第部分_HFC接入技术

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1、单击此处编辑母版副标题样式 1 1 接入网技术 n第6章 HFC接入技术 教学重点与要求 n教学重点 n介绍CATV网络的结构及局限性 n介绍双向HFC网络的结构以及网络环境 n重点强调Cable Modem技术 n接入结结构 工作原理 技术术要点 技术标术标 准 n要求 n了解CATV网络的结构及局限性 n掌握HFC网络的结构以及特点 n掌握Cable Modem接入结构 工作原理及技术要点 n了解Cable Modem技术标准及发展趋势 6 1 引言 nCATV网络 n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50 550MHz频段提供单向广播电 视业务 n但使用新技术 可使

2、用其他剩余频段 n在CATV的基础上进行双向HFC改造 n保留原有CATV有线电视业务 n并可提供交互式数据业务 nCable modem 技术 一种典型的HFC接 入技术 市场牵引与技术推动 n有线电视 CATV 系统是从有线电视台前端 用 同轴电缆直接向家庭发送清晰且强度相同的电视信 号 高质量的天线塔接收来自空间波或卫星的电视 频道 并将它们映射到电缆频带 n从市场需求角度看 CATV提供了良好的接收效果 并且可选的频道更多 屋顶上没有难看的天线 n从技术角度来看 CATV从最初单一的同轴电缆演 变为光纤与同轴电缆混合使用 单模光纤和高频同 轴电缆成为主要传输介质 并逐渐演变为新一代有

3、线电视网络 即HFC网 随着HFC的发展 不仅 要提供双向通信 而且还要增加信道容量以适应来 自数字直播卫星 Digital Broadcast Satellites DBS 的新的竞争 6 2 CATV网络 nCATV 传统的有线电视网络 nCATV的特点 n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 n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 n广播业务使用频段 50 550MHz n复用技术 FDM n模拟传输方式 n组成 n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 n拓扑结构 树状 鱼骨状结构 分支结构 CA

4、TV网络的系统结构 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 系统结构说明 n头端 n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 n 将接收到的各路信号调制到一个6 8 MHz频道 n 通过FDM合路器下传到干线 最终送到千家万户 n干线 网 n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 n距离一般为15km n信号分配器 将干线信号分成几路 覆盖更大范围 n配线 连接信号分配点与分支器 中间有放大器 n分支器 用户的接入点 n下引线 引入线 用户接入线缆 n放大

5、器 对信号放大 使信号能达到更大的范围 系统结构说明 2 n干线电缆 配线电缆和用户引入线使用的都是同轴电缆 标称阻抗均为 75 现代同轴电缆的使用频率范围已达1GHz n干线电缆的直径一般为12 7 22 0mm 内导体为实心铜线或铜包铝 金属线 外导体为由铜带或铝带制成的光滑管或波纹管 护套为普通聚 乙烯或耐光聚乙烯 通常每隔600m左右需要设置一个干线放大器 以补偿线路的传输损耗 但是 由于干线放大器所产生的热噪声和信号 失真的累加效应 因而干线电缆的最大长度要受到一定限制 一般为几 公里到十几公里 n配线电缆的直径一般为9 5 11 5mm 其他技术特性与干线电缆相同 配线电缆的长度一

6、般为1 3km 需要的线路延伸器为2 4个 n用户线电缆的直径一般不超过7mm 外导体通常是铜丝编织层 外护 套通常由阻燃聚乙烯或耐光聚乙烯制成 与干线 配线电缆不同 对用 户电缆有一个较为重要的柔软性要求 以便于灵活敷设 用户引入线的 长度一般为十几到几十米 CATV网络的局限性 n业务单一 视频 n单向通信 只能下行通信 不能双向交互 n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 传统传统 的CATV已不能满满足现现代业务业务 交互式 综综合业务业务 的要求 双向改造势势在必行 6 3 HFC网络 nHFC Hybrid Fiber Coax 混合的光

7、纤同轴电缆 n在原有CATV基础上进行双向改造 n干线部分 光传输系统代替CATV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 器改成双向的 n可提供业务 n保留原有CATV单向电视广播业务 n利用剩余频带提供宽带数据业务 双向的HFC网络结构 n光纤到服务区结构 FSA n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 结构说明 n头端 n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 n接入到PSTN

8、Internet n光纤干线网 n头端到服务区光节点之间的部分 光纤 n拓扑结构为星形 n配线网和下引线 n完全同CATV 放大器除外 n配线网的拓扑结构为树形 双向HFC的优势 n取消主干上的放大器 提高信号质量和可 靠性 n在主干上采用光纤 提高了容量 为宽带 接入奠定了基础 n为双向交互式通信提供了网络条件 n通过Cable Modem可实现全业务通信 数 话 图 HFC的频谱划分 上行信道 CATV业务数字下行 f f1 下行信道 数字上行 f2 f3f4f5f6 个人通信 地区 f1 MHz f2 MHz f3 MHz f4 MHz f5 MHz f6 MHz 北美 5 42 88

9、550 860 1000 欧洲 5 65 110 550 862 1000 中国 5 65 65 550 750 1000 日本 5 48 88 550 860 1000 HFC网络特点及面临的问题 n特点 n共享介质 点到多点结构 n上行信道多干扰环境 n面临问题 n上行信道的分配问题 需要MAC协议 n上行信道多干扰 各种噪声 n安全性问题 n可靠性问题 单点故障 n供电问题 户外设备供电 6 4 Cable Modem n系统概述 n系统结构 n工作原理 n协议模型 n物理层 nMAC层 Cable Modem系统概述 nCable Modem 电缆调制解调器 简称CM n基于双向HFC

10、的宽带接入技术 n频分复用 实现 n数据业务和传统CATV业务共存 nCATV 典型频段 50 550MHz nCM 典型频段 5 42MHz 550 750MHz nCM上 下行双向通信 n5 42MHz 上行 550 750MHz 下行 n非对称速率方式 n下行 最高42Mbps n上行 最高10M bps QPSK 最高1 5Mbps n两种标准 nIEEE802 14 基于ATM传输 nDOCSIC 基于IP传输 HFC网络对Cable Modem的要求 n一 上行 下行线缆频谱 根据频分复用 FDM 方案 在上行方向 Cable Modem的 上行数字传输速率采用5 42 MHz的频

11、率范围 由于此频率 范围存在很多污染和噪声 而移相键控 QPSK 调制技术 尽管发送数据的频带利用率较低 但在抗噪方面性能比较 强 所以利用QPSK调制技术对数据进行调制 并将发送数 据放入5 42MHz频带的一个6MHz频道内 n二 数字线缆网络 虽然HFC网络在网络的光纤和同轴部分以模拟格式传输视频 信号 但是只要调制后的信号符合电缆系统传输的带宽和 功率限制要求 并将模拟放大器变为数字中继器 目前的 电缆网络就可以不加修改的传送数字信号 在6 MHz频带内 与模拟电视信号共存 n在HFC网络中 分配给Cable Modem的频带位于十分不利 的噪声环境中 n一般说来 网络噪声问题来源于三

12、个区域 用户家里 占 70 用户下引线 占25 硬同轴设备 占5 HFC网络中的噪声 上行方向的噪声特性 n侵入噪声 Ingress Noise 外部窄带射频信号进入或泄漏到电缆分配 系统中的结果 是不希望产生的窄带噪声 n交流声调制 Hum Modulation 50 Hz交流电源经过供电设备耦合到 信号的包络中 产生的幅度调制 n冲击噪声 主要是由50Hz的高压线和其他电器及大量静电放电引起的 例如闪电雷击 交流电机启动等 松动的连接器也会产生冲击噪声 n突发噪声 突发噪声和冲击噪声相似 只是持续时间更长 n微反射 Micro reflections 发生在传输介质的不连续处 导致部分 信

13、号能量被反射 n共路失真 Common Path Distortion 是由电缆设施中的无源器件和 受腐蚀连接器的非线性造成的 n热噪声 也称白噪声 是由75 终端阻抗的随机热噪声 电缆和其他网 络设备内的电子运动 产生的 下行方向的噪声特性 n光缆噪声 由于光纤内信号的调制频率很高引起的群迟延 以及高斯白 噪声迭加到电源中 都将影响数字信号 n设备的频率响应噪声 包括倾斜和波纹两种频率响应噪声 n调幅 调频交流声调制 调幅调频交流声调制是因交流电通过供电设备 耦合到信号包络或因频偏而产生的幅度 频率调制 n热噪声和互调 热噪声以高斯白噪声作为它的模型 但其功率由相对于 设备输出的功率来确定

14、n突发噪声 当所有下行通路信号的合成信号超过了激光器的信号容限时 就会发生激光限幅 进而产生突发噪声 n信道冲浪 主要来源靠近接收器 其频率响应会有大而缓慢变化的波纹 出现和消失 抑制噪声的方法 n在反方向合理地调整放大器 n安装或更新时 确保系统在机械和电气方面都密封良好 以免产生侵入 或脉冲噪声 n所有供电设备和电缆设备都必须保证良好的接地 n由于侵入噪声几乎70 都来源于下引线和用户家中 解决的有效方法 是对住宅同轴线路进行适时升级 添加优质的连接器并使接地良好 n通过减小通路带宽的方法 来减小群迟延失真并允许使用频带利用率更 高的调制方法 以便增强系统的健壮性 n在多频载波中 使用频率

15、灵活的Cable Modem来减小 或避开 噪声 损害 用这种方法选择那些在返回路径上噪声最小的载波频率 HFC宽带接入系统的系统结构 nCMTS Cable Modem Termination System n头端电缆调解器 nCM Cable Modem n电缆调解器 Internet Router CMTSCMTS HFC C MC M 系统结构说明 nCM 电缆调解器 n连接用户的PC与HFC网络 n对网络和用户数据进行调制 解调 并传输 n实现网络与用户数据的双向交互 nCMTS 头端设备 n连接数据网与HFC n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 n给CM

16、分配带宽并进行管理 nCMTS和Cable Modem间进行数据包双向传输 Cable Modem的工作配置 nCable Modem和CMTS的配置是分别进行的 nCable Modem一般不需要人工配置和操作 它有用于配置的Console 接口 可通过VT终端或Win9x的超级终端程序进行设置 nCMTS的配置内容主要有下行频率 下行调制方式及下行电平等 n通道管理 上述设置完成后 如果中间的线路无故障 信号电平的衰减 符合要求 则启动DHCP和TFTP服务器 就可以在CMTS和Cable Modem间建立正常的通信通道 n多台CMTS设备组成的网络结构 当用户数较多或传输的数据量较大时 必须考虑使用多个下行通道 可将多台CMTS设备连成网络 Cable Modem n电缆调制解调器 Cable Modem 是一种可以通过有线电 视网络进行高速数据接入的装置 n从传输方式角度来看 可分为双向对称式传输和非对称式 传输 n从数据传输方向来看 有单向传输和双向传输之分 n从网络通信角度来看 可分为同步 共享 和异步 交换 两种方式 n从接入角度来看 可分为个人Cable Modem和宽