.1所定义的上行业务流类型涉及：类型阐明应用举例UGS定期分派固定长度时隙VoIPUGSAD定期分派固定长度时隙，带静音检测VoIP，支持静音检测Rt-Polling定期分派申请时隙IP视频业务Nrt-Polling不定期分派申请时隙FTP等应用BestEffort竭力传送宽带数据2.3.5 终端启动配备DOCSIS定义了完善的CM启动配备流程，在这个过程中，CM真正成为一种零配备的设备，因此的运营参数都是通过上电启动配备流程动态获取。这个定义是HFC网络终端成为可以管理的终端，对HFC接入的规模应用起到了非常重要的作用。2.3.6 CMTS管

26、理DOCSIS原则还定义了CMTS和CM的SNMP网管MIB。2.4 话音业务实现原理PacketCable2.4.1 系统构造PacketCable定义的系统构造如下图所示，系统中除了DOCSIS1.1所定义的CMTS和CM，还涉及呼喊管理服务器CMS（一般的产品形态就是SOTFX）、媒体网关控制器MGC、媒体网关MG、信令网关SG、一系列服务器构成的OSS服务器和媒体终端适配器MTA（类似IAD）。终端形态一般涉及两种：EMTA和SMTA。所谓EMTA，是将CM和MTA集成在一起的终端设备，所谓SMTA是指单独的MTA设备。事实上，迄今为止，PacketCable只是对基于EMTA的组网作

27、了各个接口的具体定义。2.4.2 呼喊信令PacketCable定义EMTA和CMS之间的呼喊信令为NCS，NCS是基于MGCP1.0，针对Cable应用和QoS需要，做了少量的限制和扩展而成。2.4.3 DQoS方案PacketCable定义了基于DOCSIS1.1实现动态QoS的机制：CMS内置QoS方略模块GC（类似于方略服务器），CMTS内置Gate模块，在话音信令变化过程中，CMS感知到动态信令状态的变化，并通过COPS接口向CMTS进行基于该业务的QoS授权；E-MTA感知到信令变化后在合适的时候向CMTS发起DOCSIS1.1 SF 连接增长或者激活申请，CMTS根据CMS授权信

28、息接纳或者回绝EMTA的申请。CMS GCCMTSE-MTAGateCOPS,CMS感知业务并向CMTS作动态QoS授权DOCSIS1.1,终端感知业务并发起维护QoS保证的业务流连接2.4.4 EMTA启动配备流程EMTA启动配备涉及两部分：CM启动配备和MTA启动配备。CM启动配备流程参见前面DOCSIS的简介MTA的启动配备过程见下图所示，同样的，这个定义是全球最早的针对NGN终端启动流程的具体定义，将对VoIP规模应用起到重要的作用。MTAKDCServerDNSServerTFTPServerDHCPServerProvisioningServer(1)获取IP地址及域名(2)解析KDC地址(3)获取密钥(4)生成配备文献并配备TFTP服务器名,途径,配备文献文献名(6)下载配备文献(5)解析TFTP服务器IP地址