a5接入網(wǎng)技術(shù) HFC

1、n 電纜調(diào)制解調(diào)器（Cable Modem）技術(shù)是在混合光纖同軸網(wǎng)（HFC）上發(fā)展起來的。根據(jù)前面介紹可知，只要在有線電視（CATV）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)添置電纜調(diào)制解調(diào)器（Cable Modem）后，就可建立數(shù)據(jù)接入網(wǎng)，不僅可以提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，還能支持電話業(yè)務(wù)。2021-10-302HFCnHFC,Hybrid Fiber Coax,光纖同軸電纜混合網(wǎng) n隨著現(xiàn)代CATV系統(tǒng)的發(fā)展，要求信號(hào)的傳輸距離不斷加長(zhǎng)，而電纜傳輸方式在傳輸損耗 、溫度特性、頻率特性、系統(tǒng)可靠性及信號(hào)傳輸質(zhì)量等方面的弱點(diǎn)更加突出。與之相比，光纜傳輸方式以其損耗低、不受電磁干擾影響及基帶帶寬的特性，將成為CATV干線傳輸?shù)闹髁鳌?前

2、 端光發(fā)射機(jī)光分路器光接收機(jī)前端光 纜 傳 輸系統(tǒng)同軸電纜用 戶 分 配系統(tǒng)光纜CATV傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)型采用前端光纜干線傳輸同軸分配系統(tǒng)，是結(jié)合我國(guó)目前CATV的實(shí)際情況，對(duì)于遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)是一種較為理想的方案。n3.1 Cable Modem的發(fā)展背景的發(fā)展背景n3.2 Cable Modem系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理n3.3 Cable Modem的體系結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)n3.4 Cable Modem的應(yīng)用的應(yīng)用n3.1.1 市場(chǎng)牽引與技術(shù)推動(dòng)n 有線電視（CATV）系統(tǒng)是從有線電視臺(tái)前端，用同軸電纜直接向家庭發(fā)送清晰且強(qiáng)度相同的電視信號(hào)；高質(zhì)量的天線塔接收來自空間波或衛(wèi)星的電視頻道，并將它們映

3、射到電纜頻帶。n 從市場(chǎng)需求角度看，CATV提供了良好的接收效果，并且可選的頻道更多，屋頂上沒有難看的天線。n從技術(shù)角度來看，CATV從最初單一的同軸電纜演變?yōu)楣饫w與同軸電纜混合使用，單模光纖和高頻同軸電纜成為主要傳輸介質(zhì)，并逐漸演變?yōu)樾乱淮芯€電視網(wǎng)絡(luò)（即HFC網(wǎng)）。隨著HFC的發(fā)展，不僅要提供雙向通信，而且還要增加信道容量以適應(yīng)來自數(shù)字直播衛(wèi)星（Digital Broadcast Satellites，DBS）的新的競(jìng)爭(zhēng)。n3.1.2 Cable Modem與ADSL Modem的比較n一、Internet接入應(yīng)用比較n1Cable Modem的典型Internet接入n 圖3.1所示為C

4、able Modem/HFC的典型Internet接入配置。Cable Modem通過頭端接入到Internet，頭端包含IP路由器、代理服務(wù)器或高速緩存（cache memory）以及控制部分。圖圖3.1 Cable Modem/HFC的典型的典型Internet接入接入n2ADSL Modem的典型Internet接入n 圖3.2所示為使用ADSL Modem接入時(shí)的一種典型結(jié)構(gòu)。用戶（個(gè)人計(jì)算機(jī)）通過現(xiàn)有的雙絞電話銅線接入到Internet。圖圖3.2 ADSL Modem的典型的典型Internet接入接入n二、接入性能比較n1通路帶寬n Cable Modem總體上說，其下行通路一般

5、提供30Mbit/s以內(nèi)帶寬，可以由5002000個(gè)用戶共享此帶寬。n2吞吐量n 當(dāng)大量用戶同時(shí)進(jìn)行傳輸，使吞吐量劇增時(shí)，Cable Modem的業(yè)務(wù)將受損。n ADSL Modem（假設(shè)速率為6Mbit/s）只由一個(gè)用戶專用，有限的上行帶寬不能進(jìn)行視頻電話傳輸。n3經(jīng)濟(jì)性n 在Cable Modem應(yīng)用中，連接到一個(gè)用戶只需要一個(gè)Modem，其費(fèi)用比ADSL低。n4業(yè)務(wù)性能n 標(biāo)準(zhǔn)的Cable Modem應(yīng)該能夠通過合理的流量工程來處理恒定比特率（Constant Bit Rate，CBR）、可變比特率（Variable Bit Rate，VBR）和可用比特率（Available Bit R

6、ate，ABR）業(yè)務(wù)。n5可靠性n 在Cable Modem應(yīng)用中，CATV是一個(gè)樹型網(wǎng)絡(luò)，有線電視線路極容易造成單點(diǎn)故障，如電纜的損壞、放大器故障或傳送器故障等，都會(huì)使這條線上用戶的使用中斷。n6安全性n 在Cable Modem 應(yīng)用中，由于共享同媒質(zhì)環(huán)境，所有信號(hào)進(jìn)入到所有的Cable Modem中，從而有可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的有意或無意的線路誤用、竊聽和業(yè)務(wù)盜竊現(xiàn)象。因而需要保護(hù)線纜，增強(qiáng)加密和認(rèn)證功能。n3.1.3 HFC網(wǎng)絡(luò)對(duì)Cable Modem的要求n一、上行下行線纜頻譜n 根據(jù)頻分復(fù)用（FDM）方案，在上行方向，Cable Modem的上行數(shù)字傳輸速率采用542 MHz的頻率范圍，

7、由于此頻率范圍存在很多污染和噪聲，而移相鍵控（QPSK）調(diào)制技術(shù)盡管發(fā)送數(shù)據(jù)的頻帶利用率較低，但在抗噪方面性能比較強(qiáng)，所以利用QPSK調(diào)制技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，并將發(fā)送數(shù)據(jù)放入542MHz頻帶的一個(gè)6MHz頻道內(nèi)。n二、數(shù)字線纜網(wǎng)絡(luò)n 雖然HFC網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)的光纖和同軸部分以模擬格式傳輸視頻信號(hào)，但是只要調(diào)制后的信號(hào)符合電纜系統(tǒng)傳輸?shù)膸捄凸β氏拗埔螅⒛M放大器變?yōu)閿?shù)字中繼器，目前的電纜網(wǎng)絡(luò)就可以不加修改的傳送數(shù)字信號(hào)，在6 MHz頻帶內(nèi)與模擬電視信號(hào)共存。n三、抑制噪聲n1HFC網(wǎng)絡(luò)中的噪聲n 在HFC網(wǎng)絡(luò)中，分配給Cable Modem的頻帶位于十分不利的噪聲環(huán)境中。一般說來，網(wǎng)絡(luò)噪聲問

8、題來源于三個(gè)區(qū)域：用戶家里（占70）、用戶下引線（占25）、硬同軸設(shè)備（占5）。n（1）上行方向的噪聲特性n 在上行方向有些噪聲源可以損害通信，主要包括以下幾種。n 侵入噪聲（Ingress Noise）：它是外部窄帶射頻信號(hào)進(jìn)入或泄漏到電纜分配系統(tǒng)中的結(jié)果，是不希望產(chǎn)生的窄帶噪聲。n 交流聲調(diào)制（Hum Modulation）：50 Hz交流電源經(jīng)過供電設(shè)備耦合到信號(hào)的包絡(luò)中，產(chǎn)生的幅度調(diào)制。n沖擊噪聲：主要是由50Hz的高壓線和其他電器及大量靜電放電引起的，例如閃電雷擊、交流電機(jī)啟動(dòng)等，松動(dòng)的連接器也會(huì)產(chǎn)生沖擊噪聲。n突發(fā)噪聲：突發(fā)噪聲和沖擊噪聲相似，只是持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。n微反射（Micro

9、-reflections）：發(fā)生在傳輸介質(zhì)的不連續(xù)處，導(dǎo)致部分信號(hào)能量被反射。n共路失真（Common Path Distortion）：是由電纜設(shè)施中的無源器件和受腐蝕連接器的非線性造成的。n熱噪聲：也稱白噪聲，是由75終端阻抗的隨機(jī)熱噪聲（電纜和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)）產(chǎn)生的。n（2）下行方向的噪聲特性n 光纜噪聲：由于光纖內(nèi)信號(hào)的調(diào)制頻率很高引起的群遲延，以及高斯白噪聲迭加到電源中，都將影響數(shù)字信號(hào)。n 設(shè)備的頻率響應(yīng)噪聲：包括傾斜和波紋兩種頻率響應(yīng)噪聲。n調(diào) 幅 調(diào) 頻 交 流 聲 調(diào) 制 （ A M / F M H u m Modulation）：調(diào)幅調(diào)頻交流聲調(diào)制是因交流電通過供

10、電設(shè)備耦合到信號(hào)包絡(luò)或因頻偏而產(chǎn)生的幅度/頻率調(diào)制。n熱噪聲和互調(diào)：熱噪聲以高斯白噪聲作為它的模型，但其功率由相對(duì)于設(shè)備輸出的功率來確定。n突發(fā)噪聲：當(dāng)所有下行通路信號(hào)的合成信號(hào)超過了激光器的信號(hào)容限時(shí)，就會(huì)發(fā)生激光限幅，進(jìn)而產(chǎn)生突發(fā)噪聲。n信道沖浪（Channel Surfing）：主要來源靠近接收器，其頻率響應(yīng)會(huì)有大而緩慢變化的波紋出現(xiàn)和消失。n2抑制噪聲的方法n （1）在反方向合理地調(diào)整放大器。n （2）線纜設(shè)備安裝或更新時(shí)，要確保系統(tǒng)在機(jī)械和電氣方面都密封良好，以免在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生侵入噪聲或脈沖噪聲。n （3）所有供電設(shè)備和電纜設(shè)備都必須保證良好的接地。n（4）由于侵入噪聲幾乎70都來源

11、于下引線和用戶家中。用戶下引線的放射狀裂紋、屏蔽箔片的裂縫、使用老化、劣質(zhì)連線或者連接松動(dòng)等，都會(huì)造成系統(tǒng)泄漏而引入噪聲。解決的有效方法是對(duì)住宅同軸線路進(jìn)行適時(shí)升級(jí)，添加優(yōu)質(zhì)的連接器并使接地良好。但在許多情況下，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員只需要通過機(jī)械和電氣方式加固電纜系統(tǒng)，就可以明顯地增強(qiáng)視頻信號(hào)質(zhì)量，并減小噪聲。n（5）通過減小通路帶寬的方法，來減小群遲延失真并允許使用頻帶利用率更高的調(diào)制方法，以便增強(qiáng)系統(tǒng)的健壯性。n（6）在多頻載波中，使用頻率靈活的Cable Modem來減?。ɑ虮荛_）噪聲損害。用這種方法選擇那些在返回路徑上噪聲最小的載波頻率，以避免于窄帶的侵入噪聲，但它不是解決脈沖噪聲或放大器噪聲

12、的有效策略。n3.1.4 影響Cable Modem運(yùn)作的因素n1放大器的雙向問題n 現(xiàn)代的具有雙向通信能力的光纖/同軸混合（HFC）系統(tǒng)必須使用雙向工作的放大器，因而不管是上行方向還是下行方向，有效信號(hào)將被濾波后放大。n2頻率靈活性n 具有頻率靈活性的Cable Modem是指它可以調(diào)諧到任意一個(gè)上行或下行頻率。n3.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)n 如圖3.3所示為HFC數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成，其中，Cable Modem有外置式和內(nèi)置式兩種類型，一般放在用戶的家中。圖圖3.3 HFC的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)n一、Cable Modem及其內(nèi)部構(gòu)成n 電纜調(diào)制解調(diào)器（Cable Modem）是一種可

13、以通過有線電視網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)接入的裝置。n （1）從傳輸方式角度來看，可分為雙向?qū)ΨQ式傳輸和非對(duì)稱式傳輸。n （2）從數(shù)據(jù)傳輸方向來看，有單向傳輸和雙向傳輸之分。n （3）從網(wǎng)絡(luò)通信角度來看，Modem可分為同步（共享）和異步（交換）兩種方式。n（4）從接入角度來看，可分為個(gè)人Cable Modem和寬帶Cable Modem（多用戶），寬帶Modem可以具有網(wǎng)橋的功能，可以將一個(gè)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)接入。n（5）從接口角度來看，可分為外置式、內(nèi)置式和交互式機(jī)頂盒。n二、Cable Modem的工作配置n 在系統(tǒng)的前端放置Cable Modem前端設(shè)備（CMTS）。Cable Modem置于用戶端。

14、CMTS和Cable Modem間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)包雙向傳輸，HFC網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)通信協(xié)議確保數(shù)據(jù)包的傳輸。n1配置方法和配置內(nèi)容n Cable Modem和前端設(shè)備的配置是分別進(jìn)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，可通過VT終端或Win9x的超級(jí)終端程序進(jìn)行設(shè)置。n 前端設(shè)備（CMTS）的配置內(nèi)容主要有下行頻率、下行調(diào)制方式及下行電平等。n2通道管理n 上述設(shè)置完成后，如果中間的線路無故障，信號(hào)電平的衰減符合要求，則啟動(dòng)DHCP和TFTP服務(wù)器，就可以在CMTS和Cable Modem間建立正常的通信通道。n3多臺(tái)CMTS設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)n 當(dāng)用

15、戶數(shù)較多或傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大時(shí)，必須考慮使用多個(gè)下行通道，可將多臺(tái)CMTS設(shè)備連成網(wǎng)絡(luò)。n3.2.2 工作原理n Cable Modem中的數(shù)據(jù)傳輸過程如下所述。n在下行鏈路中，通過內(nèi)部的雙工濾波器接收來自HFC網(wǎng)絡(luò)的射頻信號(hào)，將其送至解調(diào)模塊進(jìn)行解調(diào)。n 在上行鏈路中，用戶的訪問請(qǐng)求先由媒質(zhì)訪問控制（Media Access Control，MAC）模塊中的訪問協(xié)議進(jìn)行處理。n1基于FDMA/TDMA技術(shù)的Cable Modemn Cable Modem對(duì)上行/下行數(shù)據(jù)信號(hào)采用不同的接入方式。下行采用廣播形式，Cable Modem對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)和同步處理后傳送給用戶計(jì)算機(jī)。n（1）上

16、行信道訪問方式n 多媒體電纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（Media Cable Network System，MCNS）把每個(gè)上行信道看成是一個(gè)由小時(shí)隙（mini-slot）組成的流，Cable Modem前端設(shè)備（CMTS）根據(jù)帶寬分配算法可將一個(gè)小時(shí)隙定義為數(shù)據(jù)時(shí)隙（Data Slot，DS）或競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙（Competition Slot，CS）。n（2）對(duì)服務(wù)類型的支持n 與局域網(wǎng)絡(luò)適配器物理地址一樣，多媒體電纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（MCNS）給每個(gè)Cable Modem分配一個(gè)48比特的物理地址。n（3）初始化過程描述n Cable Modem在加電之后，必須先進(jìn)行初始化，然后網(wǎng)絡(luò)才能進(jìn)行接收CMTS發(fā)送的數(shù)據(jù)及向C

17、MTS傳輸數(shù)據(jù)。n 獲得上行信道參數(shù)n 在這個(gè)階段中，CMTS向Cable Modem重復(fù)發(fā)送3種MAC信息：第一種是同步信息（SYNC），用以給所有Cable Modem提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)；第二種是上行信道描述（Up Channel Description，UCD），Cable Modem必須找到一個(gè)描述內(nèi)容與Cable Modem本身上行信道特性相符的UCD；第三種是由UCD所描述的上行信道的MAP信息，它包含了小時(shí)隙的信息，指出了Cable Modem何時(shí)可以發(fā)送數(shù)據(jù)和發(fā)送的持續(xù)時(shí)間，并由SYNC提供發(fā)送時(shí)間基準(zhǔn)。n 測(cè)距（Range）n 建立IP連接n 建立時(shí)間n 建立安全機(jī)制n2基于同

18、步碼分多址（S-CDMA）技術(shù)的Cable Modemn 同步碼分多址（Synchronous CDMA，S-CDMA）技術(shù)可以較完美地解決干擾性和容量問題。n S-CDMA應(yīng)用了調(diào)節(jié)技術(shù)來適應(yīng)電纜設(shè)備的動(dòng)態(tài)噪聲特征，通過減少調(diào)制方式產(chǎn)生的干擾和動(dòng)態(tài)地調(diào)整各個(gè)Cable Modem發(fā)射器的功率電平，從而增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。nS-CDMA技術(shù)使用HFC網(wǎng)提供的上、下行對(duì)稱6MHz帶寬的獨(dú)立傳輸通道。在6MHz帶寬中下行的傳輸速率是14Mbit/s，使用擴(kuò)頻技術(shù)，使上行窄帶干擾降低，不影響鄰頻傳輸，可與HFC網(wǎng)中其他調(diào)制方式的傳輸共存。n眾所周知，利用有線電視網(wǎng)進(jìn)行雙向傳輸有著一個(gè)令人十分

19、頭痛的問題（“漏斗”效應(yīng)），即在信號(hào)的下行方向是由中心向四周分散，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)終端而言所接受的噪聲是單條線路的串入噪聲，這些干擾不會(huì)影響正常的通信；而反之則不然，龐大的分配網(wǎng)絡(luò)對(duì)于中心機(jī)房而言仿佛是一個(gè)“大漏斗”，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的噪聲統(tǒng)統(tǒng)匯入中心機(jī)房，在中心節(jié)點(diǎn)迭加、混合。n基于S-CDMA技術(shù)的Cable Modem將無線通信中使用的擴(kuò)頻技術(shù)移植到電纜通信中，并采用碼分多址技術(shù)，使得其對(duì)HFC 網(wǎng)絡(luò)上行信道的噪聲和窄帶干擾有很強(qiáng)的抑制能力，即使在上行頻帶中520MHz這個(gè)干擾較大的頻率范圍以及其他Cable Modem無法正常運(yùn)行的范圍內(nèi)均能運(yùn)行。前 端光發(fā)射機(jī)光分路器光接收機(jī)前端光纜

20、傳輸系統(tǒng)同軸電纜用戶分配系統(tǒng)光纜CATV傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)型采用前端光纜干線傳輸同軸分配系統(tǒng)，是結(jié)合我國(guó)目前CATV的實(shí)際情況，對(duì)于遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)是一種較為理想的方案。nHFC,Hybrid Fiber Coax,光纖同軸電纜混合網(wǎng) n隨著現(xiàn)代CATV系統(tǒng)的發(fā)展，要求信號(hào)的傳輸距離不斷加長(zhǎng)，而電纜傳輸方式在傳輸損耗 、溫度特性、頻率特性、系統(tǒng)可靠性及信號(hào)傳輸質(zhì)量等方面的弱點(diǎn)更加突出。與之相比，光纜傳輸方式以其損耗低、不受電磁干擾影響及基帶帶寬的特性，將成為CATV干線傳輸?shù)闹髁鳌?n3.4.1 系統(tǒng)的基本構(gòu)成n 該市有線電視網(wǎng)是典型的HFC網(wǎng)絡(luò)，為了縮小初期投資規(guī)模，目前采用單網(wǎng)關(guān)單主控器形式。n1骨干網(wǎng)子網(wǎng)n 骨干網(wǎng)子網(wǎng)用于接入WWW服務(wù)器、E-mail服務(wù)器、FTP服務(wù)器及通過路由器與Internet相連。n2管理網(wǎng)子網(wǎng)n 管理網(wǎng)子網(wǎng)用于對(duì)網(wǎng)關(guān)、主控器及路由