第部分HFC接入技术

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1、接入网技术接入网技术 接入网技术 第6章 HFC接入技术 接入网技术接入网技术 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 CATV HFC与 Cable Modem nCATV community antenna television 原指共用天线电视 现在通常指有线电

2、视 利用屏蔽同轴电缆向用户传送多路清晰的电 视信号 nHFC Hybrid Fiber Coax 混合的光纤同轴电缆 nCable Modem 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 接入网技术接入网技术 接入网技术接入网技术 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 接入网技术接入网技

3、术 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 接入网技术接入网技术 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 CATV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 接入网技术接入网技术 系

4、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放大器 对信号放大 使信号能达到更大的范围 n注 线缆越长 需要使用的放大器越多 但放大器串联个数越多 失真越厉害 故 放大器的个数有一定限制

5、接入网技术接入网技术 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 接入网技术接入网技术 6 3 HFC网络 nHFC Hybrid Fiber Coax 混合的光纤同轴电缆 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

6、带提供宽带数据业务 接入网技术接入网技术 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 接入网技术接入网技术 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 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 HFC对CA

7、TV的改进 n主干采用光纤代替同轴电缆和放大器 n 引入光节点 光纤与配线网的接口 光 电变换 及反变换 n 双向放大器代替原有的单向放大器 n 重建头端 n增加接入PSTN的设备 DLC或PSTN交换机 n增加接入Internet的设备 Router或网关 n保留原视频接收机 n增加话音 数据 视频合路和分离的设备 n增加光发射器和光接收器 n增加网络管理设备或接口 接入网技术接入网技术 接入网技术接入网技术 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

8、实现全业务通信 数 话 图 接入网技术接入网技术 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 88 550 860 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 接入网技术接入网技术 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

9、议 n上行信道多干扰 各种噪声 n安全性问题 共享介质存在安全隐患 n可靠性问题 单点故障 n供电问题 户外设备供电 影响HFC上行信道的噪声 主要噪声源类型 n交流声调制 由供电设备耦合到信号的包络 中 产生幅度调制 n侵入噪声 由电缆泄露或从外部环境中收集 到的噪声 n短波电台 业余电台等 n户内隔离较差的电器 微波炉 收音机等 n瞬态噪声源 闪电 汽车点火等 n用户的连接器松动 接触不良 接入网技术接入网技术 影响HFC上行信道的噪声 续 n 共路失真 n原因之一可能是同一机箱内上下行放大器干扰 n原因之二可能是双向滤波器隔离不充分 n热噪声 n由线缆中的电子运动产生的噪声 n 非线性

10、n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 接入网技术接入网技术 影响HFC上行信道的噪声 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 用户家里 占70 用户下引线 占25 同轴设备 占5 接入网技术接入网技术 抑制HFC上行信道噪声的基本方法 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Cable Modem 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

11、 接入网技术接入网技术 接入网技术接入网技术 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 接入网技术接入网技术 Cable Modem系统概述 nCable Modem 电缆调制解调器 简称CM n基于双向HFC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

12、 5Mbps n两种标准 nIEEE802 14 基于ATM传输 nDOCSIC 基于IP传输 接入网技术接入网技术 Cable Modem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 接入网技术接入网技术 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

13、CM的接入 进行控制 认证许可 n给CM分配带宽并进行管理 接入网技术接入网技术 Cable Modem工作原理 m信道 n信道 上行 头端 CMTS 下行 1 1 Cable Modem 1 Cable Modem 2 Cable Modem x 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 上行帧为小时隙流格式 接入网技术接入网技术 Cable Modem工作过程描述 n加电初始化 n与头端

14、CMTS同步 nCM扫描所有下行频道 寻找有效控制信息 广播信息 n一般CM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 nCM收到头端发来的上行信道传输参数 nCM根据参数中指点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 n预约带宽传送数据 nCM向CMTS申请带宽 由CMTS分配 nCM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 接入网技术接入网技术 CM协议参考模型 CMTS MAC ATMLLC其他 接收PMD发送PMD CM MACMAC层 PHY层 下行 上行 CMTSCM TC子层 接

15、收PMD发送PMD TC子层 ATMLLC其他 n模型包括 物理层和MAC层 n承载的高层数据主要为两种 nATM信元 802 14标准 nLLC PDU DOCSIC标准 接入网技术接入网技术 CM物理层 功能 n两种标准的物理层都采用J 83标准 n组组成 PMD子层层 TC子层层 nPMD子层层 物理介质质相关子层层 n分为为上行PMD 接收PMD 和下行PMD 发发送PMD n提供物理接口 信号的调调制 解调调 比特流同步等 nTC子层层 传输传输 会聚子层层 n提供与MAC的接口 对对MAC帧进帧进 行分片与重组组 n形成在信道上传输传输 的格式 nPDU的定界 n完成同步 测测距和

16、功率调调整 n同步 定期接收头头端的广播的参考时钟时钟 并调调整本地时钟时钟 n测测距 均衡时时延 各CM到CMTS距离不等 避免时时隙重叠 n功率调调整 为为了使 各CM到CMTS的电电平基本相同 接入网技术接入网技术 CM技术物理层 调制技术 n选择何种调制技术主要从信道利用率和抗干 扰性能考虑 nCable Modem的调制方式为QAM和QPSK n上行 QPSK 16QAM n下行 64QAM 256QAM nQAM的信道利用率比QPSK高 但QPSK的 抗干扰性更好 接入网技术接入网技术 CM技术物理层 上行帧结构 n上行帧结构为小时隙流 n上行信道承载三种PDU 管理 请求 数据 n带宽请求PDU Request PDU miniPDU 占1个 minislot n数据PDU data PDU 一般占多个minislot n管理信息PDU manage PDU 占多个时隙 n不同的PDU在头部由不同的类型表示 Request PDU 去头端 Data PDUManage PDU 占多个时隙占1个时隙占多个时隙 CM 接入网技术接入网技术 CM物理层 上行信道划分 n上行信道