（通信与信息系统专业论文）qpsk中继系统与64qam全数字解调内核的仿真与实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 第一章给出了一个关于h f c 网络研究和发展的概况。介绍了i - i f c 网络发展的背景、有 关标准、体系结构、关键技术以及网络的操作和管理。本章最后还讨论了h f c 网络发展的 前景。 第二章简要的介绍了q p s k 中继系统和6 4 q a m 解调内核的系统结构和各模块的功能，同 时还大概的分析了q p s k 解调和6 4 q a m 解调的区别。 第三章具体地分析了在解调算法中各个模块所用的算法和实现方法，同时提出了一个较 为通用的锁相环路的模型，利用这个模型可以比较简单的设计各种数字锁相环路。最后比较 详细的分析了各个数字锁相环路的误差提取算法。 第四章简要的介绍了从m a f l a b 设计到f p g a 实现的过程，实际上这是一个先理论仿真， 再系统硬件实现，最后再理论与实践相互验证的过程，这是一个比较有用的设计过程。 第五章这一章分析了q a m 调制解调系统的理论误码率，得到了m 进制q a m 调制解调 系统的误码率公式，同时记录了m a 廿a b 系统的仿真结果，两者相比较，结果是相近的。 第2 页( 共4 7 页) 塑望盔兰堡主兰篁堕壅垒塑! 墨竺! a b s t r a c t n o w a d a y s w i t hm o s to ft h e t r u n kn e t w o r k sh a v i n gb e e nw i d e db yo p t i c a l 硒瓯t i l e t r a d i t i o n a l t w i s t e d p a l tc o p p e r w i r ea c c e s sn e t w o r k sa r eb e c o m i n gt h eb o t t l e n e c kf o rt h e d e v e l o p m e n to fb i s d na n dj n f o r m a t i o ns u p e r h i g h w a yp r o v i s i o n so f b r o a d - b a n db a s e d s e r v i c e s r e q u i r ean e wg e n e r a t i o no fa c c e s sn e t w o r k s t b el a r g ee x c e s sb a n d w i d t ha v a i l a b l ei nt o d a y s c a b l et vh y b r i df i b e r c o a x i a lf h f c ) p l a n t sm a k ei ta ni d e a lc a n m d a t et op r o v i d eam o r ea t t r a c t i v e a n dp r o m i s i n gs o l u t i o nt h a nt h ea l t e r n a t i v e sf o r “l a s tm i l e ”c o n n e c t i v i t yt ot i i eh o m e s u c ha sd s l a n dw l lt h i st h e s i sp r e s e n t st h es t u d ya n di m p l e m e n t a t i o no ft h em a c l a y e rp r o t o c o li nh f c n e t w o r k c h a p t e r1g i v e sab r i e fs u r v e yo nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nh f c ，e m p h a s i z i n gs e v e r a l i m p o r t a n ta s p e c t s s u c ha st h e b a c k g r o t m d s t a n d a r d s ，s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，k e yt e c h n i q u e s ， o p e r a t i o n a n dm a n a g e m e n tt h ef u t u r eo fh f c i nb r o a da c c e s si sa l s od i s c u s s e di nt h i sc h a p t e r c h a p t e r2i n t r o d u c e st h es y s t e ms t r u c t u r eo fq p s kr e l a ys y s t e ma n d6 4 q a md e m o d u l a t i o n c o r ea n dt l l ef u n c t i o no fe a c hm o d u l eb r i e f l y ；o n et h eo f i a e l h a n dt h i sc h a p t e rt e l l st h ed i f f e r e n c e b e t w e e nq p s kd e m o d u l a t i o ne n d6 4 q a md e m o d u l a t i o n c h a p t e r 3a n a l y s e st h ea l g o r i t h mo fe a c hr o o d u l ea n dt h ew a yi nw h i c ht h em o d u l ec a r r i e so u t i nd e t a i lt h e r ei sa l la l l - p u r p o s em o d e lo fd i g i t a lp h a s e - l o c k e d - l o o p ( p l l ) i nt h i sc h a p t e r i ti sa l l e a s yw a y t od e s i g na 1 1k e n d so f d i g i t a lp l lt h r o u g h t h em o d e li nt h ee n dt h ec h a p t e r a l l a l y s e $ t i l e a l g o r i t h mo f e r r o r o b t a i ni ne a c hd i g i t a lp l l c h a p t e r4i n t r o d u c et h ep r o c e s sf r o mt h ed e s i g no f m a t a bt ot h ec a r r r a n go u to ff p g ai n f a c ti tl sap r o c e s so fs i r e u l a t i o nl nt l l e o r yf i r s t 也e l lr e a l i z i n gi nh a n d w a r ea n dv e i 4 f yt h er e s u l to f r e a l i z i n gw i t hs i m u l a t i o ni t1 sau s e f u ld e s i g n i n gw a y c h a p t e r 5 a n a l y s e s t l l eb i te r r o rr a t eo f6 4 q a md e m o d u l a n o 丑i n 血e o r ya n dg e t st h e e x p r e s s i o n so ft h eb i t e r r o ri nm - r a yq a md e r o o d u l a t i o u t 1 1 i s c h a p t e rr e c o r d st h es i m u l a t i v e r e s u ho f t h em a a bs y s t e m1 1 1 ed i f f e r e n c eb e t w e e n 也et h e o r ye n dt h ep r a t i c e 第3 页( 共4 7 页) 塑笙查兰堡主兰垡丝茎一墅= ：! ! 童垒 第一章绪论 本章首先从网络现状出发，介绍了现有的几种宽带接入技术，从而引出了混台光纤侗 轴电缆( h f c ) 网络技术。然后介绍了h f c 网络发展的历史和主要的国际标准，讨论了h f c 网络上进行双向传输所要解决的几个主要的技术问题，分析了h f c 网络发展的前景，最后 给出了本文的主要工作。 i 1 网络现状和宽带接入技术 随着通信的发展及“信息高速公路”概念的提出，网络建设将纷纷面向集视频、话音、 数据于一体的宽带综合业务，网络运营者不仅要提供基本的电话业务，还要从窄带电话、传 真、数据和图像业务逐渐向可视电话、视频点播( v o d ) 、图文检索和i 每速数据等宽带新业 务领域延伸 9 】。 进入9 0 年代以来，我国的网络建设取得了巨大的成就，电信网络、广播电视网络和计 算机网络同时成为我国信息化基础设施的三大骨干网络，它们的发展都已经具有相当大的规 模。我国电信网络的规模位居世界第二，长途业务电路1 6 3 万路，本地交换设备容量1 3 5 亿门；截止9 9 7 上网主机1 4 6 万台，上网人数4 0 0 多万。中国c a ：t v 网络是世界第一大网 络，现有有线电视用户8 0 0 0 多万，每年还以5 0 0 万户的速度增长，经广电部批准的有线电 视台近2 0 0 0 座，全国和各省市、县的c a t v 联网正在形成【8 】。 目前，电信网和c a t v 网的骨干网络采用s d h 或者a t m + s d h 方式以及d w d m ( 密 集渡分复用) 的光纤传输网络、卫星中继等传输方式，其带宽和可靠性都已经进入成熟状态， 在网络的接入层面，采用s d h 、p o n 和a t m 接入交换机等技术，也实现了数字化和程控 化，为语音通信、数据通信、图像通信奠定了良好的网络基础【8 】。但是向用户提供服务的 通信网的“最后一公里”用户接入网仍为传统的铜缆对绞线，传输模拟信号，传输速率 低、资源利用率不高，配置不便，已经远远不能满足现代各种多媒体通信业务的带宽要求， 成为现代通信网络优化的难点，制约着传统通信网向数字化、综合化、宽带化的现代通信网 过渡。 由于传统的铜缆对绞线接入方式满足不了现代通信的需要，为此相继开发出各种用户接 入网的解决方案，如光纤用户环路( f i t l ) 系统、数字用户环路( x d s l ) 系统、无线用户 环路( w l l ) 系统、混合光纤同轴电缆( h f c ) 系统等i l l - 【l 4 】。 光纤用户环路( f i _ n r 叩i b e ri nt h el o o p ) 系统 光纤是现有的传输带宽最宽的介质，目前主干网中己大量采用光纤，如果将光纤应用到 用户环路中，则可以满足将来几乎所有的宽带业务的需要【6 】。f r r l 采用数字传输技术，传 输双向交互式业务，网络结构分有源光纤网( a o n a 甜v eo p 6 c a l n e t w o 血) 及无源光纤 网( p o n p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) ，它由光环路终端( 0 l t ) 、光配线网络( 0 d n ) 以及用 户侧的光网络单元( o n u ) 等构成。0 l t 为光接入网( o a n ) 提供网络侧接口并连至一个 或多个0 d n 。0 d n 为0 l t 和0 n u 提供光传输手段，主要功能是完成光信号的分配。o n u 为0 a n 提供用户侧接口并和o d n 相连，其网络侧为光接口，用户侧为电接口。o n u 可用 多种方式连接用户，如同轴电缆、双绞铜线等。根据0 n u 与用户的距离不同，f r r l 又分为 多种方式，最主要的有光纤到路边( f 1 t c ) 、光纤到大楼( f r t b ) 和光纤到家( f 1 t h ) 【l 】。 第4 页( 共4 7 页) 塑兰查兰婴主兰垒堡奎 一一墨二! ! ! 堡 无源光接入网( p o n ) 是光接入网的发展趋势，以上提到的三种用户环路都是基于树形 的p o n 的。p o n 中的关键技术是上行信道的多址技术、上下行双向传输的复用技术、突发 模式的光接收技术与快速比特同步技术等。p o n 中o l t 到o n u 的下行信号传输较简单， 一般是在o l t 中将需要送至各o u n 的信息采用时分复用( t d m ) 方式组成复帧送至馈线 光纤，经光分路器进行功率分路，以广播方式送到每一个o n u 。o n u 收到下行复帧信号后 根据下行比特流中的同步时钟信号，分别取出属于自己的那一部分信息。而o n 到o l t 的上行信号的传输，则采用先进的多址技术g 9 8 2 建议的多址接入技术为时分多址 ( t d m a ) ，但也不排除副载波多址( s c m a ) 、波分多址( w d m a ) 及码分多址( c d m a ) 等其它多址传输技术。至于上下行双向传输的复用技术，则有空间分离复用( s d m ) 、时间 压缩复用( t c m ) 、波分复用( w d m ) 和副载波复用( s c m ) 1 9 】。 一般地说光纤离用户越近，共享该光纤的用户数越少，用户所承担的费用就越高，但每 一用户可获得较大的带宽，光纤离用户越远，则可为多用户共享，但要考虑从o n u 至用户 终端间其它传输媒介的接力。选择f 1 t c 、f t t b 还是f 1 1 h 要从经济承受能力和需要的服 务质量两方面综合考虑。f 1 t h 是接入网的发展的最终目标，但在近期，完全废弃现有的网 络，对各用户重新铺设光纤、设置光端机，在经济上还是难以承受的。因此以美国为主的一 些国家提出光纤用户环路的建设可以采取分步走的策略，即开始先实现f 1 t c ，然后待技术 和用户带宽需求都进步成熟时，再逐渐升级为m 或f 1 r i w 。按我国通信的发展策略， 2 0 0 0 年前实现f 1 r b 、f 1 - r c ，2 0 1 0 年前根据用户的业务需要，基本实现f n h 。 数字用户环路( x - d s i r d i 西t a i s u b s c r i b e rl o o p ) 系统 现有的公众电话网( p s t n ) 中的用户铜续，甚称是当今世界上普及率最高的接入媒介。 用光纤代替现有铜缆双绞线将是一个历时几十年的缓慢的演进过程，这期间怎样更好的发挥 现有价值1 0 0 0 多亿美元的铜缆的潜力，延长其使用寿命并设法提供新业务是传统电话公司 应付竞争、减低成本和增加收入的主要手段f 1 1 1 。铜缆传输新技术因此产生，其中主要的3 种技术是高速数字用户环路( h d s l ) 、非对称数字用户环路( a d s l ) 和超高速数字用户环 路。由于采用的信号处理技术、调制技术、线路码型不同，这三种用户环路技术的线路速率、 传输距离也不同f 6 。 h d s l 系统是一种利用现有铜缆用户线中的两对或三对双绞线提供无中继1 5 - 2 m b i t s 速率、双向传输能力的新技术，其营运服务区c s a 可达3 至5 k m ，可以在地下管线十分拥 挤的条件下迅速扩容。h d s l 系统的主要市场是企事业用户，它可以灵活迅速的提供租用线 业务和会议电视业务，也可以为无线基站和移动交换中心之间提供低成本的链路连接 1 1 1 。 a d s l 指非对称数字用户环路，这是一种上行速率和下行速率不等的数字用户线技术， 它利用了某些高速多媒体业务取向不对称的特点，提供最高可达8 m b p s 的下行速率，最高 上行速率可达1 m b p s ，传输距离最大可达4 5 k m 。1 9 9 5 年美国国家标准化机构( a n s i ) 通过了一个a d s l 的标准t 14 1 3 。a d s l 能提供视频点播( r o d ) 、远程教学、可视电话、多 媒体检索、l a n 互连、i n t e a - n e t 接入等宽带业务。 v d s l 是a d s l 进一步提高系统下行带宽的产物。v d s l 技术使用两对双绞线，下行传 输速率可以达到5 2 m b i t s ，容纳6 1 2 个m p e g 2 信号，上行速率15 m b i t s ，其传输距 离一般为3 0 0 m 左右。随着光纤接入网的不断发展，其o n u 离用户越来越近，双绞线的长 度从5 k m 缩短到2 0 0 m ，此时v d s l 同宽带的光纤传输系统相结台，是种较为理想的宽带 接入方案【1 0 。 无线用户环路( w l i w i r e i e s sl o c a ll o o p ) 系统 在无线用户环路中，用户终端采用无线方式接入到固定电话网的交换机，从而取代了常 规的用户铜对绞线提供固定的终端用户或移动有限的终端用户与交换机的连接。w l l 主 第5 页( 共4 7 页) 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 要由控制器( b s c ) 、基站( b s ) 、用户无线终端( s r t ) 三部分组成控制器对无线信道分 配进行控制，提供与交换机之间的信令接口和语音转换；基站提供与用户终端之间的无线收 发信道；用户无线终端分布在用户所在地与各种固定通信终端设备( 电话机、传真机、计算 机等) 相连，它也可以是在覆盖范围的移动电话机。无线用户环路接入技术，有蜂窝移动技 术的固定应用和无线用户环路蜂窝专用技术。用户环路蜂窝专用技术有欧洲的数字增强型无 绳电话( d e c t ) 、北美地区的个人接入通信系统( p a c s ) 、日本的个人手持电话系统( p h s ) 以及我国开发的中国数字无绳电话( c d c t ) 系统。，微波多点分布服务( m m d s ) 系统可以 在用户环路提供视频广播服务，本地多点分布服务( l i v i d s ) 系统是m m d s 系统的扩展， 提供无线宽带业务。在无线数据通信方面的主要系统有无线局域网( w i n ) 和无线a t m ( w a t m ) 。w a t m 可望提供2 0 m b p s 以上的数据速率【4 】。 无线接入对于城市中用户密度较高的地区，特别是增设线路管道困难的区域，是一种比 较理想的方式，对于农村、山区、海岛、湖区更是一种比较好的方式。对于距离不长的可选 用微蜂窝技术，对于用户分散、地形复杂、距离较远、用户数不多的地区，可采用微波点对 多点的无线接入技术，对于边远地区地面通信难以覆盖，可选用卫星通信的无线接入技术。 目前无线接入的语音质量、接续时延以及供电等不及有线接入方式，每线平均成本偏高，能 够提供的带宽也有限，不能很好的满足用户宽带接入的要求，但无线接入可提供一定程度的 移动性、维护费用低、建设周期快，对解决应急通信，特别是未来的个人通信具有广泛的应 用前景 1 】。 混合光纤同轴( 耶c _ h y b r i df i b e rc o a x ) 系统 和电话铜线接入网一样，己建成的有线电视( ) 网络也是一个投瓷巨大的基础网 络设施。传统的c a t v 系统主要向用户提供单向模拟视频广播业务。进入9 0 年代以来，电 信市场日益开放，竞争日趋激烈，为了迅速进入电信领域，有线电视公司以现有的c a t v 网为基础开发了混合光纤侗轴电缆( h f c ) 网i n 。 h f c 网用光纤代替了c a t v 系统的主干同轴电缆来传输高质量的信号，配线网部分仍 基本保留原有的树形一分支结构的模拟同轴电缆网，如图l l 所示。 图l l 树形分支结构的b l f c 网络 信号从有线电视中心( c o ) 或前端( h e ) 经点对点光纤送入光节点( f n ) ，光节点完 第6 页( 共4 7 页) 塑垩查兰堡圭兰丝笙兰 一苎二妻! ! 垒 成光电转换后由同轴电缆配线网络把信号送入每个用户家中，同时同轴电缆网还负责收集 柬自用户的回传信号，回传信号经若干双向放大器到光节点再经光纤传给前端。由于h f c 网络具有双向通信能力，除了传统的模拟电视外，还可以给用户提供视频点播、电话和数据 通信等几乎所有新业务的接入【5 l 。利用h f c 网络可以建成所谓的全业务网络( f s n ) ，而且 h f c 网络可以简单的过渡到f 1 r h 网络结构，为光纤用户环路的建设提供了一种渐进的手 段，是目前很有竞争力的宽带用户接入方案。 以上几种接八方式中，f 1 1 h 是未来通讯发展的必然趋势，这是一个不争的趋势和方向， 然而近期内因为技术和成本的原因还不能实现。其他的接入方式对于不同的应用场合各有优 缺点，从提供业务的类型、通信的质量、通信的速率，用户使用的方便性、现有设施的利用 率以及向n t h 过渡的能力来看，目前比较理想的接入方式是a d s l 和h f c 光纤同轴电缆 混合网。a d s l 是对现有铜线资源的充分利用，但它对铜线质量、传输距离及安装使用方便 性都有一些限制，而且随着渗透率的提高其开支迅速增加。而h f c 网络是目前唯一的宽带 入户网络，它以其真正的宽带介质和独特的网络结构两大特点，在用户的宽带接入方面具有 一些不可替代的优势。本章的以下部分将对h f c 网络技术做详细的介绍和分析。 1 2h f c 网络的发展历史和标准 h f c 网络是在传统的全同轴电缆c a l _ v 网络的基础上发展起来的。 c a t v 是美国从4 0 年代末创建公用天线系统以后逐步发展起来的。由于c a i v 能够提 供比空中传输更好的图像质量和更多的电视节目，因此它在以后的3 0 多年内，在世界各国 得到了迅速的发展，现己成为大型的城镇有线电视系统。 早期的有线电视系统使用较粗的同轴干线电缆，经一系列射频放大器的放大，将电视信 号传输到每一区域的节点，从节点再用较细的同轴电缆将信号分配到每个用户的家中。典型 的从有线电视中心前段( c o 小e ) 到家庭需要几十个放大器的级连，因此早期的有线电视 系统是一个以分配模拟电视节目为主的单向树枝型广播网络。 在城镇有线电视发展的早期，人们就开始考虑有线电视的综合利用问题，如在电视信号 的场回扫期间传输低比特率( c 1 6 k b p s ) 的数据信息，利用反向信道进行c a t v 系统内设备 状态的管理和控制等等。尽管从理论上讲在一个全同轴电缆系统中进行双向通信是可能的， 但是对于一个较大的c a 系统，反向信道内存在的噪声漏斗效应使得这实际上是不行的。 因此，有线电视技术在相当长的一段时间内几乎没有什么大的突破。 】9 8 9 年左右，高度线性的分布反馈( d f b ) 激光器的研制成功，使得低成本的幅度一残 留边带调制( a m v s b ) 多频道电视光纤传输系统进入实用化阶段。从此，有线电视进入了 一个新的发展阶段。传统c a t v 系统的干线同轴电缆逐步被光纤所取代，形成了混合光纤， 同轴电缆( h f c ) 网络结构。从c o h e 到家庭所需的放大器个数减少到3 “个左右。 h f c 结构不仅使电视传输质量有了较大的改善，网络的可靠性和稳定性有了明显的提 高更为主要的是形成了个双向通信能力极大提高了的系统基础结构，具备了导入电话和 数据通信业务的基础。9 0 年代以来，高效数字调制技术和数字压缩技术的发展使有线电视 进入数字化的发曩阶段。采用这两项技术至少可以使目前有线电视的系统频道容量提高十 倍而不需要对系统进行大的更新。因此，有线电视系统除了能够提供更多、更丰富、质量 更好的电视节目外，还有足够的频带资源来提供各种新型的交互视频娱乐业务和电话数据通 信业务有线电视系统开始向交互双向、综合业务方向发展。 总之，从c a t v 网络发展起来的h f c 网络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、网络技术的宽带用户接入网络，是c a t v 网和电话网结台的产物也是光纤逐步推向用户的一种新的经济的发展策略【1 l 】【1 3 】【1 4 】。 在h f c 上提供数字通信业务，一般采用c a b l em o d e m 技术，该技术现在有统的 国际标准，即m c n s 组织的d o c s i s 标准【8 】【2 0 】。 第7 页( 共4 7 页) m c n s ( m u l l i r n e d i a c a b l e l , l e t w o c k s y s t e m ) 组织成立于9 6 年1 月，其日的是推动发展电 缆调制解调器的规范工作，取消知识产权，简化和降低开发电缆调制解调嚣的费用，制造出 可与多个供应商兼容的设备。目前成员包括北美一些量主要的c a t v 网络运营商：c o r n c 酗t 、 c o x 、t c i 、t i m ew a m e r s 、m e d i a o n ef 前c o n 缸 n t a lc a b l e v s i o n ) 、r o g e nc a b l e s y s t e m s 、和 c a b l e l a b s 。9 7 年3 月完成d a t ao v e rc a b l es e r v i c ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ( i ) o c s i s ) 标准的 1 0 版本，1 9 9 8 年三月提交n u 并经核准成为c a b l e 网络数据服务的国际标准。d o c s i s 标准对c a b l e m o d e m 的各种接口、操作方式及网络管理、安全控制等方面给出了详细的 规定。9 9 年3 月m c n s 推出d o c s i s i 】版本，现在m c n s 与b r o a d c o m 、t e r a y o n 公司合作正在制定d o c s i s l 2 版本，它将实现i e e e 8 0 2 1 4 认可的高级p h y 技术，并提供 更丰富的服务等级。c a b l e l a b s 建立了一个认证机构对生产商生产的c a b l e m o d e m 产 品进行互通性测试，获得通过者发给正式的d o c s i s 认证证书。截止9 9 年7 月，通过d o c s i s 认证的局端产品有a s c o 、m 0 1 吣r o l a 和n o 吼n e t w o r k 三家厂商的产品，用户端 产品获得认证的生产商有1 1 家。 目前，d o c s i s 标准有众多大网络设备制造商和芯片厂商的支持，如：m o t o r o l a 、3 c o r n 、 c o m 2 1 、c i s c o 、唧l 、n o r t e l 、b r o a d c o r n 、c o n c x a n t 等公司。另外一个标准，即i e e e 8 0 21 4c a b l et vm e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) a n dp h y s i c a lr p h y ) p r o t o c o lw o r k i n gg r o u l 09 7 年7 月推出的正e e 的8 0 21 4 标准，已经不再使用。m c n s 充分考虑如何做到最小的投资和 最短的产品周期，因此在m a c 层协议规范上采用了基于i p 的可变长度分组包方案，为用 户提供i p 透明的数据传输。 1 3h f c 网络技术简介 h f c 网络采用c a b l em o d e m 技术来进行数字传输。d o c s i s 标准采用的系统结构见 图1 - - 2 2 2 】。 图l 一2c a b l e 网上数据传输系统参考结构( d o c s i s 标准) 个c a b l e m o d e m 系统由两部分设备组成，即局端的中心设备c m t s ( c a b l e m o d e m t e r m i n a ls y s o e m 即c a b l em o d e m 终端系统) 和用户端的c m ( c a b l cm o d e r n ) ，这两个设备 就其实质来说都是一个网络桥接设备，实现以太网与h f c 网络在媒体访问控制( m a c ) 层 的桥接以及i p 网络层的路由功能，一些管理功能( 如频谱管理，软件下载等) 则加载在i p 上。整个系统的协议栈如图l 一3 所示。 第8 页( 共- 4 7 页) 塑里查兰堡主兰堡笙苎 一笙二皇堕堡 其中网络层协议为i p 40 ( r f c 7 9 1 ) 。用户能够将透明的i p 传输作为上层服务( 如 s n m p ：简单网络管理协议r f c 1 1 5 7 ，t f r p ：简单文件传输r f c - 1 3 5 0 ，d h c p ：动态主 机配置协议r f c 1 5 4 1 ，安全管理协议：m c n s 2 ) 的载体。数据链路层根据 e e e 8 0 2 分成几 个子层并附加上由m c n s 2 和m c n s 8 定义的链路安全子层。 各子层由上到下分别为： 逻辑链路控制( l l c ) 子层( 服务类型1 ) 链路层安全子层 媒介访问控制( m a c ) 子层 物理层包括两个子层： 下行传输汇聚子层 物理媒介相关子层( p m d ) 系统对i p 协议是透明的，用户对系统的使用如同使用以太局域网一样f 8 】0 图l - - 3c a b l em o d e m 系统协议堆栈 c a b l em o d e m 的数据传输是非对称的，下行数据传输速率可达3 0 - - 4 0 m b p s ，上行数 据传输速率可达1 0 m b p s 。系统采用频分的方式，在5 - 8 6 0 m i - z 的频率范围内采用个带 宽6 m h z 的下行通道和一个带宽低于2 m h z 的上行通道，上行通道设在低频段5 5 0 m h z ， 下行信号设在高频段5 0 8 6 0 m h z 的范围内。下行通道一般采用6 4 2 5 6 q a m 调制，上行通 道采用1 6 q a m 或者q p s k 调制 第9 页( 共4 7 页) 塑坚盔堂塑主兰垡堕苎 一j ! = 皇曼j 童鱼 在h f c 网络上进行双向数据传输主要要考虑以下几方面 h f c 网络上行信道噪声抑制技术 h f c 网络上行信道总的来说不是一个很理想的通信环境，存在着许多噪声、干扰和失 真。主要的噪声来源有- - - - - - 4 ：接收机和放大器的热噪声、光纤链路噪声、侵入噪声和汇集噪 声。其中影响最大的是侵入噪声和汇集噪声。侵入噪声包括脉冲噪声和窄带噪声。脉冲噪声 主要是从用户的家用电器( 如电视机、电吹风、空调等) 传入的电气干扰和冲击干扰等。窄 带噪声干扰源主要是短波无线电等。汇集噪声是因为h f c 网络的同轴电缆部分具有树枝形 总线拓扑结构，如图1 1 所示，在上行回传信号时，所有的噪声将在电缆的局端( 树根处) 汇聚在一起，这部分噪声成分正比于接于同一分支电缆网络的用户数，形成所谓的“漏斗效 应”【2 1 1 。这些噪声的存在极大的影响了上行信道通信的质量，目前一般从以下三个方面来 抑制h f c 网络的反向噪声【8 】： 第一是提高线路质量。首先，要选用屏蔽性能优良的同轴电缆，以消除各种从空间耦合 进电缆的噪声干扰，入户电缆可以采用三、四屏蔽的物理发泡电缆；其次，选用接头性能良 好无泄漏电磁波的电缆连接头，接头应在5 m h z - - i g h z 的范围内提供8 0 d b 或更好的屏蔽 衰减：此外，分配器、分支器和其他无源器件在带宽5 m h z - - 1 g h z 的范围内应该能提供1 1 0 d b 的电磁干扰屏蔽。在分支分配器中应该使用滤波器封闭尚无反向业务的用户和支路，并在网 络的施工过程中保证施工的规范和质量。最后，在经济情况许可的条件下，减小每个光节点 的用户覆盖数目，将光节点尽量推向用户，使同轴分配网尽量使用无电放大的网络，从而减 小外界侵入干扰和放大器引入噪声，使汇聚到光节点的噪声减少。 第二是采用纠错和均衡技术采用纠错技术可以在保持数据误码率不升高的情况下，允 许信号的载噪比有所降低。c a b l em o d e m 技术一般采用前向误码纠正技术来有效的捎除 发动机和开、关电源引起的冲击噪声，并采用对噪声干扰承受力强的多址接入技术复用上行 通道。在c a b l em o d e m 使用的前向纠错( f e c ) 技术，可以在m o p s 的速率下获得5 d b 的编码增益。同时，c a b l em o d e m 使用功率、距离调整技术，确保所有用户电平的归一 性，使从任意一用户发送的信号不仅频率一样，而且到达前端的信号强度一样，这极大的提 高了局端接收机滤除噪声准确接收信号的能力。 第三，在信号质量特别差的情况下，采用抗干扰能力强的调制解诵技术。d o c s i s 标准 中现定的上行通道调制解调方式是四相相移键控( q p s k ) ，该技术考虑用户端设备的性能和 成本之比，对杂声的抗干扰能力不是很强，要求上行通道的载噪比为2 2 d b - - 2 5 d b ，此时误 码率可以小于1 0 e 一8 。非d o c s i s 标准的c a b l e m o d e m 采用的调制技术通常还有正交频分 复用( 0 f d m ) 和同步码分多址( s - - c d m a ) 。 正交频分复用o f d m 调制技术为了改善上行通道的质量，一般采用跳频技术。跳 频技术是多个上行通道对一个下行通道，当某个上行通道的载噪比降到某一闽值时，则放 弃这一上行通道而跳到另一可用上行信道。该调制解调技术要求上行信道的载噪比不低于 2 0 d b 。 同步码分多址s - - c d m a 利用同步扩频通信方式，使用正交伪随机码或正交编码，保证 了网内各c 曲l em o d e m 用户在上行通道中进行扩频编码时具有同步性。既有效的抑制了上 行噪声，又有效的利用了上行带宽。s - - c d m a 技术要求上行载噪比为1 3 d b ，而且当载噪 比降低时仍能正常工作只是传输速率有所下降，这比其他调制技术都优越。其缺点是带宽利 用率不高。 h f c 网络多址接入技术 h f c 网络的同轴电缆部分是一个总线系统，连接于同一同轴电缆的所有用户共享上行 信道的频谱资源。因此，必须有一个多址接入协议来解决用户的有效接入。频分多址 第1 0 页( 共4 7 页) 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 是三种基本的多址技术。由于h f c 中的同轴电缆网络是一个封闭的功率受限系统1 1 3 ，2 1 1 ，因此，在相同的噪声和最大信号功 率条件下，根据香农信道容量公式，f d m a 、t d m a 和c d m a 多址技术理论上具有相同的 信道容量 2 u 。表11 对三种多址技术进行了比较 2 3 】。 最大容量的获得同步操作、自适应滤波正交调制同步操作、自适应滤波 呼叫丢失概率低，用自适应滤波改善高，用跳频改善 低，用自适应滤波改善 峰值吞吐量的获得时隙分配多载波分配多个扩频码或不同扩频率 初始化时问低高，与同步有关纯f d m a 下低 高，由于需扩频码同步 带宽分配难易容易( 时隙分配)困难( 干扰大时)相对容易 复杂性发送端简单， 发送端简单复杂，发送端中等， 接收端与性能有关接收端复杂接收端与性能有关 表11 f d m a 、t d m a 、c d m a 多址技术比较 f d m a 的主要弱点是频带利用率低，不易支持多媒体和多速率业务，不能满足h f c 系 统综合业务的接入。目前，f d m a 般和t d m a 或c d m a 结合使用，以提高频带利用率 和灵活性。c d m a 一方面需要精确的同步才能得到和t d m a 相当的最大信道容量，异步 c d m a 会使信道容量有很大的损失；另一方面，c d m a 在提供多速率方面也不如t d m a 灵 活。目前m c n s 、d a v i c 和i e e e s 0 2 1 4 都采用t d m a 作为当前h f c 的多址接入方法。采 用t d m a 技术和突发模式q p s k 调制技术的成熟有关。为了更好的对付窄带干扰和便于带 宽管理，h f c 上行信道先用f d m 方法划分成多个小信道( 几m h z 级) ，每个小信道采用 t d m a 方式。f d m f r d m a + q p s k 为上行信道提供一个技术风险小、信道容量高、有效对付 噪声环境及带宽管理灵活的解决方案。我们将在第二章详细讨论基于t d m a 的多址接入技 术。 h f c 网络的安全技术 随着网络的飞速发展，网络用户的膨胀，网络上进行的业务种类和数量的增多，网络的 安全性越来越成为一个引人注目的阿题。c a b l e m o d e m 系统必须提供等于或者高于专用 线路( 比如：电话m o d e m ：数字用户线) 的安全性能。以保证用户数据的安全性，特别是集团 用户组建自己的数据专网时数据的安全性。m c n s 标准提供基线加密( b a s e l i n ep r i v a c y ) 来 为用户使用共享媒体的h f c 系统传输数据提供加密功能。其安全目标包括两个方面：提供 c a b l em o d e m 用户在h f c 网络上的数据保密：提供对网络服务的保护，阻止未授权用户 对服务的访问。 系统的加密工作主要有：用户c a b l em o d e m 认证、用户密钥分配、通信数据加密、 密钥刷新等。d o c s i s 设备系统使用x5 0 9 证书、r s a 加密算法和双钥三倍的d e s 算法来 保证用户c a b l em o d e m 和局端c m t s 之间的密钥传递。每一个用户c a b l em o d e m 都 携带有个唯一的由制造商颁发的x5 0 9 证书此证书中包含c a b l e m o d e m 的公开密钥、 标识信息( 如c a b l em o d e m 的m a c 地址、生产厂商的识别标识i d 、序列号) 以及厂家 经c a 认证机构确认的数字签名。系统采用客户服务器模式进行用户认证和密钥管理。 c a b l em o d e m 是客户，它从c m t s 请求密钥数据。c m t s 是服务器，响应c a b l em o d e m 的请求，控制到每一个客户c a b l em o d e m 的密钥数据的分配，确保每一个c a b l e m o d e m 只收到它们被授权的密钥数据。系统采用两层的密钥分配机制，每个c a b l e m o d e m 有一个认证密钥和一个数据传输密钥，充分保证整个安全系统的可靠性和完善性。 第1 1 页( 共4 7 页) 塑翌盔兰堡主兰焦堡茎 一一蔓= 兰! ! 鱼 肿c 网络的管理技术 网络管理是保证网络正常营运的基础，也是保证网络的稳健性、有序性和高效性的关键。 d o c s i s 标准对网络的管理系统有较详细的规定c a b l em o d e m 系统的网络管理包括两 部分，操作支持管理系统0 1 x a a t i o n ss u p p o r ts y s t e m s ( o s s s ) 和业务支持管理系统b u s i n e s s s u p p o r ts y s t m m ( b s s s ) 。d o c s i s 使用s n m p v l 网络管理协议作为c a b l e m o d e m 系统的 网络管理协议，管理操作包括： 计费管理， 配置管理， 故障管理， 性能管理， 支持按照数据流量的计费； 支持远程软件升级和参数配置； 实现远程检测，诊断，改正网络故障； 动态的调整网络的运行使网络处于最佳状态。 1 4h f c 网络的前景 采用光纤到户( f 1 i h ) 为用户提供话音、图像、数据已经是一个公认的网络发展的大 趋势。目前家电信息化，p c 家电化的趋势以及i n t e r _ n e t 的普及、电子商务的推行已经对 数据网络的发展提出了愈来愈高的要求。如何为用户提供更快、更稳定、更安全、更方便的 信息服务是每一个网络营运商和网络设备制造商的共同目标。网络技术不断发展，s d h 、 a t m 、球以及w d m 技术都在发展和完善中。而口技术因为其开放、廉价、方便的特点， 大有统一电信网络、广电网络和计算机网络的趋势，也就是i po v e re v e r y t h i n g 和 e v e r y t h l n go v e r 口。1 9 9 9 年2 月玎u 确定了玎u 的重点研究方向是p 和m t - - 2 0 0 0 技术( 第三代移动通信技术) 。基于d w d m ( 密集波分复用) 的口o v e r w d m 技术建立 的i p 优化光纤网络，将是未来的网络模式。话音、图像都是数据的一种，他们在口网络上 传输，i p 网络不再有i n m a n 但硝n 的划分，面是一个高效，无缝、简洁的网络。随着交 换速度达到4 0 m p p s 的线速路由交换器和单根光纤提供9 6 x 2 5 g b p s 的传输技术的商用以及 m p l s ( 多协议标记交换) 的完善，礤优化光网络的出现已经不是个技术问题。 口网络虽然有统一网络的趋势，但是就目前情况来看，口网络最有竞争力的地方是与 a t m 竞争骨干网的领域，真正进入普通用户家庭还需要一段时间。模拟电