有线电视网络doc-有线电视网络的数字化概念.doc

有线电视网络的数字化 金国钧 2002.4.10众所周知，广播电视的数字化已历经三十多年，大致已走过了节目制作系统的数字化和演播室系统的数字化两个阶段，目前已进入了传输系统的数字化阶段，以最终全面实现广播电视系统的数字化。换言之，广播电视系统的数字化，是一个从信源传输到信宿的全面数字化过程，缺一不可。亦即，是一个全部以“0”和“1”两个数字符号表征的过程，尽管人们看到的、听到的都仍是模拟的。我国广播电视传输系统目前主要有卫星、地面和有线电视三大系统。卫星系统已实现数字化，采用DVB-S标准。有线电视系统的数字化刚刚开始，其中数字电视广播系统采用了DVB-C标准（已发布行业标准），前不久全国数据广播已开播；双向数据业务传输系统标准正在制订。地面电视广播系统正处于试验阶段。1、什么是有线电视网络的数字化？11 什么是有线电视网络？* 国际标准中（DOCSIS）的定义：它是基于同轴电缆共享媒介、树枝型结构、点对多点的宽带接入网络。它可以是全同轴电缆的或是光纤同轴电缆混合（HFC）结构的模拟传输网络。* 我国标准中（GY/T106-1999）的定义：它是用射频电缆、光缆、多路微波或其组合来传输、分配和交换声音、图像及数据信号的电视系统。12 需要建立的网络概念* 有线电视网络无论采用何种网络结构、传输媒介及技术体制，其组成都应包括前端、传输系统及分配系统三大部分。* 有线电视网络视传输环境、规模大小的不同，其传输系统（干线、支干线系统）可以是同轴电缆（局域网）、光缆（城域网）、多路微波MMDS（局域网或城域网）或它们的组合而成。* 有线电视网络的分配系统是基于同轴电缆、树枝型结构的宽带接入网络。即采用树枝型结构来实现点对多点的用户接入，并在一根同轴电缆上采用非对称的频谱分割来实现非对称双向业务的传输。* 有线电视网络的功能，是传输、分配及交换图像、声音及数据业务信号。即以传输分配广播电视节目为基本业务，亦可传输、交换多媒体业务，即所谓的扩展业务和增值业务。13 HFC有线电视网络131 HFC的发展历程：* 1988.2 加拿大试验成功AM-VSB光纤系统，点对点光纤传送20套N制电视节目，传输距离13Km；* 1988.4 美国ATC公司试验成功AM-VSB光纤系统；* 1991.12美国 Timewarner在纽约皇后区建成150个频道（N制）的HFC局域网Quantum,设计用户规模1万户.* 1993年,美国AT&T公司提出HFC网络结构.* 1994年后, HFC被有线电视业广为采用,成为有线电视城域网发展阶段的主要结构模式。目前在中国80%城域网采用，在美国95%。132 HFC结构模式：*“星树型”小型城镇可采用“星”型光纤干线、“树枝”型同轴电缆分配接入；中型城市可采用“多星”（FTF）光纤干线、“树枝”型同轴电缆分配接入。*“环星树”型“环”型主干光纤（自愈环）、“星”型支干光纤及“树枝”型同轴电缆分配接入，适用于人口密集的大中型城市。133 HFC有线电视网络的带宽优势由表可见，HFC网络利用光缆干线、支干线延长网络的传输距离（DOCSIS规定前端到终端的最大距离为160Km）；并利用了共享媒介的同轴电缆的射频特性（1GHz）确保网络的宽带接入，其优势与采用铜双绞线接入的电信网和以太网相比十分明显：表1.1地面有线网物理底层传输带宽比较网络类别接入介质物理带宽接入方式传输速率（Mb/s）传输距离（Km）备注电信网铜双绞线4KHz（3003400Hz）NISDN0.128几十HDSL0.784约3.6DSL已商用ADSL1.5（下行）0.256（上行）约5.4SDSL1.5（上/下行）约3.6DSL未商用VDSL26（下行）1（上行）约0.3DSL未商用有线电视网同轴电缆1000MHz（5860MHz）HFC41/55（8MHz，下行）0.3210.24（0.26MHz，上行）几十64/256QAMQPSK计算机五类线/超五类线100MHz以太网10局域网（LAN）10 BaseT* 传输容量大其物理带宽是电信网双绞线的20多万倍、以太网五类线的10倍； 按现行HFC频谱分割，下行接入总容量（64QAM）3Gb/S，上行（QPSK）500Mb/S;* 传输距离远铜双绞线的传输距离随传输速率的提高而减少； HFC可在较长的传输距离上保持高速数据传输。* 信道成本低在DOCSIS标准中，推荐用IEEE 802.1d以太网标准采用的公式进行比较。 IEEE 802.1d中使用的公式为： 信道成本=1000/已连接的局域网速度（Mb/S） HFC采用Cable Modem接入的公式为： 信道成本=1000/（上行符号率长数据授权的每个符号的bit数） 即上行采用不同调制方式（QPSK或16QAM）的符号率决定了标准的信道成本，按照DOCSIS规定的五种上行速率可算出信道成本如下表：表1-2 CM的信道成本 符号率 缺省信道成本ksym/sQPSK16QAM 160 3125 1563 3201563 781 640781391 1280391 195 2560195 98对CMTS，该公式变为：信道成本1000/（下行符号率每个符号的bit数） * 业务适应性强HFC的非对称结构对非对称信息业务的适应性的优于对称结构的电信网（ADSL/VDSL正是将对称结构的双绞线接入网转变成具有非对称结构的传输特性，来适应非对称信息业务的）；HFC的非对称结构对视音频广播业务的适应性，至今仍是电信网和以太网所难以满足的。由此可见，HFC网络是一个传输容量大、传输距离远、信道成本低、业务适应性强、结构简单、运行可靠、建设成本低的宽带接入网络。14 有线电视网络的数字化上述情况说明，有线电视网络的数字化，应是指从前端、传输、分配及整个处理过程的数字化。即前端必须具有信源的数字处理能力，并以数字视音频及数据信号的下载，经数字化传输、分配系统由数字终端接收（STB或CM）鉴于对有线电视网络数据传输系统的研究和相关标准的制订，有线电视网络的数字化将是一个由模拟向数字技术体制的过渡过程。即目前是模拟的，将来最终是数字的，其间则是两者兼容的。过渡期间，模拟和数字将共存于HFC网络，且互不干扰。当然，涉及到传输系统的数字化，本来就广播电视系统数字化中技术难度最大、涉及面最广、运作最复杂的发展阶段。然而，有线电视网络的数字化已为期不远了。2、为什么有线电视网络要数字化？ 21 数字化的好处如果从受众视听特征考虑，包括有线电视网络在内的任何广播电视传输系统的输入/输出信号，在本质上都应是模拟的。然而，从数字化所能带来的好处看，还必须进行网络的数字化改造。网络数字化至少有三大好处：其一，是提高网络传输质量。即数字信号的抗干扰性和保真度要优于模拟信号：这是由于模拟信号在时间和幅度上都是连续的，因而在信号的采、编、录、制、播及接收的整个过程中，所产生的非线性失真和引入的附加噪声，都是“累加”的，保真度再好的系统亦难以使信号“复原”。而数字信号是只有两个电平值（“1”和“0”）的离散信号，即是在时间上和幅度上都离散化的信号，尽管在传输过程亦会衰减并受到噪声干扰，但由于两个电平值构成的数字脉冲序列，在传输过程中可经“判定”而再生，只要“判定”无差错，接收端的“再生”的数字信号并非“原”信号的复制，因而在理论上可以认为相当于将传输过程中引入的失真和噪声完全去除了。其二，是增强网络传输功能。即数字信号可以“会聚”，使系统的传输功能优于模拟系统。这是由于数字信号的比特流可以在一个传输信道内复接、交织，因而可以使辅助信号或数字信号与视音频一起被发送、存储或处理，从而使原来的广播电视频道具有拓展综合信息业务的能力。这就是实现了所谓图像、声音、数据在网上的“会聚”，或叫做“融合”。其三，是加大网络传输容量。即数字信号可以“压缩”，使系统的传输容量要远大于模拟系统。这是由于数字信号可以使用冗余度缩减的压缩编码（MPEG）技术，来提高频谱利用率；并利用前向纠错（FEC）编码技术，来增加系统传输的可靠性。因而使系统能以较低的运行成本，传送成百套高质量的数字声音、标清电视（SDTV）乃至高清电视（HDTV）节目。例如，现行的模拟电视信号（PAL-D）的传输带宽为8MHz，按CCIR601建议进行数字化处理：若亮度（Y）信号取样频率为13.5MHz，色差信号（R-Y,B-Y）的取样频率各为6.75MHz；按均匀量化PCM编码方式，每个取样按10比特量化（视频带宽为6MHz）；则可算得：亮度信号的码率为13.510=135（Mb/S）色差信号的码率为6.75210=135（Mb/S）亦即，编码后的数字电视信号为270Mb/S。显然，要传送这样数字化处理的电视信号占用的信道带宽太大（0.51）270MHz。然而，若采用压缩比大致在140：1的MPEF-1编码，则一路视频信号可控制码率在1.5/2/3Mb/S，其图像清晰度相当于VCD水平；若采用压缩比大致在70：1的MPEG-2编码，则一路视频信号可控制在码率在2/3/4/5/6/8Mb/S，其图像清晰度相当于DVD水平（码率的选取视图像活动程度而定）。由于8MHz带宽的信道经信道编码处理后的有效速率为38Mb/S（64QAM）/52Mb/S(256QAM)，则传送6Mb/S的MPEG活动图像，就可传送6套（64QAM）8套（256QAM），其图像质量高于专业级，要好于目前的模拟电视接收质量。上述三大好处，最终将导致网络带宽资源的优化分配和最佳利用，使资源的利用率提高、成本下降。22 广播电视数字化进程加快* 模拟电视终止由日世界上发达国家和地区，全面实现数字广播电视、终止模拟电视体制的时间表已基本确定在2010年前后。美国宣布在2006年，加拿大2007年，澳大利亚2008年，英、法、德、日、西班牙、新加坡、韩国等在2010年。* 有线电视数字化先行国家广电总局规划在2015年全面实现数字化电视广播。2005年数字有线电视广播将率先实现，目前正在进行13省市的试验。23 数据业务市场急剧增长从上个世纪90年代中期兴起的因特网推动下的信息革命，已风云全球。其网民数量以每69个月翻番的速度急剧增长，我国从1997年至今的发展速度亦有过之而无不及。据美国国际数据公司最近的报告预测，今年底全球网民将突破6亿，我国将接近3500万（2002年1月是3370万）。美国加特电子产品公司预测，到2003年，我国的网民将超过日本；届时，中国和日本的因特网用户总数将达到1.515亿户，占亚太地区的61%（预测亚太地区的市场价值约172亿美元）。因特网推动下的信息革命，在个性化通信上至少带来两方面的直接效果。家庭PC机拥有率急剧增长：据对全国31个大中城市的调查表明，我国家庭PC机的拥有率，从1999年的21.2%增长到2001年的38%。其中，北京高达64.7%，厦门50.5%，广州49.7%，上海49.1%，杭州45.4%，南京41.5%，郑州40.9%，长沙40.6%，济南39.7%，昆明39.6%，南宁39.2%，均高于全国城市平均数。* 网站数量急剧增长：据统计，我国2001年的网站总数已达约24万个，其中在北京占20%以上。数据业务急剧增长，必然导致对网络带宽的急切追求，造就网络运行商的巨大商机。于是：* 电信业在改造城市电话网的基础上，采用ISDN（一线通）或ADSL（超一线通）来开发数据业务市场，满足用户需求。据报道，2001年全球ISDN用户约为1.04亿，我国约100万户（其中北京近22万户）。预计VDSL在明、后年亦将推出商用。从表1.1可以看出，这些DSL技术是基于窄带的铜双绞线上来拓宽等效带宽的，尽管有其局限性（速度越高，传输距离越短），但在开发数据业务市场上无疑是有贡献的。* 专业通信业，如联通、网通、铁网、吉通等，亦都在各自独有的网络基础上，通过不同方式组建城域接入网，以图直接拥有数据业务市场份额。* 有线电视业开始了数据业务的试运营。据了解全国有约20多个城市、地区的有线电视系统开始了数据业务的运营。其经济效果是10%的家庭PC机接入的年收入，相当于100%有线电视用户的年收入。其技术效果，是在线通信、速率高、容量大、不掉线。显然，若能充分利用广电行业的节目、信息源优势，、HFC网络的宽带资源优势及有线电视用户市场的潜在优势，有线电视网上开发数据的前景，似应十分看好。3、怎样实现有线电视网的数字化？31升级改造HFC网络（物理底层）311单向传输改成双向传输（要点）表3.1 HFC双向数据传输系统频谱划分（MHz）ITUTJ.112Euro DOCSIS1.1GY-T106-1999欧DVB-C/DAVIC1.01.2美DOCSIS1.0日本上行5655421055565565下行701303008628886090770108862FM87108TV1101000 采用“主前端+分前端”的多中心网络结构。 光路上采用空间分割，即上/下行各用一根光纤。 电缆上采用频率分割，即我国应采用上行频谱为565MHz，下行频谱为108862MHz，其间87108MHz为FM广播频段，6587MHz为隔离带。见表3.1。 光节点尽量后移（靠近用户群），即每个光节点用户数量应控制在5002000户内，或更少。 光节点后的放大器（双向）数量应尽量少（13级） 树枝型分配系统拟采用分配分支接入方式，以免终端用户设备开路造成的失配。 终端盒拟采用TV/PC接头盒（F型/75），应有一定隔离度（22dB）。FM端口是否设置，拟视实际需要，但切忌开路，以免入侵干扰。 严格控制网络工程施工质量，切忌接头松动、电缆屏蔽层脱落。312上/下行RF频道传输特性 升级改造后的双向HFC网络，应达到表3.2和表3.3规定的上/下行传输特性要求。表3.2下行RF频道传输特性参数比较参数规定值DOCSIS V1.0Euro DOCSIS V1.1GY-T 106-1999频道间隔(MHz)688传输延时(ms)0.80.8带内载噪比(dB)354443载干功率比(dB)355257（单频干扰） 54（单频互调干扰）载波复合三次差拍比(dB)505754载波复合二次差拍比(dB)505754交调电平(dBc)-40在考虑中交扰调制比46+10Lg（N-1）带内频响(dB)0.52.52载波交流声比(%)5(-26dBc)0.5(-46dBc)3CMTS带内群延时波动(ns)75100(0.54.43MHz)主回波的微反射界限-10dBc0.5S -15dBc1.0S -20dBc1.5S -30dBc1.5S回波值7%突发噪声在10Hz平均速率时25S系统输出口电平-517dBmv6077dBV6080 dBV信号电平变化(dB)88信号电平斜率(dB)(50750MHz)16（85862MHz）12表3.3 上行RF频道传输特性参考比较参数规定值DOCSIS V1.0Euro DOCSIS V1.1ETS 300800传输延时(ms)0.8（通常更少）0.8（通常更少）载噪比(dB)252222载干功率比(dB)252222载波干扰比(dB)252222载波交流声比（%）7（-23 dBc）7（-23 dBc）7（-23 dBc）频率响应542MHz:0.5dB/MHz565MHz:2.5dB/2MHz565MHz:2.5dB/2MHz群延时波动542MHz:200ns/MHz565MHz:300ns/2MHz565MHz:300ns/2MHz微反射单回波 -10dBc0.5S -20dBc1.0S -30dBc1.0S回波比15%突发噪声在1KHz平均速率时：10S信号电平变化(dB)812 由表可见，EuroDOCSIS V1.1的下行RF频道传输特性，完全兼容我国行标GY/T106，其上行传输特性则完全兼容欧洲标准ETS300800。32 上行通道的频谱利用众所周知，HFC网络的上行（回传）噪声，由于树枝型电缆分配系统的汇集，形成所谓“漏斗”效应，使回传噪声累积到前端，将严重恶化上行信道的信噪比，并将影响下行业务的正常运行。因而，如何减少回传噪声的干扰，提高上行通道的频谱利用率，一直是确保HFC网络的上/下行传输特性及其运行效率的关键问题。从回传噪声对电缆系统的入侵途径分析，大致可分为窄带干扰和脉冲干扰两类： 窄带干扰：是指上行频带内，已先于指配给各种无线电业务的频率对上行信道所形成的干扰。其中包括：* 无线电广播主要是30MHz频段内的诸多大功率AM短波广播所形成的干扰。* 业余无线电和民用波段尽管其发射功率远小于广播业务，但它们位于居民区，靠近系统的电缆，因而成为潜在的本地干扰源。反之，上行信号经电缆的辐射也会对业余无线电爱好者的接收机形成干扰。* 其它业务诸如海事移动通信、航空移动通信、宇航、固定点对点通信及标准频率、时间信号等。由于它们的发射功率都比广播业务小的多，且一般不在居民区，通常可不予考虑。由于上述窄带干扰的干扰频率和干扰场强因地区而异，故对当地电缆分配系统造成的干扰程度，应由实测而定。在DOCSIS V1.0标准中，列表提供了北美地区的窄带干扰源的频率使用情况。减少本地窄带干扰的办法，只能是在上行通道的安排时，“避开”经实际测定可能引起干扰的频率，以确保上行信道的正常运行。虽然这样做会影响上行频谱的利用率，但却是必要的。 脉冲干扰：是指用户端周围的工业电器和家用电器所形成的宽带干扰。其中包括：* 工业电器主要是室外电焊、马达等工业电器设备产生的电火花干扰，其干扰频谱极宽。* 家用电器主要是室内荧光灯、电吹风、抽风机及电视机等常用电器设备产生的脉冲干扰。对于上述电器设备的干扰，尽管各国都有相关的电磁环境干扰标准（EMC）规定，但设备的老化程度甚难控制，尤其是电视机。由于脉冲干扰的频谱极宽，其对上行信道的影响程度亦因地而异，因此减少此类干扰的途径，通常是采取加强系统“屏蔽”隔离的办法，即接入同轴电缆、接头的屏蔽特性应予重视，尤其是对老化程度极难控制的电视机接入，必要时终端接入盒可能要插入滤波器隔离。为此，在电缆分配系统的构筑中可能要付出经济代价，但这也是必要的。当然，亦可采取牺牲上行频谱利用率的办法：由于脉冲干扰大多数是在15MHz频带内,因而在Euro DOCSIS V1.1中提出,亦可采取“避开”的办法即可将上行信道优先安排在2565MHz频带内。只要本地的上行业务需求能满足，这也不失为是一种经济实惠的办法。对于回传噪声（窄带/脉冲）可能带来的上行信道传输质量下降的情况，IEC60728-10标准中亦有描述，见表3.4所示。 表3.4上行频谱内传输质量下降的原因干扰频率传输质量下降的原因515MHz脉冲干扰、窄带干扰、FM广播中频、群延时变化7、10、14、18、21、28MHz业余无线电发射机可使用频率27MHz地面民用（CB）广播（ISM频带）38.9MHz电视中频（也有其它频率的）上行频带边缘群延时变化上述分析说明，由于回传噪声的影响，上行通道的频谱利用率将与本地的电磁环境相关。为此，又涉及到电缆分配系统的构筑质量（终端用户的规模及物理系统的屏蔽特性等）但无论如何，上行通道是不宜作高速率数据业务传输的，因此在信道参数的规定上应有别于下行通道。33 采用先进的传输系统标准331标准概况 建立交互式有线电视系统的技术标准研制工作已历时近十年，近五、六年内已见有各种标准版本发布。目前见到的国际标准中，最有影响的是国际电联（ITU）在1998年初1999年初先后发布的ITUT J.83/J.112标准，它是在欧洲、北美及日本地区工作基础上形成的技术规范，其基本文件是欧洲的DVBC/DAVIC1.2和北美的DOCSIS1.0版本。最新的标准版本，有1998年11月6日通过的DAVIC1.5版本，它在1999年作为ETS300800V2发布；它是在DVBC/DAVIC1.2基础上的衍生和扩展，对原版本中的交互信道特征，尤其是通信协议作了大量补充和完善，也被称之谓“DAVIC CableModem”。还有，在19992000年陆续发表的DOCSIS V1.1版本。其中仅“射频接口规范”就修订了6次（1999年3次，2000年3次），目前见到的是2000年12月15日发布的“SPRFI V1.1106001215”版本，即第6次修订后的版本。同样，DOCSIS V1.1也是DOCSIS V1.0的衍生和扩展，其增加的动态带宽分配机制，提供的增强型QoS机理及其有效负载标头抑制规定，及扩展的欧洲规范（附录N）和VOIP功能，对提高系统的传输效率及其适用性的扩展，无疑都颇有贡献。应该看到，近五、六年间发表的交互式有线电视系统标准，是全球数据业务市场兴起并急剧增长对网络带宽追求的一种反映。因而，这些标准的研制、发布，应是一个在市场需求推动下的网络技术进步过程，也是一个在实践基础上的理论提高过程。系统标准的衍生、扩展、升级，其目的是使系统的信道利用率更高、传输速率更快、通信质量更好、信息安全性更强，而系统造价则可望更低。332兼容性考虑 兼容性，是建立交互式有线电视系统及其标准的制定、采用的过程中必然要考虑的问题，也是上述变革过程中必须解决的问题。例如，在有线电视网上建立数据业务交互式系统，必须考虑和/或适应模拟电视向数字电视技术体制过渡的要求；即数据交互式系统的建立不能影响现行模拟电视的传输，而这一过渡过程的终止，在全球大致尚需10年（约2010年），我国大致在2015年。这是否应视为系统的建立及其标准的制定、采用过程中，要考虑的后向兼容性问题。又例如，交互式系统的建立，必须考虑对急剧增长的通信容量和日趋提高的通信质量的适应性要求；即系统必须具有开放性、扩展性的特性。这是否应看作是前向兼容性问题。兼容性是上述变革过程中带来的问题，它往往带来技术实现上的复杂性，同时会涉及到系统及其标准的适应性。然而，它又是有线电视业必须考虑的问题，妥善的解决，将使行业发展长期受益。333现行标准的兼容性1由于有线电视发展的历史原因，及前述有线电视业务的后向兼容性问题，势必使全球各地区采用的交互系统标准的相互兼容受到一定牵制。例如，DVBC/DAVIC标准是基于欧洲DVB的广播系统标准制定的，它适用于PAL制的有线电视网络，因而能与PAL制模拟电视传输共存于HFC有线电视网络；亦即，它适用于PAL制标准的欧洲市场及相应市场。而DOCSIS V1.0标准是基于北美MCNS标准制定的，它适用于NTSC制的有线电视网络，因而能与NTSC制模拟电视共存于HFC网络。亦即，它适用于NTSC制的北美市场及相应市场。由此可见，两者不兼容。其最直接的原因就是交互系统的建立必须考虑的模拟电视传输过渡问题，因而在下行数据信道的设置上必须遵循原有模拟制式的频谱结构（PAL制为7/8MHz，NTSC制为6MHz）。否则，很可能使问题复杂化：信道带宽设定过宽（例如N制网络中采用DVBC/DAVIC系统），可能要重新计算和测试谐波干扰的影响；信道带宽设定过窄（例如PAL制网络采用DOCSIS系统），则可能造成频谱资源的浪费。当然，两者不兼容还有传输的特性参数、信道参数、通信协议等多方面的规定不同。这种系统标准的不兼容，是完全可以理解的，既有发展历史上的原因，更有市场上的利益问题。2、 交互式有线电视系统标准的扩展或升级版本，一般都具有该系统标准的后向兼容性。亦即，该系统标准新的（修订）版本应兼容旧的（原有）版本。例如，DAVIC1.5应兼容DAVIC1.2，DOCSIS V1.1应兼容DOCSIS V1.0；其意指符合该系统标准新版本的头端设备（INA/CMTS）应能兼容旧版本的终端设备（STB/CM）的互操作。维持其旧版本的系统性能。例如，DOCSIS V1.1的CMTS，可以兼容V1.0的CM，使之与V1.1的共存于同一HFC网络。当然，要达到新版本所规定的系统性能，则必须采用符合新版本的终端设备。34通讯协议的比较HFC有线电视网络的双向数据业务传输，其实就是前端的CMTS与终端的各CM之间的数据业务通信，因此必须遵循一定的传输规则，按一定的通信协议运行。现已发表的国际标准中，交互系统的通信协议是按多层结构的协议堆栈规定的。一般规定到物理层、数据链路层及网络层，而对于网络接口的规定，仅包括物理层和数据链路层。由于网络层以上与网络的业务功能、管理功能密切相关，故作为国际通用规则很难描述，J.112在标准中未做详细规定。但时隔一年，扩展的DAVIC 1.5版本和升级的DOCSIS 1.1版本，已有了大量补充，尤其是后者对网络层及以上也有了更明确的规定 。341 通信协议堆栈图3.3所示为欧、美现行标准定义的系统协议堆栈。DOCSIS V1.0（ITU-T J.112附件B）Euro DOCSISV1.1DVB-C/DAVIC1.01.2（ITU-T J.112附件A）更高层应用传输层用户数据协议（UDP）或传输控制协议（TCP）网络层互联网协议（IP）链路层DOCSIS媒体访问控制（MAC）DAVIC MAC（V1.5）物理层下行传输会聚子层（为视频下行设）PMD（带内/带外）物理媒介从属子层（PMD）HFC图3.3 HFC网络交互系统协议堆栈比较由图3.3可见，欧、美现行标准定义的系统协议堆栈，都是按开放式的层次设定的，且在网络层及以上的设置相同（DVB-C/DAVIC1.01.2只定义到链路层标准中称之为“传输层”），但在物理层设定有所不同，由此亦导致链路层的MAC规定不一。* DOCSIS定义的物理层中，在PMD与MAC层之间插入了下行传输会聚子层。这是专为数字视频下行传输设定的（若没有视频下行业务，该子层可以取消），其传输包格式同样采用了MPEG-2编码方式，如图3.4所示。MPEG标头（4字节）指针域（1字节）MCNS有效负载（183或184字节） 图3.4 带有MCNS数据的MPEG包格式 * 物理媒介从属子层（PMD），是在HFC网络基础上对上/下行信道参数的一系列规定，包括对频率范围、信道带宽、调制方式、信道编码、接入方式（信令）、保真度、均衡器等规定。这些规定都有赖于CMTS和CM的支持，亦即，CMTS和CM的输入、输出特性必须满足这些规定的要求。DVB-C/DAVIC标准是基于DVB数字视频广播的数据交互系统，因而其PMD层在前端INA（交互网络转接器）与终端NIU（网络接口单元）或STB（机顶盒）之间，设置了带外（OOB）和带内（IB）两种下行信号方式：在OOB信号情况下，就必须增加指定频率的下行通道来传输交互数据和控制信息。而在IB信号情况下，则将交互数据和控制信息嵌在DVB-C信道的MPEG-2 TS流中。尽管两种系统均可提供相同质量的服务，但OOB机顶盒与IB机顶盒会有差别，即在同一网络中一般只能采用一种系统。若两种系统一定要在同一网络中运行，则每个系统的频率要不同。从该标准规定的参数看，适应低速数据交互的是OOB系统，下行可使用1.544Mb/s或3.088Mb/s的速率；但其发送的信号是基于T1帧格式的，因此必须先将IP数据包（或信令）封装到ATM信元中，再将ATM信元封装到T1帧中。由此可见，基于IP的DOCSIS/Euro DOCSIS系统比基于ATM的DVB/DAVIC系统简单，在数据传输上的延时和抖动亦会小些。342 信道参数表3.5所列为欧、美现行标准规定的交互系统信道参数。其中欧标DVB-C/DAVIC的下行信道参数为OOB下行信道的特性参数。前三项括号内是IB参数。表3.5 系统交互信道主要参数标准参数DOCSIS V1.0Euro DOCSIS V1.1DVB-C/DAVIC V1.01.5下行上行下行上行下行上行调制方式64/256QAMQPSK16QAM64/256QAMQPSK16QAMQPSK（64/256QAM）QPSK传输速率（Mb/s）27/380.32/0.64/1.282.56/5.12/10.24*38/520.32/0.64/1.282.56/5.12/10.24*1.544*3.088（38/52）0.256*/1.544*3.088/6.176*信道带宽（MHz）60.2/0.4/0.81.6/3.2/6.4.80.2/0.4/0.81.6/3.2/6.4.1/2（8）0.2*/1*/2/4*频率响应（奈奎斯特滤波特性）64QAM=18%256QAM=12%QPSK=25%64/256QAM=15%QPSK=25%QPSK =30%信道编码MPEG-2RS（128，122）卷积I=128格形编码 RS，T=010加扰，预均衡K：固定和缩短16253字节MPEG-2RS（204，188）卷积I=12RS，T=010加扰，预均衡K：固定和缩短16253字节MPEG-2RS（204，188）卷积I=12 ATM：（55，53）交叉卷积RS（59，53）频率稳定度50PPm符号率准确度50PPm接入方式同右（V1.1）FDMATDMAFDMTDMA输入电平（dBV）-1625dBmV*-1515dBmV4486*4373（64QAM）4777（256QAM）4275输出电平（dBV）5061dBmV855dBmV（16QAM）858dBmV（QPSK）11012168115（16QAM）68118（QPSK）85113或85122输入/出阻抗75注：* 为可选； 注：* CMTS中的上行解调器的最大输入功率，在标准有所规定：DOCSIS V1.0规定为35dBmV，并列表规定在0.325.12Mb/s的不同上行速率时，CMTS上行解调器的相应额定接收功率分别在-1625dBmV范围内。Euro DOCSIS V1.1规定为95dBV，并亦规定了不同上行速率时的CMTS上行解调器的额定接收功率范围，见下表3.6： 表3.6 CMTS上行解调器额定接收功率 上行速率（Mb/s） 接收电平范围（dBV）0.3244740.6447771.2850802.5653835.125686由表3.5可见，Euro DOCSIS V1.1标准在信道参数的规定，可兼容DVB-C/DAVIC V1.标准。两者在满足HFC网络数据交换业务的传输上，都采用了适用的技术来提高传输效率，这在技术上值得借鉴： QAM/QPSK调制方式在HFC网络具有较好的传输信道载噪比（C/N）的情况下，采用了正交调幅（QAM）和四相移键控（QPSK）两种调制方式，来满足下行和上行信道的传输要求。由于下行要满足视、音频和数据业务的会聚，传输容量大，但C/N可以做得高，故采用64QAM调制（C/N高的网络，也可以用256QAM调制）以取得较高的传输速率。而上行信道传输的电磁环境较差，C/N较低，故采用了抗噪能力较强的QPSK调制方式，以满足较低速率的数据上行业务（C/N较高的网络，也可用16QAM，以取得较高的传输速率）；这样也避免了为提高上行通道C/N而付出更大的经济代价。显然，在多速率上行的支持上，Euro DOCSIS比欧标更灵活些，不但有6种上行速率，还多一种16QAM的设置。 在两种调制方式同时采用的情况下，为增强CM作为终端设备的互换性，系统标准要求它必须同时具有16QAM和QPSK的调制功能，而对前端的上行调制器则可以是两者之一或两者都提供。 FDM/TDAM接入方式数据业务通信系统采用何种接入方式，一直有好坏、高低之争。其实关键仍在于其适用性的问题，即其对系统传输业务的适应性及其传输效率问题。在HFC网络交互系统中，前端的CMTS面对众多终端CM，在MAC控制下，下行传输多为稳定信息，即下行信道属于媒介共享，因而标准中规定采用频分复用（FDM）接入方式。而CM上行的任何操作亦受控于CMTS：即CM采用突发调制方式，争用请求传输时间，并在争用到限定时隙数范围内上行传输数据；CMTS则采用规定上行微时隙和动态混合的争用/预留上行传输机制，来控制宽带的分配。亦即，CM在MAC控制下，经上行信道与CMTS的信息联系，在本质上是点对点的通信，因而标准中规定采用时分多址（TDMA）接入方式。实践证明，对于交互系统的下行稳定传输，在MAC控制下，FDM的效率要比TDMA高（一般高2030%）。而对于上行不稳定传输，由于期望带宽能动态的分配给更多的用户，故采用TDMA的效率要比FDM（或FDMA）高得多。因而，在HFC有线电视交互系统中，采用FDM/TDMA接入方式来控制上、下行信道的带宽分配，有利于提高频谱效率。 信道编码方式从表3.5中所列的欧、美两种系统标准规定的信道编码可见，两者的 纠错编码（FEC）中的外码均采用了Reed Solomon（RS）编码方式，为满足MPEG-2视频下行传输，欧标采用了DVB-C规定的RS（204，188）编码。内码则采用了卷积编码方式。然而，由于DVB-C的数据传输是基于ATM信元的数据包格式，即采用了53字节固定长度的数据包格式；而DOCSIS的数据传输则是基于IP透明传输的数据包格式。因而，上行数据的突发长度，欧标为固定53字节，而美标则为可变长度（最小步进为16字节）的固定和缩短FEC编码（16253字节）。343 MAC层从标准定义的系统协议堆栈图3.3中可以看出，MAC子层作为链路层最主要的技术规范（链路层还包括逻辑连接控制、连接安全两个子层），处于整个系统协议中物理层与更高层之间的“管理实体”的位置，它起着承上启下的作用。即对于CMTS与CM之间的每一种连接，它都必须接受更高层的指令，作为更高层的执行层；而对于物理层，它却是链路管理的集合，即它是由MAC分配和管理协议操作上/下行信道的集合，如图3.5所示（为DOCSIS规定的CMTS与CM间的数据传输的协议栈）。 CMTS堆栈 CM堆栈IP IP数据链路层传送802.2/DIX LLC802.2/DIX LLC透明桥802.2/DIX LLC 链路安全链路安全电缆MAC电缆MAC802.3/DIX MAC物理层下行传输会聚下行传输会聚802.310Base-T电缆PMD 电缆PMD CMTS-NSI 电缆网络传输 CMCI接口去/来网络设备 接口去/来用户前端设备应注意，这个称之谓MAC传输器的“管理实体”是一个“抽象实体”。其存在的必要性，主要是因为HFC的下行信道是共享介质的，而上行信道在本质上则是点对点的，因而有这个MAC层以便在站点之间提供连接性。3431 MAC帧格式这里的帧，指的是数据链路层的两个或多个实体间数据交换的单元。MAC帧，即是MAC子层CMTS与CM之间数据传输的基本单元。为此，欧、美的系统标准中，对MAC帧的格式都作了统一规定。图3.6所示，为DOCSIS规定的一般MAC帧格式。 PMD开销（上行）MAC标头PDU数据（可选）MPEG PSI标头（下行）MAC帧图3.6一般MAC帧格式 由图3.6可见，一般MAC帧格式由物理层（PMD）开销、MAC标头和数据包数据单元（PDU）组成。其中，PMD开销包括前同步信号、上行的同步模式及下行的MPEGPSI标头。MAC帧的第一部分是MAC的信息标头，它描述跟在后面的PDU数据的格式及其是否存在，因而它唯一地说明了MAC帧的内容。为此，标准中对MAC帧的标头又作了格式上的分类规定,其中包括一般MAC帧标头格式、MAC专用标头（定时标头、管理标头、请求标头）等的一系列规定。3.4.3.2、组帧方式前已述及，由于欧、美的系统标准采用的数据包格式不甚相同，因而组帧方式也不一样。下表3.7所列为欧、美标准的组帧方式。 表3.7组帧方式比较 标准分类DOCSIS V1.0/Euro DOCSIS V1.1DVB-C/DAVIC 1.5组帧方式上行IP突发IPATM突发下行IPMPEGIB：IPMPEGOOB：IPATMT1传输效率约80%5072%由表可见,由于上行突发数据包和下行传输数据流的帧格式不同,影响到数据传输的效率。欧标规定的系统中，由于有IP数据封装到ATM信元的过程（OOB下行还要封装到T1帧格式中），因而开销要大些，传输效率亦低些，为此亦影响到信道利用率的降低。3.4.3.3、管理功能MAC管理CMTS与CM之间的信息传输，其协议可划分为三类。 初始化管理： 图3.7所示，为初始化管理程序。这是每一个CM（NIU/STB）在开机后必须完成的程序。该程序只要CM（NIU/STB）开机，就在CMTS（INA）与CM（NIU/STB）间周期行进行，但程序中没有信息主体的运行，仅作连接前的准备。CMTSCM（INA）（NIU/STB）开播信息 开播响应信息开播测距和功率校正信息 测距和功率校正响应信息 初始化完成 图3.7测距和校正信令由图可见，CMTS（INA）将周期性地发出（MAC）开播申请信息，当CM（NIU）接收到后将在测距控制时隙中发回（MAC）开播响应信息；当INA接收后，即表示初始化完成。上述初始化程序中：开播申请和响应的过程，主要是CM（NIU）的地址核对过程，以确认CM（NIU/STB）是否已在MAC地址中登记；测距和功率校正过程，主要是对距离不一的CM（NIU/STB）进行对其输出功率和时间偏移的调整，以确保