第5章HFC接入技术

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1、1 1接入网技术接入网技术第第5章章 HFC接入技术接入技术接入网技术接入网技术2 2教学重点与要求教学重点与要求n教学重点教学重点n介绍介绍CATV网络的结构及局限性网络的结构及局限性n介绍双向介绍双向HFC网络的结构以及网络环境网络的结构以及网络环境n重点强调重点强调Cable Modem技术：技术：n接入结构、工作原理、技术要点、技术标准接入结构、工作原理、技术要点、技术标准n要求要求n了解了解CATV网络的结构及局限性网络的结构及局限性n掌握掌握HFC网络的结构以及特点网络的结构以及特点n掌握掌握Cable Modem接入结构、工作原理及技术要点接入结构、工作原理及技术要点n了解了解C

2、able Modem技术标准及发展趋势技术标准及发展趋势接入网技术接入网技术3 35.1 引言引言nCATV网络网络n有线电视运营商最重要、最普及的入户基础设施有线电视运营商最重要、最普及的入户基础设施n最初只使用最初只使用50550MHz频段提供单向广播电频段提供单向广播电视业务视业务n但使用新技术，可使用其他剩余频段但使用新技术，可使用其他剩余频段n在在CATV的基础上进行双向的基础上进行双向HFC改造改造n保留原有保留原有CATV有线电视业务有线电视业务n并可提供交互式数据业务并可提供交互式数据业务nCable modem 技术技术一种典型的一种典型的HFC接接入技术入技术接入网技术接入

3、网技术4 45.2 CATV网络网络nCATV传统的有线电视网络传统的有线电视网络nCATV的特点的特点 n为特定的业务设计为特定的业务设计n将广播视频业务传送到家而优化设计将广播视频业务传送到家而优化设计n通信方式：单向（下行）、广播式通信方式：单向（下行）、广播式n介质：同轴电缆或以同轴电缆为基础介质：同轴电缆或以同轴电缆为基础n广播业务使用频段：广播业务使用频段：50550MHzn复用技术：复用技术：FDMn模拟传输方式模拟传输方式接入网技术接入网技术5 5n组成组成n网络组成：头端、干线网、配线网、下引线网络组成：头端、干线网、配线网、下引线n设备组成：头端设备、放大器、分配器、分支器

4、设备组成：头端设备、放大器、分配器、分支器n拓扑结构：树状、鱼骨状结构（分支结构）拓扑结构：树状、鱼骨状结构（分支结构）CATV网络的系统结构网络的系统结构视频信号视频信号 接收机接收机 合合路路器器 信信号号分分配配器器分支器分支器配线网配线网头端头端干线网干线网单向放大器单向放大器15km15km下引线下引线主配线主配线接入网技术接入网技术6 6系统结构说明系统结构说明n头端头端n信号的接收与处理中心信号的接收与处理中心n接收来自各种信号源的电视信号（卫星、本地）接收来自各种信号源的电视信号（卫星、本地）n 将接收到的各路信号调制到一个将接收到的各路信号调制到一个6（8）MHz频道频道n

5、通过通过FDM合路器下传到干线，最终送到千家万户合路器下传到干线，最终送到千家万户n干线（网）干线（网）n连接头端和信号分配点之间的电缆与设备连接头端和信号分配点之间的电缆与设备n（信号分配器、同轴缆、放大器、分支器）（信号分配器、同轴缆、放大器、分支器）n距离一般为距离一般为15kmn信号分配器：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成几路，覆盖更大范围n配线：配线：连接信号分配点与分支器，中间有放大器连接信号分配点与分支器，中间有放大器n分支器：分支器：用户的接入点用户的接入点n下引线（引入线）：下引线（引入线）：用户接入线缆用户接入线缆n放大器：放大器：对信号放大，使信

6、号能达到更大的范围对信号放大，使信号能达到更大的范围接入网技术接入网技术7 7CATV网络的局限性网络的局限性n业务单一：业务单一：视频视频n单向通信：单向通信：只能下行通信，不能双向交互只能下行通信，不能双向交互n网络结构脆弱：网络结构脆弱：鱼骨形结构，只要一个地方或设鱼骨形结构，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备故障，可能导致中断对众多用户的服务传统的传统的CATVCATV已不能满足现代业务（交互式、综已不能满足现代业务（交互式、综合业务）的要求，双向改造势在必行合业务）的要求，双向改造势在必行接入网技术接入网技术8 85.3 HFC网络网络nHFC HFC：Hybri

7、d Fiber CoaxHybrid Fiber Coax 混合的光纤同轴电缆混合的光纤同轴电缆n在原有在原有CATVCATV基础上进行双向改造基础上进行双向改造n干线部分：光传输系统代替干线部分：光传输系统代替CATV中的同轴电缆中的同轴电缆n用户分配网：仍保留同轴电缆网络结构，但放大用户分配网：仍保留同轴电缆网络结构，但放大 器改成双向的器改成双向的n可提供业务可提供业务n保留原有保留原有CATV单向电视广播业务单向电视广播业务n利用剩余频带提供宽带数据业务利用剩余频带提供宽带数据业务接入网技术接入网技术9 9双向的双向的HFC网络结构网络结构n光纤到服务区结构（光纤到服务区结构（FSA)

8、n每个服务区物理上为一个独立的子网，不同的服务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，彼此不干扰区可采用相同的频谱，彼此不干扰头端头端电话网电话网因特网因特网 双向双向 放大器放大器 视频视频 信号信号光纤光纤同轴缆同轴缆服务区服务区光纤光纤干线网干线网光节点光节点50050020002000用户用户配线网配线网下引线下引线 接入网技术接入网技术1010结构说明结构说明n头端头端n信号的接收与处理中心信号的接收与处理中心n接收来自各种信号源的电视信号（卫星、本地）接收来自各种信号源的电视信号（卫星、本地）n接入到接入到PSTN、Internetn光纤干线网光纤干线网n头

9、端到服务区光节点之间的部分（光纤）头端到服务区光节点之间的部分（光纤）n拓扑结构为星形拓扑结构为星形n配线网和下引线配线网和下引线n完全同完全同CATV（放大器除外）（放大器除外）n配线网的拓扑结构为树形配线网的拓扑结构为树形接入网技术接入网技术1111HFC对对CATV的改进的改进n主干采用光纤代替同轴电缆和放大器主干采用光纤代替同轴电缆和放大器n引入光节点引入光节点光纤与配线网的接口（光光纤与配线网的接口（光/电变换及反电变换及反变换）变换）n双向放大器代替原有单向放大器双向放大器代替原有单向放大器n重建头端重建头端l增加接入增加接入PSTN的设备（的设备（DLC或或PSTN交换机）交换机

10、）l增加接入增加接入Internet的设备（的设备（Router或网关）或网关）l保留原视频接收机保留原视频接收机l增加话音、数据、视频合路和分离的设备增加话音、数据、视频合路和分离的设备l增加光发射器和光接收器增加光发射器和光接收器l增加网络管理设备或接口增加网络管理设备或接口接入网技术接入网技术1212双向双向HFC的优势的优势n取消主干上的放大器，提高信号质量和可取消主干上的放大器，提高信号质量和可靠性。靠性。n在主干上采用光纤，提高了容量，为宽带在主干上采用光纤，提高了容量，为宽带接入奠定了基础。接入奠定了基础。n为双向交互式通信提供了网络条件。为双向交互式通信提供了网络条件。n通过通

11、过Cable Modem可实现全业务通信可实现全业务通信（数、话、图）（数、话、图）接入网技术接入网技术1313HFC的频谱划分的频谱划分上行信道上行信道CATVCATV业务业务数字下行数字下行f ff1f1下行信道下行信道数字上行数字上行 f2f2 f3f3f4f4f5f5f6f6个人通信个人通信地区地区 f1（MHz）f2（MHz）f3（MHz）f4（MHz）f5（MHz）f6（MHz）北美北美 5 42 88 550 860 1000欧洲欧洲 5 65 110 550 862 1000中国中国 5 65 65 550 750 1000 日本日本 5 48 88 550 860 1000接

12、入网技术接入网技术1414HFC网络特点及面临的问题网络特点及面临的问题n特点特点n共享介质、点到多点结构共享介质、点到多点结构n上行信道多干扰环境上行信道多干扰环境n面临问题面临问题n上行信道的分配问题（需要上行信道的分配问题（需要MAC协议）协议）n上行信道多干扰（各种噪声）上行信道多干扰（各种噪声）n安全性问题安全性问题n可靠性问题（单点故障）可靠性问题（单点故障）n供电问题（户外设备供电）供电问题（户外设备供电）接入网技术接入网技术15155.4 Cable Modemn系统概述系统概述n系统结构系统结构n工作原理工作原理n协议模型协议模型n物理层物理层nMAC层层接入网技术接入网技术

13、1616Cable Modem系统概述系统概述nCable ModemCable Modem：电缆调制解调器（简称：电缆调制解调器（简称CMCM）n基于双向基于双向HFCHFC的宽带接入技术的宽带接入技术n频分复用，实现频分复用，实现n数据业务和传统数据业务和传统CATVCATV业务共存业务共存nCATVCATV：典型频段：典型频段：5050550MHz550MHznCMCM：典型频段：典型频段：5 542MHz42MHz，550550750MHz750MHznCMCM上、下行双向通信上、下行双向通信n5 542MHz42MHz（上行）（上行）550550750MHz750MHz（下行）（下行

14、）n非对称速率方式非对称速率方式n下行下行 最高最高42Mbps42Mbpsn上行上行 最高最高10M 10M bps(QPSKbps(QPSK 最高最高1.5Mbps)1.5Mbps)n两种标准两种标准nIEEE802.14IEEE802.14，基于，基于ATMATM传输传输nDOCSICDOCSIC，基于，基于IPIP传输传输接入网技术接入网技术1717Cable Modem的系统结构的系统结构nCMTS:Cable Modem Termination Systemn头端电缆调解器头端电缆调解器nCM:Cable Modemn电缆调解器电缆调解器InternetRouterRouterCM

15、TSCMTSHFCC MC M接入网技术接入网技术1818系统结构说明系统结构说明nCM:电缆调解器电缆调解器 n连接用户的连接用户的PC与与HFC网络网络n对网络和用户数据进行调制对网络和用户数据进行调制/解调，并传输解调，并传输n实现网络与用户数据的双向交互实现网络与用户数据的双向交互nCMTS:头端设备头端设备n连接数据网与连接数据网与HFCn对数据的调制对数据的调制/解调与传输，对所有解调与传输，对所有CM的接入进的接入进行控制（认证许可）行控制（认证许可）n给给CM分配带宽并进行管理分配带宽并进行管理接入网技术接入网技术1919Cable Modem工作原理工作原理每个每个CM都有一

16、个都有一个ID（48位，制造商定）。位，制造商定）。CM的接收器能调谐到所有的接收器能调谐到所有m个下行信道的任何一个个下行信道的任何一个接收数据接收数据CM能在所有能在所有1n个上行信道中的任何一个发送数据个上行信道中的任何一个发送数据CM发送数据前要向发送数据前要向CMTS申请带宽（发送时隙数）申请带宽（发送时隙数）头端头端CMTSCMTSm m信道信道n n信道信道下行下行上行上行1 11 1Cable Cable ModemModem1 1Cable Cable ModemModem2 2Cable Cable ModemModemx x上行上行接入网技术接入网技术2020Cable

17、Modem工作过程描述工作过程描述n加电初始化加电初始化n与头端与头端CMTS同步同步nCM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）n一般一般CM首选对上次使用过的频道进行搜索（内存保存）首选对上次使用过的频道进行搜索（内存保存）n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nCM收到头端发来的上行信道传输参数收到头端发来的上行信道传输参数nCM根据参数中指定的上行通路向头端发送注册请求消息根据参数中指定的上行通路向头端发送注册请求消息n注册认可，开始认证、密钥交换、测距、初始化注册认可，开始认证、密钥交换、测距、初始化n预约带宽传送

18、数据预约带宽传送数据nCM向向CMTS申请带宽，由申请带宽，由CMTS分配分配nCM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 只要不断电，只要不断电，CM就一直处于在线状态就一直处于在线状态接入网技术接入网技术2121CM协议参考模型协议参考模型CMTS MACMACATMATMLLCLLC其他其他接收接收PMDPMD发送发送PMDPMDCM MACMACMACMAC层层PHYPHY层层下行下行上行上行CMTSCMTSCMCM TCTC子层子层接收接收PMDPMD发送发送PMDPMDTCTC子层子层ATMATMLLCLLC其他其他n模型包括模型包括:物理

19、层和物理层和MAC层层n承载的高层数据主要为两种承载的高层数据主要为两种nATM信元（信元（802.14标准）标准）nLLC PDU（DOCSIC标准）标准）接入网技术接入网技术2222CM物理层物理层功能功能n两种标准的物理层都采用两种标准的物理层都采用J.83标准标准n组成：组成：PMDPMD子层、子层、TCTC子层子层nPMDPMD子层：物理介质相关子层子层：物理介质相关子层n分为上行分为上行PMDPMD（接收（接收PMD)PMD)和下行和下行PMDPMD（发送（发送PMD)PMD)n提供物理接口、信号的调制提供物理接口、信号的调制/解调、比特流同步等解调、比特流同步等nTCTC子层：传

20、输会聚子层子层：传输会聚子层n提供与提供与MACMAC的接口，对的接口，对MACMAC帧进行分片与重组帧进行分片与重组n形成在信道上传输的格式形成在信道上传输的格式nPDUPDU的定界的定界n完成同步、测距和功率调整完成同步、测距和功率调整n同步：同步：定期接收头端的广播的参考时钟，并调整本地时钟定期接收头端的广播的参考时钟，并调整本地时钟n测距：测距：均衡时延（各均衡时延（各CMCM到到CMTSCMTS距离不等），避免时隙重叠距离不等），避免时隙重叠n功率调整：功率调整：为了使为了使 各各CMCM到到CMTSCMTS的电平基本相同的电平基本相同接入网技术接入网技术2323CM技术物理层技术物

21、理层调制技术调制技术n选择何种调制技术主要从信道利用率和抗干选择何种调制技术主要从信道利用率和抗干扰性能考虑扰性能考虑nCable Modem的调制方式为的调制方式为QAM和和QPSKn上行：上行：QPSK、16QAMn下行：下行：64QAM、256QAMnQAM的信道利用率比的信道利用率比QPSK高，但高，但QPSK的的抗干扰性更好抗干扰性更好接入网技术接入网技术2424CM技术物理层技术物理层下行帧结构下行帧结构n下行帧结构为下行帧结构为MPEG-2帧帧nMPEG：Motion Picture Experts Group compression algorithm 2 运动图像专家压缩算法

22、运动图像专家压缩算法 2n一个一个MPEG由头部和载荷组成（共由头部和载荷组成（共188字节）字节）n基于基于ATM的的CM：4个字节头部个字节头部+184字节载荷字节载荷n基于基于IP的的CM 4个字节头部个字节头部+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 n一一个个MPEG可以封装多个可以封装多个MAC帧帧n一个一个MAC帧可能被分片，由多个帧可能被分片，由多个MPEG帧承载帧承载接入网技术接入网技术2525CM技术物理层技术物理层下行帧结构下行帧结构PID指针指针MAC PDUMAC PDU4字节字节184字节字节协议协议ID0XIFFD：基于基于ATM0

23、XIFFE：基于基于IP对于对于IP的的CM，确，确定定MAC PDU的的边界，占边界，占1字节，字节，可选项。对于基可选项。对于基于于ATM的的CM，没有此项没有此项PDU的定的定界界接入网技术接入网技术2626CM技术物理层技术物理层上行帧结构上行帧结构n上行帧结构为小时隙流上行帧结构为小时隙流n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）n带宽请求带宽请求PDU：Request PDU(miniPDU)，占，占1个个minislotn数据数据PDU：data PDU，一般占多个，一般占多个minislotn管理信息管理信息PDU：manage PDU，占

24、多个时隙，占多个时隙n不同的不同的PDUPDU在头部由不同的类型表示在头部由不同的类型表示Request PDU去头端去头端Data PDUManage PDU占多个时隙占多个时隙占占1个时隙个时隙占多个时隙占多个时隙CM接入网技术接入网技术2727CM物理层物理层上行信道划分上行信道划分n上行信道划分：上行信道划分：FDMA+TDMAFDMA+TDMAn每个小时隙是上行信道带宽的基本单位每个小时隙是上行信道带宽的基本单位nRequest PDU:Request PDU:用于用于CMCM请求上行带宽，含请求上行带宽，含CM IDCM ID，所需时隙数等，所需时隙数等nData PDUData

25、PDU：ATMATM信元（信元（802.14 802.14 标准）或标准）或LLC PDULLC PDU（DOCSIS)DOCSIS)nManage PDUManage PDU：用于测距、功率调整等：用于测距、功率调整等f.上行信道上行信道.PDUPDURequest PDU去头端去头端tminiSlotData PDUPDUManage PDU接入网技术接入网技术2828CM的的MAC层层上行带宽请求与分配上行带宽请求与分配nCM与与CMTS交互实现交互实现nCM向向CMTS请求，由请求，由CMTS进行分配与管理进行分配与管理n专门请求捎带请求相结合专门请求捎带请求相结合nCM有数据要发时有

26、数据要发时nCM先向头端先向头端CMTS申请带宽（小时隙数量）申请带宽（小时隙数量）nCMTS给给CM指定上行发送小时隙指定上行发送小时隙nCM在指定上行时隙内发送在指定上行时隙内发送nCM在发送数据时有新数据要发时在发送数据时有新数据要发时n直接在发送数据时捎带对新数据发送带宽的请求直接在发送数据时捎带对新数据发送带宽的请求接入网技术接入网技术2929CM的的MAC层层上行带宽请求与分配上行带宽请求与分配n带宽请求与分配过程描述带宽请求与分配过程描述n待发数据的待发数据的CM，从下行信道获取头端对上行带宽，从下行信道获取头端对上行带宽分配的广播信息分配的广播信息(MAP PDU),从中选取一

27、个空闲的从中选取一个空闲的minislot，CM通过上行信道在选取的通过上行信道在选取的minslot内内发送一个发送一个request n如果请求冲突，则按某种算法进行冲突分解，并再如果请求冲突，则按某种算法进行冲突分解，并再次请求次请求n请求成功，会收到正确的请求成功，会收到正确的ACK，对，对CM的发送时刻的发送时刻及允许发送的及允许发送的minislot个数（可能与申请的个数相个数（可能与申请的个数相同，也可不同）同，也可不同）nCM根据分配信息，在指定的上行时隙内发送根据分配信息，在指定的上行时隙内发送data PDU（发送数据时是不会产生冲突的）（发送数据时是不会产生冲突的）接入网

28、技术接入网技术3030带宽请求与分配过程（自学）带宽请求与分配过程（自学）Contend minislot to send request，wait ACK ReadyCollision resolution Wait for grant Data PDU transmission with piggybackTraffic arrivalCollisionWait until given time SuccessTraffic arrivalIdle专门的带宽专门的带宽请求捎带请求捎带请求相结合请求相结合接入网技术接入网技术31315.5 Cable Modem的标准演进的标准演进nIEEE

29、 802.14n1994年年5月成立，月成立，2000年年3月停止活动月停止活动n制定了标准草案：制定了标准草案：802.14an物理层采用物理层采用ITU-T J.83建议建议nMAC层基于层基于ATM信元，协议机制相当精致信元，协议机制相当精致接入网技术接入网技术3232Cable Modem的标准演进的标准演进nDOCSISnMCNS,1995年年11月由月由4个主要个主要HFC运营商发起运营商发起成立成立nMultimedia Cable Network SystemnDOCSIS 1.0：1998年年3月发布，月发布，ITU接受接受nDOCSIS 1.1,DOCSIS 1.2，DOC

30、SIS 2.0n吸取了吸取了802.14的很多协议机制的很多协议机制n物理层采用物理层采用ITU-T J.83建议建议n承载的高层数据为承载的高层数据为LLC PDU接入网技术接入网技术3333Cable Modem的标准演进的标准演进n802.14与与DOCSIS之争之争n802.14n工作组已于工作组已于2000年停止工作年停止工作n标准已从现行的标准中拆下标准已从现行的标准中拆下nDOCSISn虽然占了上风虽然占了上风n但技术本身发展缓慢但技术本身发展缓慢接入网技术接入网技术34345.6 HFC的传输向数字化方向发展的传输向数字化方向发展n今天绝大多数有线电视信号采用模拟今天绝大多数有线电视信号采用模拟RF传输传输n数字传输是发展方向数字传输是发展方向n要在要在HFC上实现数字传输，模拟双向放大器必须上实现数字传输，模拟双向放大器必须改成数字中继器改成数字中继器n全部采用数字传输之日，也就是全部采用数字传输之日，也就是CM完全退完全退出市场之日出市场之日n因此，因此，CM是一种过渡技术是一种过渡技术接入网技术接入网技术