接入网技术-课件第3章

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1、第三章 电缆调制解调器接入技术,电缆调制解调器（Cable Modem）技术是在有线电视公司推出的混合光纤同轴网（HFC）上发展起来的。根据前面介绍可知，只要在有线电视（CATV）网络内添置电缆调制解调器（Cable Modem）后，就建立了强大的数据接入网，不仅可以提供高速数据业务，还能支持电话业务。,3.1 Cable Modem的发展背景 3.2 Cable Modem系统工作原理 3.3 Cable Modem的体系结构 3.4 Cable Modem的应用,3.1.1 市场牵引与技术推动 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

2、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。 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。,3.1 Cable Modem的发展背景,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。,3.1.2 Cable Modem与ADSL Modem的比较 一、Int

3、ernet接入应用比较 1Cable Modem的典型Internet接入 图3.1所示为Cable Modem/HFC的典型Internet接入配置。Cable Modem通过头端接入到Internet，头端包含IP路由器、代理服务器或高速缓存（cache memory）以及控制部分。,图3.1 Cable Modem/HFC的典型Internet接入,2ADSL Modem的典型Internet接入 图3.2所示为使用ADSL Modem接入时的一种典型结构。用户（个人计算机）通过现有的双绞电话铜线接入到Internet。,图3.2 ADSL Modem的典型Internet接入,二、接入

4、性能比较 1通路带宽 Cable Modem总体上说，其下行通路一般提供30Mbit/s以内带宽，可以由5002000个用户共享此带宽。 2吞吐量 当大量用户同时进行传输，使吞吐量剧增时，Cable Modem的业务将受损。 ADSL Modem（假设速率为6Mbit/s）只由一个用户专用，有限的上行带宽不能进行视频电话传输。,3经济性 在Cable Modem应用中，连接到一个用户只需要一个Modem，其费用比ADSL低。 4业务性能 标准的Cable Modem应该能够通过合理的流量工程来处理恒定比特率（Constant Bit Rate，CBR）、可变比特率（Variable Bit R

5、ate，VBR）和可用比特率（Available Bit Rate，ABR）业务。,5可靠性 在Cable Modem应用中，CATV是一个树型网络，有线电视线路极容易造成单点故障，如电缆的损坏、放大器故障或传送器故障等，都会使这条线上用户的使用中断。 6安全性 在Cable Modem 应用中，由于共享同媒质环境，所有信号进入到所有的Cable Modem中，从而有可能会产生严重的有意或无意的线路误用、窃听和业务盗窃现象。因而需要保护线缆，增强加密和认证功能。,3.1.3 HFC网络对Cable Modem的要求 一、上行下行线缆频谱 根据频分复用（FDM）方案，在上行方向，Cable Mo

6、dem的上行数字传输速率采用542 MHz的频率范围，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542MHz频带的一个6MHz频道内。,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。,三、抑制噪声 1HFC网络中的噪声 在HFC网络中，分配给Cable Modem的

7、频带位于十分不利的噪声环境中。一般说来，网络噪声问题来源于三个区域：用户家里（占70）、用户下引线（占25）、硬同轴设备（占5）。,（1）上行方向的噪声特性 在上行方向有些噪声源可以损害通信，主要包括以下几种。 侵入噪声（Ingress Noise）：它是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。 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。,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。 突发噪声：突发噪声和冲击噪声

8、相似，只是持续时间更长。,微反射（Micro-reflections）：发生在传输介质的不连续处，导致部分信号能量被反射。 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。 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。,（2）下行方向的噪声特性 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。 设备的频率响应噪声：包括倾斜和波纹两种频率响应噪声。,调幅调频交流声调制（AM/FM Hum Modulation）：调幅调频交流声调制是因交流

9、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。 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。,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。 信道冲浪（Channel Surfing）：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。,2抑制噪声的方法 （1）在反方向合理地调整放大器。 （2）线缆设备安装或更新时，要确保系统在机械和电气方面都密封良好，以免在系统内部产生侵入噪声或脉冲噪声。 （3）所有供电设备和电缆设备都必须保证良好的接地。,（4）由于侵入噪声几乎70都来

10、源于下引线和用户家中。用户下引线的放射状裂纹、屏蔽箔片的裂缝、使用老化、劣质连线或者连接松动等，都会造成系统泄漏而引入噪声。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。但在许多情况下，现场技术人员只需要通过机械和电气方式加固电缆系统，就可以明显地增强视频信号质量，并减小噪声。,（5）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。 （6）在多频载波中，使用频率灵活的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，以避免于窄带的侵入噪声，但它不是解决脉冲噪声或放大器噪

11、声的有效策略。,3.1.4 影响Cable Modem运作的因素 1放大器的双向问题 现代的具有双向通信能力的光纤/同轴混合（HFC）系统必须使用双向工作的放大器，因而不管是上行方向还是下行方向，有效信号将被滤波后放大。 2频率灵活性 具有频率灵活性的Cable Modem是指它可以调谐到任意一个上行或下行频率。,3.2 Cable Modem系统工作原理,3.2.1 系统结构 如图3.3所示为HFC数据通信系统的基本构成，其中，Cable Modem有外置式和内置式两种类型，一般放在用户的家中。,图3.3 HFC的数据通信系统,一、Cable Modem及其内部构成 电缆调制解调器（Cabl

12、e 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。 （1）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。 （2）从数据传输方向来看，有单向传输和双向传输之分。 （3）从网络通信角度来看，Modem可分为同步（共享）和异步（交换）两种方式。,（4）从接入角度来看，可分为个人Cable Modem和宽带Cable Modem（多用户），宽带Modem可以具有网桥的功能，可以将一个计算机局域网接入。 （5）从接口角度来看，可分为外置式、内置式和交互式机顶盒。,二、Cable Modem的工作配置 在系统的前端放置Cable Modem前端设备（CMTS）。Cable Mod

13、em置于用户端。CMTS和Cable Modem间能够进行数据包双向传输，HFC网络上的数据通信协议确保数据包的传输。,1配置方法和配置内容 Cable Modem和前端设备的配置是分别进行的。Cable Modem一般不需要人工配置和操作，它有用于配置的Consol接口，可通过VT终端或Win9x的超级终端程序进行设置。 前端设备（CMTS）的配置内容主要有下行频率、下行调制方式及下行电平等。,2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。 3多台CMTS设备组成的网络结

14、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。,3.2.2 工作原理 Cable Modem中的数据传输过程如下所述。 在下行链路中，通过内部的双工滤波器接收来自HFC网络的射频信号，将其送至解调模块进行解调。 在上行链路中，用户的访问请求先由媒质访问控制（Media Access Control，MAC）模块中的访问协议进行处理。,1基于FDMA/TDMA技术的Cable Modem Cable Modem对上行/下行数据信号采用不同的接入方式。下行采用广播形式，Cable Modem对数据信号进行调制解调和同步处理后传送给用户计算机。,（1）

15、上行信道访问方式 多媒体电缆网络系统（Media Cable Network System，MCNS）把每个上行信道看成是一个由小时隙（mini-slot）组成的流，Cable Modem前端设备（CMTS）根据带宽分配算法可将一个小时隙定义为数据时隙（Data Slot，DS）或竞争时隙（Competition Slot，CS）。,（2）对服务类型的支持 与局域网络适配器物理地址一样，多媒体电缆网络系统（MCNS）给每个Cable Modem分配一个48比特的物理地址。 （3）初始化过程描述 Cable Modem在加电之后，必须先进行初始化，然后网络才能进行接收CMTS发送的数据及向CMT

16、S传输数据。, 获得上行信道参数 在这个阶段中，CMTS向Cable Modem重复发送3种MAC信息：第一种是同步信息（SYNC），用以给所有Cable Modem提供一个时间基准；第二种是上行信道描述（Up Channel Description，UCD），Cable Modem必须找到一个描述内容与Cable Modem本身上行信道特性相符的UCD；第三种是由UCD所描述的上行信道的MAP信息，它包含了小时隙的信息，指出了Cable Modem何时可以发送数据和发送的持续时间，并由SYNC提供发送时间基准。, 测距（Range） 建立IP连接 建立时间 建立安全机制,2基于同步码分多址（S-CDMA）技术的Cable Modem 同步码分多址（Synchronous CDMA，S-CDMA）技术可以较完美地解决干扰性和容量问题。 S-CDMA应用了调节技术来适应电缆设备的动态噪声特征，通过减少调制方式产生的干扰和动态地调整各个Cable Modem发射器的功率电平，从而增加了系统的稳定性和可靠性。,S-CDMA