通信接入网技术（PPT79页)

第三章电缆调制解调器接入技术电缆调制解调器（CableModem）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（CableModem）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。3.1CableModem的发展背景3.2CableModem系统工作原理3.3CableModem的体系结构3.4CableModem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。3.1CableModem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（DigitalBroadcastSatellites，DBS）的新的竞争。3.1.2CableModem与ADSLModem的比较一、Internet接入应用比较1．CableModem的典型Internet接入图3.1所示为CableModem/HFC的典型Internet接入配置。CableModem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（cachememory）以及控制部分。图3.1CableModem/HFC的典型Internet接入2．ADSLModem的典型Internet接入图3.2所示为使用ADSLModem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3.2ADSLModem的典型Internet接入二、接入性能比较1．通路带宽CableModem总体上说，其下行通路一般提供30Mbit/s以内带宽，可以由500～2000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，CableModem的业务将受损。ADSLModem（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CableModem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CableModem应该能够通过合理的流量工程来处理恒定比特率（ConstantBitRate，CBR）、可变比特率（VariableBitRate，VBR）和可用比特率（AvailableBitRate，ABR）业务。5．可靠性在CableModem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CableModem应用中，由于共享同媒质环境，所有信号进入到所有的CableModem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。3.1.3HFC网络对CableModem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，CableModem的上行数字传输速率采用5～42MHz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5～42MHz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6MHz频带内与模拟电视信号共存。三、抑制噪声1．HFC网络中的噪声在HFC网络中，分配给CableModem的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（IngressNoise）：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（HumModulation）：50Hz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（CommonPathDistortion）：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75Ω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/FMHumModulation）：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。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（ChannelSurfing）：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CableModem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声的有效策略。3.1.4影响CableModem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CableModem是指它可以调谐到任意一个上行或下行频率。3.2CableModem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，CableModem有外置式和内置式两种类型，一般放在用户的家中。图3.3HFC的数据通信系统一、CableModem及其内部构成电缆调制解调器（CableModem）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CableModem和宽带CableModem（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、CableModem的工作配置在系统的前端放置CableModem前端设备（CMTS）。CableModem置于用户端。CMTS和CableModem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CableModem和前端设备的配置是分别进行的。CableModem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CableModem间建立正常的通信通道。3．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。3.2.2工作原理CableModem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（MediaAccessControl，MAC）模块中的访问协议进行处理。1．基于FDMA/TDMA技术的CableModemCableModem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，CableModem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）上行信道访问方式多媒体电缆网络系统（MediaCableNetworkSystem，MCNS）把每个上行信道看成是一个由小时隙（mini-slot）组成的流，CableModem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（DataSlot，DS）或竞争时隙（CompetitionSlot，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CableModem分配一个48比特的物理地址。（3）初始化过程描述CableModem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CMTS传输数据。①获得上行信道参数在这个阶段中，CMTS向CableModem重复发送3种MAC信息：第一种是同步信息（SYNC），用以给所有CableModem提供一个时间基准；第二种是上行信道描述（UpChannelDescription，UCD），CableModem必须找到一个描述内容与CableModem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CableModem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。②测距（Range）③建立IP连接④建立时间⑤建立安全机制2．基于同步码分多址（S-CDMA）技术的CableModem同步码分多址（SynchronousCDMA，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CableModem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技术使用HFC网提供的上、下行对称6MHz带宽的独立传输通道。在6MHz带宽中下行的传输速率是14Mbit/s，使用扩频技术，使上行窄带干扰降低，不影响邻频传输，可与HFC网中其他调制方式的传输共存。众所周知，利用有线电视网