现代通信网络技术第八章2

8.4基于HFC的宽带接入技术8.4.1HFC技术概述一、HFC技术的发展出现于20世纪70年代的有线电视（CATV）最初以向广大用户提供廉价的、高质量的视频广播为目的，自80年代中后期以来得到较快的发展。在许多国家，有线电视网覆盖率已与公用电话网不相上下，甚至超过了公用电话网。由于有线电视网用户数量巨大，并且同轴电缆可提供较宽的工作频带和良好的信号传输质量，因此基于现有有线电视网设施的光纤/同轴电缆系统混合（HybridFiber/CoaxialCableSystem，HFC）接入网技术越来越引起人们的重视。HFC是一种以模拟频分复用技术为基础，综合应用模拟和数字传输技术、光纤和同轴电缆技术以及射频技术的高度分布式智能宽带用户接入网络，是CATV和电信网结合的产物。HFC可以通过对现有有线电视网进行双向化升级改造而实施，光纤用作骨干传输，同轴电缆用作信号分配，在提供节目丰富质量良好的电视节目同时，还可提供电话、Internet接入、高速数据传输和多媒体等业务。随着我国“三网合一”工程的推进和实施，HFC将会在我国宽带接入市场中扮演重要角色。二、HFC的主要特点1）HFC的主要优点★（1）传输频带较宽。HFC具有双绞铜线对无法比拟的传输带宽，可达到1GHz。★（2）与现有设备兼容。视频信号可以直接进入用户的电视机，不影响原有系统使用。★（3）支持宽带业务。HFC网支持现有的和待发展的宽带及窄带业务。★（4）全业务能力。能够提供各种类型的模拟和数字通信业务，包括：数据、话音、视频、多媒体业务等等。2）HFC的主要缺点★（1）原有有线电视网（CATV）需要双向改造。有线电视网都是单向广播式向用户传送电视，不满足网络信息双向传输的要求。★（2）模拟信道传输，频带利用率不高。HFC将数字信号转换为模拟方式传输，由于噪声和干扰的影响，传输质量受到影响，因此频带利用率不高。★（3）HFC接入方式以模拟频分复用方式传输信息，一个ONU可以为500-2000个用户服务，一旦发生故障，影响面很大。三、HFC频谱分配方案HFC网络采用副载波频分复用方式，将各种图像、数据和语音信号通过调制解调器同时在同轴电缆上传输，因此合理地安排频谱十分重要，频谱分配既要考虑历史和现在，又要考虑未来的发展。我国HFC的频带划分如图8-43所示。下下下下54250550MHz下下下下60下下下下下下下下下下下750VOD下下下下下1000下下下下下下图8-43我国HFC的频带划分方案低端的5MHz～42MHz频段安排为上行信道，即回传信道，其中5～8MHz用来传状态监视信息，8～12MHz用来传VOD（视频点播）信令，15～40MHz用来传电话信号。50MHz～750MHz频段为下行信道，其中50～550MHz用于传输现有的模拟有线电视信号，每个通路的频带宽度为6～8MHz，因而总共可以传60～80路电视信号。550～750MHz主要传送附加的模拟有线电视信号或数字有线电视信号，不过目前倾向于传输双向交互型通信业务，特别是VOD业务。如果采用64QAM的调制方式和MPEG-2图像信号，那么大致可以传输约200路VOD信号。高端的750～1000MHz仅用于各种双向通信业务，如个人通信业务。8.4.2HFC网络框架结构HFC的网络框架由馈线网、配线网和用户引入线三部分构成，如图8-44所示。下下下下下下VODCATV下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下/下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下图8-44典型的HFC网络框架结构★1）馈线网：指前端到服务区的光节点部分，大致对应于CATV的干线段。★2）配线网：指服务区的光节点到分支器之间的部分，在通常情况下为树型或总线结构。★3）用户引入线：指分支器到各用户之间的部分，分支器是配线网与用户引入线的分界点。8.4.3HFC接入系统结构HFC网络宽带接入通过电缆调制解调器（CableModem）来实现，主要由位于HFC网络前端的电缆调制解调器终端系统（CableModemTerminationSystem，CMTS）和位于HFC网络用户端的电缆调制解调器（CableModem，CM）数据传输设备组成，HFC数据接入系统如图8-45所示。下下下下下下下下下下下下下下下下下下下CMTSCMHFC下下下OSSCMTS下下下下CMTSRF下下下下下下下下下下下下下下下下CMRF下下CM下下下下下下下下下下下图8-45HFC的数据通信系统前端设备CMTS一般位于网络中心，与数据网络连接的同时，还负责连接、管理和配置HFC中所有用户端CM。CMTS采用10BASE-T、100BASE-T等接口通过交换型HUB与外界设备相连，通过路由器与Internet连接，或者可以直接连接到本地服务器，享受本地业务。用户端设备CM是HFC用户数据收发装置，主要功能是通过QAM调制解调方式，与前端CMTS设备建立数据收发通道。CM有外置式和内置式两种类型，一般放在用户的家中。CableModem是实现HFC高速数据接入的关键，可接收10~42Mb/s的下行数据，上行速率最高为10Mb/s。由于传输速率高，利用已有有线电视网，不占用电话线路，不影响电视广播，覆盖面积广、费用低廉，因此已成为一种极具竞争力的宽带接入技术。8.4.4电缆调制解调器及关键技术(*)作为HFC数据接入系统中的重要部件CableModem成为HFC接入实现的关键，用户端CM通过HFC网络与头端CMTS进行双向数据收发，把上行数字信号转换成类似电视信号的模拟射频信号传送；把下行信号转换为数字信号进行接收。目前有两个互不兼容的CableModem技术标准，一个是IEEE颁布的基于ATM技术的IEEE802.14标准，另一个是MCNS/SCTE制定的基于IP技术的DOCSIC（DataOverCableServiceInterfaceSpecification）标准。一、结构与原理用户端CM的内部结构如图8-46所示。CM结构比传统Modem复杂，主要由双工滤波器、调制解调器、去交织/FEC模块、FEC/交织模块、数据成帧电路、MAC处理器、数据编码电路、网卡、CPU和存储器等部件组成。同时，在CM结构中还有一些扩展口，用于插入一些新的功能模块以支持多种应用。下下下下下下下下下下下FEC/下下下下下/FECMAC下下下下下下下下下下下下下下下下下CPU下下CableModemCoaxialCable图8-46用户端CableModem的内部结构二、设备配置用户端CM设备有用于配置的Consol接口，可通过VT终端或Win9x的超级终端程序进行设置。加电工作后，首先自动搜索前端的下行频率，找到下行频率后，从下行数据中确定上行通道，与前端设备CMTS建立连接，并交换信息，包括：上行电平数值、动态主机配置协议（DHCP）和小文件传送协议（TFTP）服务器的IP地址等。CM有在线功能，即使用户不使用，只要不切断电源，则与前端始终保持信息交换，用户可随时上线。CM具有记忆功能，断电后再次上电时，使用断电前存储的数据与前端进行信息交换，可快速地完成搜索过程。前端CMTS是管理控制CM的设备，可通过Consol接口或以太网接口完成配置，需使用厂家提供的专用软件。CMTS配置主要包括下行频率、下行调制方式、下行电平等，以及设置DHCP、TFTP服务器IP地址和CMTSIP正常情况下，设置完成，设备上电工作后，会启动DHCP和TFTP服务器，从而在前端CMTS和用户CM间建立正常的通信通道。CMTS设备中的上行通道接口和下行通道接口是分开的，使用时需经过高低通滤波器混合为一路信号，再送入同轴电缆。三、反向通道噪声及抑制技术在HFC网络中，上行数据链路采用5～42MHz的频段，引入的各种噪声和干扰比较严重。同时，由于HFC树型结构的分配网，使用户端的噪声会在系统前端汇集和叠加，进一步恶化了反向信道的传输环境。抑制反向噪声是HFC必须解决的一个技术问题，现有的方法分为网络侧措施和用户侧措施。首先，网络侧措施是在HFC区域内，对于仅需要单向服务（广播）的用户端安装一个全阻滤波器禁止反向传送（亦阻止噪声的反向传送）；对于需要双向服务的用户端安装一个低通滤波器，阻塞噪声高频分量，削弱反向通道噪声。其次，用户侧措施主要是采用抗干扰能力强的调制方案。通常选择QPSK或S-CDMA作为上行链路调制方案。但是QPSK调制方案会限制上行传输速率，一般速率最大为1.5Mb/s。S-CDMA技术较为复杂，但可获得较好的性能，得到业界的广泛关注。8.4.4典型设备介绍一、CM产品D-LINK公司产品DCM-201CableModem完全符合MCNSDOCSIS1.1标准，能够自动搜索数据收、发信道并建立可靠的连接，可以同时为15个用户提供数据传输服务。DCM-201CableModem提供数倍于其它连接方式的Internet接入速率：在使用64QAM调制技术时，其下行数据突发传输速率可以达到30.342Mbps；使用256QAM调制技术时，其下行数据突发传输速率可以达到42.88Mbps。其上行数据一般采用QPSK或16QAM调制技术，数据传输速率一般为500Kbps~10.2Mbps。DCM-201CableModem支持简单网络管理（MCNSSNMP）和静态（Static）、动态地址分配（DHCP）技术，从而为用户提供了灵活的系统管理和IP地址分配策略；在数据安全方面，DCM-201支持RSA和MCNS40/56bitDES数据加密/解密技术，并使用前向纠错技术（FEC）以保证数据的可靠传输。此外，为了方便与用户PC的连接，DCM-201提供了USB和10/100Base-TRJ-45两种硬件接口（只能任选其中一种接口方式）。除了为单个PC用户提供Internet访问或远程接入功能外，DCM-201CableModem还可以通过路由器等网络设备为局域网用户提供基于高速Cable线路的Internet接入服务，也可以实现两个远程网络之间的互连，从而实现企业用户及其分支机构之间开展电视会议等综合数据应用。二、CMTS产品MA5800系列产品是华为公司为HFC接入推出的CMTS设备，主要完成两个功能：宽带接入和为NGN业务提供HFC侧的服务质量保证；具有两种规格：大容量框式设备MA5800和小容量台式设备MA5801。1）MA5800主要规格★（1）整机支持能力：14槽位可提供2个管理模块插槽互为热备份；12个业务模块插槽支持上行WAN模块和HFC接口模块混插。★（2）上行IP接口模块：8个10/100BaseT端口；1个GigabitEthernet端口；1个POS155M/622M端口。★（3）HFC业务模块：1×4EuroDOCSISv1.1、2×8DOCSIS/EuroDOCSISv1.1/2.0、1×6DOCSISv1.1、2×12DOCSIS/EuroDOCSISv1.1/2.0、1×6EuroDOCSISv1.1、PacketCablev1.02）主要特性★（1）安全性更高的认证功能和更丰富的计费能力：★（2）认证方式：支持基于MAC的认证方式；支持PPPoE认证和VLAN+WEB认证。目前MA5800是业界唯一能支持PPPoE认证和VLAN+WEB认证的CMTS设备。★（3）计费方式：支持包月和按时长、流量的计费，提供灵活的运营手段，提升竞争力。为语音、视频等实时业务提供端到端的QoS保证；支持DOCSIS1.1，并可软件升级到DOCSIS2.0；支持基于用户和业务的流分类功能；支持DiffServ，并提供DOCSIS1.1业务流和DiffServ优先级间的映射。★（4）网络安全：目前唯一支持VLAN和VLAN透传功能的CMTS设备，可有效防止网络风暴；提供PPPoE和VLAN+WEB等安全性更好的认证能力。★（5）电信级可靠性设计：电源、总线、主控板、IP转发板支持1+1的双备份；业务板支持N+1冗余备份。★（6）频谱管理功能：提供智能上行频谱管理功能，实时监测上