宽带接入网,第6章 HFC接入技术,第6章 HFC接入技术,6.1 引言6.2 CATV网络6.3 HFC网络6.4 Cable Modem6.5 Cable Modem的标准演进6.6 EoC接入技术,教学重点与要求,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Cable Modem技术：接入结构、工作原理、技术要点、技术标准要求了解CATV网络的结构及局限性掌握HFC网络的结构以及特点掌握Cable Modem接入结构、工作原理及技术要点了解Cable Modem技术标准及发展趋势,6.1 引言,CATV网络有线电视运营商最重要、最普及的入户基础设施最初只使用50—550MHz频段提供单向广播电视业务但使用新技术，可使用其他剩余频段在CATV的基础上进行双向HFC改造保留原有CATV有线电视业务并可提供交互式数据业务Cable modem 技术——一种典型的HFC接入技术,6.2 CATV网络,CATV——传统的有线电视网络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：同轴电缆或以同轴电缆为基础广播业务使用频段：50～550MHz复用技术：FDM模拟传输方式,组成网络组成：头端、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、鱼骨状结构（分支结构）,CATV网络的系统结构,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（信号分配器、同轴缆、放大器、分支器）距离一般为15km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）：用户接入线缆放大器：对信号放大，使信号能达到更大的范围,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：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的CATV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,6.3 HFC网络,HFC ：Hybrid Fiber Coax 混合的光纤同轴电缆在原有CATV基础上进行双向改造干线部分：光传输系统代替CATV中的同轴电缆用户分配网：仍保留同轴电缆网络结构，但放大 器改成双向的可提供业务保留原有CATV单向电视广播业务利用剩余频带提供宽带数据业务,双向的HFC网络结构,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,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,f3,f4,f5,f6,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,HFC网络特点及面临的问题,特点共享介质、点到多点结构上行信道多干扰环境面临问题上行信道的分配问题（需要MAC协议）上行信道多干扰（各种噪声）安全性问题可靠性问题（单点故障）供电问题（户外设备供电）,HFC网络双向化改造技术,CMTS+CM利用现有CATV网络目前采用的主要技术无须改变现有网络结构，安装新的头端设备即可PON+EoC接入网部分新建PON网络用户接入部分使用EoC技术 可以不进行新的用户布线,6.4 Cable Modem,系统概述系统结构工作原理协议模型物理层MAC层,Cable Modem系统概述,Cable Modem：电缆调制解调器（简称CM）基于双向HFC的宽带接入技术频分复用，实现数据业务和传统CATV业务共存CATV：典型频段：50—550MHzCM：典型频段：5—42MHz，550—750MHzCM上、下行双向通信5—42MHz（上行） 550—750MHz（下行）非对称速率方式下行 最高42Mbps上行 最高10M bps(QPSK 最高1.5Mbps)两种标准IEEE802.14，基于ATM传输DOCSIS，基于IP传输,Cable Modem的系统结构,CMTS: Cable Modem Termination System电缆调制解调器头端系统CM: Cable Modem电缆调制调解器,,,Internet,,,Router,CMTS,HFC,,,,,C M,,系统结构说明,CMTS: 头端设备连接数据网与HFC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）给CM分配带宽并进行管理CM:电缆调制调解器 连接用户的PC与HFC网络对用户数据进行调制/解调，并传输实现网络与用户数据的双向交互,Cable Modem工作原理,每个CM都有一个ID（48位，制造商定）。
CM的接收器能调谐到所有m个下行频道的任何一个接收数据CM能在所有1～n个上行频道中的任何一个发送数据,,头端CMTS,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,m频道,n频道,下行,,上行,,1,1,Cable Modem＃1,Cable Modem＃2,Cable Modem＃x,上行,,Cable Modem工作过程描述,加电初始化与头端CMTS同步CM扫描所有下行频道，寻找有效控制信息（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）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根据参数中指定的上行信道向头端发送注册请求消息注册认可，开始认证、密钥交换、测距、初始化预约带宽传送数据CM向CMTS申请带宽，由CMTS分配CM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就一直处于状态,CM协议参考模型,CMTS MAC,ATM,LLC,其他,接收PMD,发送PMD,CM MAC,,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,模型包括: 物理层和MAC层承载的高层数据主要为两种ATM信元（802.14标准）LLC PDU（ DOCSIC标准）,,,CM物理层——功能,两种标准的物理层都采用ITU-J.83标准组成：PMD子层、TC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：传输汇聚子层提供与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、测距和功率调整同步：定期接收头端的广播的参考时钟，并调整本地时钟测距：均衡时延（各CM到CMTS距离不等），避免时隙重叠功率调整：为了使各CM到CMTS的电平基本相同,CM技术物理层——调制技术,选择调制技术主要从信道利用率和抗干扰性能考虑Cable Modem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,CM物理层——上行信道划分,上行信道划分：FDMA+TDMA每个小时隙是上行信道带宽的基本单位Request PDU:用于CM请求上行带宽，含CM ID，所需时隙数等Data PDU：ATM信元（802.14 标准）或LLC PDU（DOCSIS)Manage PDU：用于测距、功率调整等,,f,,,,,...,,,,,,上行信道,...,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,PDU,PDU,,Request PDU,,,去头端,,t,,,miniSlot,,Data PDU,,,PDU,Manage PDU,CM技术物理层——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）带宽请求PDU：Request PDU(miniPDU)，占1个minislot数据PDU：data PDU，一般占多个minislot管理信息PDU：manage PDU，占多个minislot不同的PDU在头部由不同的类型表示,CM技术物理层——下行帧结构,下行帧结构为MPEG-2 帧一个帧由4字节头部和184字节载荷组成（共188字节）一个MPEG帧可封装多个MAC帧一个MAC帧可能被分片，由多个MPEG帧承载,CM的MAC层——功能,CM接入的合法性认证CM带宽的请求、分配与管理MAC层最核心技术上行信道竞争的冲突分解,,CM的MAC层——安全与认证机制,共享介质，存在安全隐患，需要采取措施解决措施：ID认证＋加密ID：CM的标识（48位的MAC地址）CM注册时，向CMTS发送ID号，用于初始认证若ID合法，则进行密钥交换，否则为非法用户CM得到正确的密钥，便可对数据加密,CM的MAC层——MAC协议环境,共享介质同一服务区的用户共享带宽需要介质访问控制（MAC）技术无法实现载波侦听（CSMA） 收发信道完全分开很难实现分布式协调控制CMTS集中仲裁CMTS对多个CM进行集中控制,CM的MAC层——上行带宽请求与分配,CM与CMTS交互实现CM向CMTS请求，由CMTS进行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请求＋捎带请求相结合CM有数据要发时CM先向头端CMTS申请带宽（小时隙数量）CMTS给CM指定上行发送小时隙CM在指定上行时隙内发送CM在发送数据时有新数据要发时直接在发送数据时捎带对新数据发送带宽的请求,CM的MAC层—— 上行带宽请求与分配,带宽请求与分配过程描述待发数据的CM，从下行信道获取头端对上行带宽分配的广播信息,从中选取一个空闲的minislot，CM通过上行信道在选取的minislot内发送一个request PDU如果请求冲突，则按某种算法进行冲突分解，并再次请求请求成功，会收到正确的ACK，包含CM的发送时刻及允许发送的minislot个数（可能与申请的个数相同，也可不同）CM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）,。