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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CableModem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CableModem接入的结构 工作原理及MAC技术了解CableModem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 HFCCableModem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CableModem与ADS
2、LModem的比较 3 CATV HFC与CableModem CableModem 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 HybridFiberCoax混合的光纤同轴电缆 CATV communityantennatelevision 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 50 550MHz 参考范围 复用技术 FDM模拟传输方式 5 CATV网络的系统结构 组成 网络组成 头
3、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 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1 3km 7 系统结构说明 续 信号分配器 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
4、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 8 CATV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 HybridFiberCoax混合的光纤同轴电缆HFC原本含义指采用光传输系统代替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
5、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电话业务 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 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 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 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
6、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 14 HFC的频谱划分 15 上行信道 CATV业务 数字下行 f f1 下行信道 数字上行 f2 f3 f4 f5 f6 个人通信 地区f1 MHz f2 MH
7、z f3 MHz f4 MHz f5 MHz f6 MHz 北美542885508601000欧洲5651105508621000中国565655507501000日本548885508601000 HFC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
8、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
9、 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CableModem 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 CableModem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 21 CableModem系统概述 CableModem 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
10、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10Mbps QPSK最高1 5Mbps 两种标准 IEEE802 14 基于ATM传输DOCSIC 基于IP传输 22 CableModem的系统结构 23 CMTS CableModemTerminationSystem头端电缆调解器CM CableModem 电缆调解器 Internet CM HFC Router CMTS 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
11、 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 CableModem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能在所有1 n个上行信道中的任何一个发送数据 头端 m n 下行 上行 1 1 CableModem 1 CableModem 2 CableModem x 上行帧为小时隙流格式 CableModem工作过程描述 26 1 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
12、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就一直处于在线状态 CableModem参考模型 27 CMTSMAC ATM LLC 其他 接收PMD 发送PMD CMMAC MAC层 PHY层 下行 上行 CMTS CM TC子层 接收PMD 发送PMD TC子层 ATM LLC 其他 28 CM的层功能 物理层 组成 PMD子层 T
13、C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 并调整本地时钟 功率调整 为了使各CM到CMTS的电平基本相同 29 CM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 30 CM技术要点
14、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CableModem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 31 CM技术要点 物理层 续1 下行帧结构下行帧结构为MPEG 2帧MPEG2 MotionPictureExpert sGroupcompressionalgorithm2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
15、可封装多个MAC帧一个MAC帧可能被分片 由多个MPEG帧承载 32 CM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MACPDU的边界 占1字节 可选项对基于ATM的CM 没有此项 33 CM技术要点 物理层 续3 上行帧结构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 34 CM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 FDMA TDMA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MACPDU类型信道请求PDU RequestP
16、DU miniPDU 占1个minislot数据传输PDU dataPDU 一般占多个minislot管理信息PDU managePDU 占多个时隙不同的PDU在头部由不同的类型表示 35 RequestPDU 用于CM请求上行带宽 含CMID 所需时隙数等DataPDU ATM信元 802 14标准 或可变长分组 DOCSIS ManagePDU 用于测距 功率调整等 36 CM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CMTS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 MAPPDU 从中选取一个空闲的minislot CM通过上行信道在选取
