（通信与信息系统专业论文）客户端cablemodem的设计与实现.pdf

摘要 本文首先回顾了传统有线电视网向现代h f c 网络的演进过程，并简要介绍了国际 上关于在h f c 网络上实现综合业务传输的相关标准，然后就现今最流行的基于m c n s d o c s i s 协议的c a b l em o d e m 的整体组成和基本原理作了总体介绍，并按此标准提出了 c a b l e m o d e m 的具体实现方案。论文详细介绍了实现过程中的具体工作，主要包括芯片 的选型、硬件电路的原理设计和布线以及软硬件编程等。文中还给出了系统的测试结果， 并对结果进行了分析。论文的最后就有线电视网在宽带接入竞争方面提出了一些业务 r 展的策略并对这些策略的实施提出了较为i 羊细的实现方案。 关键词： 有线电视，同轴光缆混合网，线缆调制解调器，m c n sd o c s i s a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，w er e v i e wf i r s t l yt h ee v o l u t i o no f c o n t e m p o r a r yc a t v - h f c ( h y b r i d f i b e r c o a x ) f r o mt r a d i t i o n a lc a b l en e t w o r k sa n dc o n c i s e l yi n t r o d u c et h er e l a t i v es t a n d a r d sd e s i g n e d t of a c i l i t a t et h e i m p l e m e n t a t i o no fd a t as e r v i c e s o v e rh f cc a b l en e t w o r k st h e r ei sa n i n t e g r a t e dd e s c r i p t i o no fs y s t e ma r c h i t e c t u r ea n df u n d a m e n t a l so fc a b l em o d e mb a s e do n m c n sd o c s i s ，o n eo ft h e s es t a n d a r d s a n dt h e n ，ac o n c r e t e i m p l e m e n r a t i o ns c h e m ei s s h o w nb yt h ea u t h o ra c c o r d i n gt od o c s i ss t a n d a r d t h em a j o rw o r ki nt h e p a p e ri n c l u d e s c h o i c eo f c h i pa n d o t h e r c o m p o n e n t s ，d e s i g n i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dw i r i n g ，s o f t w a r ea n d 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 今天，网络的发展为我们提供了更大的发展空间和机会，但网络的传输速度也 越来越成为利用网络自身发展的障碍。一系列新的i n t e m e t 服务，包括提供音频、 视频流、本地信息服务( 社区资讯和服务) 、登录c d - r o m 服务器、视频点播以 及其他大量网上服务，都受制于网络速度而得不到广泛应用，甚至w w w ( w o r l d w i d ew e b 万维网，字面意思“世界范围的网络”) 也得了一个无奈的外号一“w o r l d w i d ew a i t ( 世界范围的等待) 。一字之差，却反映出人们的无奈、需要和期待。 于是，人们开始竞相研究各种i n t e m e t 宽带接入技术。 由于需求的多样性及网络发展的历史原因造成现今数据网的接入方式非常繁 多，比如p s t n 、i s d n 、x d s l 、d d n 专线、帧中继、x 2 5 租用线接入、宽带卫 星接入以及本文将要介绍的c a b l em o d e m 等，不一而足。下面我们就这几种宽带 接入方式进行性能和功能上的比较，着重通过对它们的对比阐述一下c a b l em o d e m 在如今宽带接入技术中的发展和趋势。 1 2 各种宽带接入方式的比较 众所周知p s t n 、i s d n 和x d s l 接入都是基于电话线路的，而c a b l e m o d e m 接入则是基于有线电视h f c 线路的。 就p s t n 模拟接入速率而言，大凡上过i n t e m e t 的人都不敢恭维，相信一定会 被i s d n 和x d s l 取代。i s d n 最大的接入带宽是2 5 6 2 5 6 k ，听起来还不错，有 6 4 m 的带宽可以使用，不过i s d n 是按每6 4 k ( 2 b + d ) 为单位收取网络费用的， 普通用户装到1 2 8 i ( 就已经对高昂的网络费用无法忍受。宽带网络提供的应该是定 向无限制式使用，i s d n 按时按量收费理所当然的要被淘汰出局。所以，i s d n 尽 管可以达到1 2 8 k b p s ，但也没有成为主流的接入方式。 对于x d s l ，目前在国内仅有a d s l 使用最为广泛，其在普通电话线上提供 高达l o m b p s 的高速下行速率，远高于i s d n 速率：而上行速率亦有1 m b p s 。但因 其传输速度随传输距离而迅速衰减，所以它的传输距离一般仅能达到3 k m - - 5 k m 。 对于宽带网络来说，并不是在有限的几公里内为少部分人服务的，电信部门也不 可8 b 象当年抗战一样，三里一岗，五里一哨的满城建立程控交换中心。因此由于 地域局限，a d s l 也只能等待淘汰出局。 目前使用d d n 和帧中继的绝大部分都是企事业单位和政府机关，姑且不说可 以想像得到被称为”贵族”宽带的高昂费用，d d n 和帧中继的局限性也非常的多。 d d n 的最大接入带宽仅2 m ，下行2 m 的速度对个人来说当然是足够使用了，不 2 客户端c a b l em o d e m 的设计与实现 过若是一个单位数十人同时使用，2 m 的所谓宽带也只是微乎其微，个人用户共享 分配和中继不足是其不能逐鹿宽带的致命伤。而帧中继按量计费，其单位流量更 是可比金价。 x 2 5 租用线接入以及卫星无线接入费用高昂，显然非个人用户所能接受。 c a b l em o d e m 采用h f c 接入方式连接广播电视网络。相对于以上几种接入方 式，c a b l em o d e m 有以下几个优点： 1 ) c a b l em o d e m 的接入速率高，传输质量好。由于c a b l em o d e m 接入是基于 有线电视宽带网络技术，所以目前在7 5 0 m h z 宽频带的双向h f c 网上， c a b l em o d e m 的上、下行速率可以达到1 0 m s ，这个接入速率是相当高的。 而且，通过有线电视同轴电缆接入i n t e r a c t ，在不影响收看电视节目的同 时数据的传输质量还相当好。正是由于这种宽带接入技术的显著优势，高 速访问i n t e r n e t 及享受一切相关互联网服务例如查阅新闻、电子邮件、 新闻组、b b s 、互联网导航、信息搜索、远程文件传送、实时证券交易、 联网游戏等都成为可能。不仅如此，高速高质量的c a b l em o d e m 接入还可 以提供v o d 视频点播( s t b + t v ) 、a o d 音乐点播、互动三维游戏、家居银 行、远程教育、家庭证券大户室、电子商务等窄带条件下无法提供的服务。 2 ) c a b l em o d e m 上网不占用电话线，无须交纳电话费不限时间上网，只按 流量计费。因为是通过有线电视网络传输数据没有占用电话线，所以用 c a b l em o d e m 上网既没有电话线窄带的束缚，更无需交纳电话费，使用费 用还是比较低廉的。另外，由于有线电视网传输是按照流量计费，所以上 网不限时间可以一天2 4 小时的挂在网络上而不花费大量的金钱，只需 控制流量即可。 3 ) c a b l em o d e m 上网使个人w e b 服务器成为可能。传统的w e b 服务器是政府、 企业、公司、学校等机构的团体w e b 服务器，当个人家中拥有c a b l em o d e m 连接到有线电视数据网上后，也可以有一个特定的i p 地址，可以自行开 发一个个人( 家庭) 或以此为基础的服务功能w e b 服务器。这在以前的 i n t e r n e t 上是难以实现的，因为过去的技术不是在性能上就是在价格上 无法满足个人服务器的要求，而且其i p 地址也难以通过电话交换机指定 到个人或家庭。通过c a b l em o d e m 上网能轻松实现这一功能。 也许很多人会担心：c a b l em o d e m 的频宽是共享的，万一上网人数一多，速 度即会降低。在此我们分别从技术面及趋势面等不同角度来彻底地了解c a b l e m o d e m 的带宽到底有多大。先前即己提到，c a b l em o d e m 在单一有线电视频道用 不同调制技术可产生2 7 m 3 6 m b p s 的频宽，相当于1 6 2 2 条a d s l 专线的频宽。根 据每个c a b l e 频道上的频宽以及在此频道上同时上网的用户人数，我们就可以推 算出平均每人可感受到的频宽。在此之所以使用“感受”，是因为c a b l e m o d e m 的 第一章绪论 频宽和e t h e m e t 一样，是由所有使用者共享的。关于在一个共享媒体( s h a r e d m e d i a ) 上每人可使用频宽的推估方式，是采用一种称为“统计多工”的模式推估出来的， 当其他使用者没有进行大量传输时，用户几乎可独享全部的频宽这就是c a b l e m o d e m 的用户常可享受到超高速度的原因。按估计，每一个宽带上网的用户可享 受平均速度是2 0 0 5 0 0k b p s ，最快可达l5 0 0k b p s ( 相当于一条a d s l 专线) 的传 输速度，将来的网络发展，传输速度达l g b p s 以上时，每个用户可享受的平均速 度将是2 m p b s 以上。 1 3 国内外c a b l e m o d e m 技术研究现状及发展趋势 由上一节的比较可以看出：利用电缆调制解调器在有线电视混合光缆同轴网 上传送数据，用其做为互联网的宽带接入网是非常诱人的有着良好的发展前景。 原因是这种方法成本低、频带宽，是现有有线电视网宽带技术发展的热点。在美 国曾先后在5 0 个地方做过试验网，而象加州的a h o m c 网已开始商业运行。早在 1 9 9 6 年1 2 月举行的9 6 w e s t e r n s h o w 有线电视大展上，有2 0 家公司推出了早期的 电缆调制解调器产品。一些太公司如d e c 、p l i l i p s 等采用多家公司的产品做系统 集成服务，用h f c 网做接入网的互联网系统的操作支撑系统( o s s ) 软件也已出现。 总之，电缆调制解调器经过近几年的发展己开始进入实用期。 尽管如此，美国电缆调制解调器的发展并没有原来预期的那么快。其原因是 在美国有线电视网大部分还是多年前铺设的同轴电缆网，性能较差，其绝大部分 线路是单向的，没有上行能力。改造需要大量投资，一般有线电视公司负担不起。 另一原因是有线电视公司的网络运营管理能力和服务意识没有电信公司那么强， 比较而言体制也有缺陷，要提供高质量的数据传输服务，也存在一个适应的过程。 因为大多数有线电视网还是单向的，为了利用这种网接入互联网，在发展的 早期( 例如1 9 9 6 年) 一些公司推出的c a b l em o d e m 大部分是单向电缆调制解调器。 其下行仍用6 4 q a m 调制提供高达3 0 m b p s 的速率，上行则采用电话线传送，用模 拟调制解调器提供2 8 8 k b p s 的速率。单向电缆调制解调器可利用单向有线电视网 高速从互联网下载数据，价格也较便宜但它因此也失去了电缆调解调器的一大 优点：不占用电话线、可永久连接和不必每次拨号接通。 目前已发展的、供家庭用户接入互联网使用的电缆调制解调器大多是双向不 对称的。一般来说，下行占用一个8 m h z 的通道，采用6 4 q a m 调制提供高达3 0 m b p s 的传送速率，而上行通道则在5 4 0 m h z 的频带中选择干扰较小的位置，占用l 2 m h z 带宽，用q p s k ( 或b p s i ( ) 调制提供5 0 0 k b p s 2 m b p s 传送速率。典型产品如 m o t o r o l a 的c y b e r s u r f r 电缆调制解调器，下行3 0 m b p s ，上行7 8 6 k b p s f 占用6 0 0 k h z 带宽) 。i b m 则推出的双向的c a b l e o n l i n e 系统，其下行速率为3 0 m b p s ，上行为 2 5 m b p s 。这种电缆调制解调器输入按照以太网协议连接用户，输出为a t m 信号， 在前端可用a t m 交换机进行交换，解决了对来自多个光结点的数据进行交换的问 题。 上行噪声是影响电缆调制解调器性能的主要因素。为此不少公司在探索除 q p s k ( b p s k ) 以外的新的有高抗干扰能力的调制方法。t e m y o n 公司采用s - c d m a 同步码分多址法取得很好效果这种电缆调制解调器能工作在一个由8 个光结点 连接3 万户居民的小区中，估计今后第二代电缆调制解调器会采用新的上行调制 方法增以强抗干扰能力。 我国的情况与美国不尽相同，我国有线电视网正在建设发展过程中，年增用 户达1 0 0 0 万户，新建网大部分为h f c 网，广电总局要求新建h f c 网每个光结点 用户在2 0 0 0 户以下，有利于数据传输和宽带接入。但另一方面，我国不少网络建 设不规范，施工质量达不到指标，有同轴电缆和接头质量问题，也有施工质量问 题，结果就导致屏蔽不良，上行噪声大，工作不可靠。1 9 9 6 年在我国进行过一些 电缆调制解调器的试验，也连接过互联网，但大多是在小范围可控环境中做的， 上行噪声小，不能真正说明问题。中科院声学所d s p 中心、科健集团与大连有线 电视台合作在大连理工大学有2 0 0 0 个端口的h f c 网上建立了一个有几十户的 h f c 城域网试验网，使用双向对称电缆调制解调器，传送速率为4 m b p s 这个网 在正常运行中。目前，我国正在建更大规模的h f c 宽带接入试验网。8 6 3 计划通 信主题也设立了全功能服务网课题。中国数据广播中心与中国科学院科健集团合 资成立的广通联数据广播网络有限责任公司主营推广电缆调制解调器互联网高速 接入业务。 人们一直在说，2 l 世纪是将是信息化的社会。作为信息重要载体和传播途径 的网络( 局域网、广域网和网间网) 必将在社会的信息化和信息化的社会中发挥 不可替代的作用。不管最终有线电视网成为信息高速路的主干，还是支流，抑或 技术发展过程中的一段过渡，它都必将为网路的提速做出重要的贡献。 1 4 题目来源及论文工作安排 论文题目为“客户端c a b l e m o d e m 的设计与实现”，本科研课题采用技企合 作的形式，系统方案与最新的国际标准m c n sd o c s i s 接轨，整个系统应用高性 能的专用芯片、设备构建。课题研究目标首先是在c a t v 网上实现双向数据传输， 并最终实现商速i n t e r a c t 接入和提供各种交互式多媒体业务应用。 论文的主要研究内容为：基于h f c 网络所实现的宽带传输系统用户端c a b l e m o d e m 的设计开发与具体实现。在一年的论文工作过程中，经过系统方案的提出 和论证、主要芯片和关键设备的选型、硬件电路的设计和系统软硬件编程及调试 第一章绪论 等一系列工作，我们最终成功地实现了基于h f c 网络上的双向数据传输为有线 电视网在宽带接入竞争中的成功做出了重要贡献。 论文的工作安排如下： 第二章回顾了传统有线电视网向现代h f c 网络的演进过程，并通过对二者网 络结构和网络特点的对比，论述了在h f c 网络上进行综合业务传输的可行性和重 要性，并在最后简要介绍了国际上关于在h f c 网络实现综合业务传输系统的相关 标准。 第三章就m c n sd o c s i s 协议详细描述了c a b l em o d e r n 的整体组成，阐明了 其基本工作原理。 第四章提出并论证了实现c a b l em o d e m 的系统方案，详述了其相关技术，并 对方案中所牵涉到的具体问题作了详细地介绍和分析。 第五章详细阐述了在物理层架构上为实现该系统所要做的，c 初始化编程和 为协调各芯片工作的v h d l 编程的工作。 第六章为结束语，主要包括对论文工作的总结以及为促进有线电视网在宽带 接入方面的发展而提出的一些新的见解和方案。 第二章h f c 双向数据传输系统 2 1 传统的有线电视网 通过上一章的概述，我们已经了解到c a b l em o d e m 是近几年来随着网络应用 的扩大而发展起来的，主要用于有线电视网( c a t v ) 进行数字数据传输。但是在简 单的传统的有线电视网上进行宽带数据的传输显然不可能。c a t v 网最初仅被用于 承担一些简单的工作传输单向模拟电视信号。6 0 和7 0 年代的技术可以很容易的 用于提供c a t v 广播业务。它的主要特征是其网络独立建构，服务于独立的群体， 所以其经济模型或多或少地限定于一个简单的、某种程度上构成分支和树形的拓 扑结构。图2 1 展示了一个传统的有线电视网。 卜一配线网叫 图2 1 传统有线电视网的拓扑结构 它包括下列功能单元： ( 1 ) 电缆电视前端( 设备) 电缆电视的前端( 设备) 主要负责接收来自各种信息源的电视频道：广播 电视、卫星、本地节目、本地信号插入等等。使用频分复用技术对这些 6 s m h z 电视模拟频道进行调制，并将之放人电缆频谱。根据特定的经济模 型，该中心控制前端( 设备) 可以通过简单的配线方案为数以千计的用户提供 服务。为了完成对这些用户的地理覆盖，源于前端的电缆又被分为数根。 如果电缆是从物理上分开的，信号功率的一部分就放分出，并下送到分支。 然而，每个分支信号内容还是完整的。这样，同一套电视信号就传送到这 群体内的每个用户。因此，网络采用的是如图2 1 所示的逻辑总线结构。 _ _ - _ _ _ 一 _ j o 第二章h f c 双向数据传输系统 ( 2 ) 长距离的干线 干线采用高质量的同轴电缆将有线电视信号传送到配线网，并到达最 终目的地。低质量的同轴电缆用于设备配线和引入线部分。 ( 3 澉大器 电视信号在电缆网中传送几公里到用户家中会发生衰减，所以不得不 使用放大器来恢复信号功率。电缆分离的次数越多，电缆越长，在设备中 就需要越多的放大器。在网络中放大器过度放大会产生信号失真。放大器 位于配线网中( 有时是指到用户的最后几公里上) 。在传统电缆网上的放大器 是单向的( 只放大从前端到用户的信号) 。 ( 4 ) 馈线 馈线是指服务于居民区或小型团体的配线网。在配线网( 分支树) 内的 同轴电缆通常较短，但仍在l 一2 英里范围内，所以仍然需要放大器。配线 网通过桥接放大器将线路连接到邻近的居民区。 ( 国引入线 引入线通常位于电话杆处，而现在则一般是在用户居民区内。引入线 到用户使用的是低质量的同轴电缆。 2 2h f c 网 因为有线电视和通信公司不断努力引入新的业务，必须找到一个合理的成本 提高网络容量的方法。这个困难问题的一个极其出色的解决方案，就是h f c 系统 中的光电子学的实现。光电子学技术在高容量交互式多媒体传输所需的h f c 网络 的发展上具有极其巨大的影响。这种技术的引入使得最初为视频业务而设计的 c a t v 网络能够为各种交互式视频、数据和语音业务提供可靠的带宽。 h f c 接人网由光纤部分和同轴部分混合构成( 图2 2 ) 。为满足新的业务标准 而建立的c a t v 网结构，其所有标准都是基于h f c 骨干网。h f c 结构使得以一种 成本高效的方式提高带宽、信号质量和可靠性成为可能，这种方式能够减少维护 成本和保持操作人员界面友好性。它在干线部分覆盖低损耗的光纤能够去除干线 上的放大器，这也就使同轴电缆大大缩短，典型的是四到六个放大器。这样带来 的好处包括大大减少放大器中断的脆弱性、减少带宽限制和由于放大器串联而导 致的噪声积累，以及大大简化输入部分。 要在h f c 上实现真正意义上的交互式综合通信，双向传输是第一步。采用双 向传输有两个原因：第一，光纤本身不再是干扰信号的入口了；第二，有线电视 系统被分割成大量的小型有线电视系统，而且这些小型系统彼此隔离。如果在某 个小型有线电视系统入口形成干扰的话，该干扰将不会削弱整个有线电视系统其 它部分的性能。 图2 2h f c 的网络拓扑结构 有线电视信号的光传输用单模光纤来完成，该光纤在1 3 1 0 n m 的波长处大约有 o 3 s d b k r a 的衰减，在1 s s 0 n m 的波长处大约有0 2 5 d b k m 的衰减。激光波长的选 择是基于网络设计标准，包括成本、模拟性能要求以及传输距离要求等。光纤的 衰减在合理的温度范围内是固定的，而且与r f 频率无关。 引入h f c 网络的光节点或者光纤节点( f n ) 经常被安放在户外，譬如一个基座 上或者悬挂在架空绞线上。光纤节点接收光信号。把它转化为电信号，并放大， 然后向本地用户发送。在返回方向上，节点收集5 - 4 2 m h z 带宽范围内的信号，并 把它们以光的方式传送回前端进行处理。在h f c 网络中，每个光节点名义上服务 5 0 0 - 2 0 0 0 个家庭。核心网络驱动器是低成本的而且在噪声和失真方面对模拟视 频信号有良好的性能。终端用户可以接收到经模拟视频残留边带( v s b ) 调制的七八 十个r f 信道。 简而言之，h f c 提高了双向共享媒体系统的能力，它在前端和光纤节点之间 采用光纤干线，在光纤节点到用户之间采用同轴电缆配线。而与传统电缆网相比 发生了令人注目的变化，概述如下： 1 星型光纤链路中的干线部分，前端到端用户的最大距离为5 0 英里( 8 0 k m ) 2 引人线和配线部分仍是同轴电缆。 3 最多可有5 0 0 2 0 0 0 个用户连接到光纤节点。 第二章h f c 双向散据传输系统 9 2 3c a t w 电缆调制解调器的演进 本节有意把电缆网和电信网的演进结合在一起来谈，这样我们可以看到两种 网络可能的演变策略的差别。如前所述，网络合一是运营者的最终目标，以致将 要发展的十分昂贵的业务和应用会拥有公共平台。电缆网和电信网的区别在表面 上看起来似乎很大：由于h f c 过去工作于封闭网络和提供特定服务而导致电缆 运营者很少注重互通性、可靠性以及缺乏冗余备份或网络管理的专用产品。而解 决这种差别，实现网络合一最主要的是： h f c 被视为接入节点； 前端承担集中控制功能； 电缆调制解调器承担u n i 功能。 2 3 1i t f c 被视为接入节点 采用h f c 被视为接入节点是网络合一的第一个明确步骤，各技术论坛的住宅 宽带组在参考模型中把h f c 和其他的接入方式( 如f t t c 和f r t h ，或者基于电信 的接入等) 例置于同一等级。h f c 到网络的标准接口如图2 3 所示，它可以： 经t r 3 0 3 接口或t 1 干线连接到话音网 经路由器与i n t e r a c t 相连 经a n i 接口与宽带核心网络相连 然后在这些接口上为用户提供各种业务。 图2 4h f c 网的接口 2 3 2 前端集中控制 仅仅h f c 网的连接，不能保证业务的综合。如果采用分布式控制，电缆调制 解调器用户间可以相互通信，但是业务的综合实现起来更难。前端的集中加强了 控制，并规定了所有连接的电缆调制解调器用户的带宽分配，这就保证了每个调 制解调器遵循其与弼络的服务合约。i e e e $ 0 2 1 4 和d o c s i s 认识到这点的重要性， 0 客户端c a b l em o d e m 的设计与实现 所以将前端作为系统中唯一的控制器来制定规范。前端还可以控制a b r 业务、信 令、网络管理等。 2 3 3 电缆调制解调器承担u n i 功能 电缆调制解调器对前端而言承担着类似u n i 的功能。u n i 功能可以保证为宽 带开发的新应用可用于拥有电缆网络业务的用户。当然，这些新应用的扩展都基 于宽带网和m a c 层对q o s 的规定。 2 4i - i f c 双向数据传输系统的技术标准 有线电视业界致力于双向d a t a o v e rh f c 技术上的开发，其最重要的标志是从 上世纪9 0 年代中期开始陆续发表的一系列相关标准文件。这些标准源于实践又指 导实践，于是在9 0 年代后期在欧美地区兴起了大规模的h f c 网络升级改造工程， 以美国尤盛。据资料反映，目前北美地区的h f c 网络改造已大体就绪，其网上的 c a b l e m o d e m 用户己逾5 5 0 万，已颇具规模( 约占北美地区宽带接入用户的7 0 ) 。 目前已见到的h f c 双向数据传输系统的技术标准，最具权威性的国际电联 ( i t u ) 发布的三个建议：1 9 9 8 年初发布的i t u t j 8 3 有线电视的电视、声音和数 据分配业务的数字多节目系统及尔后的i t u t j 1 1 0 提供交互电视业务的全球 共同系统的基本规则和1 9 9 9 年初的i t u t j 1 1 2 交互式有线电视业务传输系统。 国际电联发布的上述三个建议都是在欧洲、北美及日本等地区工作的基础上 完成的，且作为三个附件纳入。由于全球电信业和广播电视业都处于从模拟向数 字的过渡阶段，考虑到国情不同、地区差异，因而尽管标准描述的都是c a b l e 网上 的双向数据交互系统，但三个附件描述的角度不同、规定的基础不一，且三个先 后发布的建议反映了一个不断扩展、衍生的过程。例如建议中纳入的欧洲标准 ( d v b d a v i c l 0 ，1 1 ) 是基于a t m 着重于对交互信道的描述，而纳入的美国标准 ( d o c s i s l o ) 则是基于i p 着重于对系统接口的描述；且鉴于欧美地区用户市场的差 异，前者侧重于机顶盒接入方式的交互方式，后者则侧重于c a b l em o d e m 接入方 式的交互方式，显然，两者并不兼容。然而，一年以后，欧标( d v b d a v i c ) 已扩 展到1 5 版本，叫做d v b - r c c e u r om o d e m 版本它对通信协议作了大量补充， 且强调了c a b l em o d e m 或具有c a b l em o d e m 功能的机顶盒的终端接入方式。美标 ( d o c s i s ) 亦已扩展到1 1 版本，它增加了上下行带宽动态q o s 的功能和支持v o i p 的功能并增加了兼容欧标e t s 3 0 0 8 0 0 的所谓欧洲规范，叫做e u r o d o c s i s l 1 ； 它在上下行频谱划分、频道带宽、信道参数等方面的规定，完全兼容欧洲标准 但又保持了它在通信协议方面的灵活性特点。由此可见，在h f c 双向数据业务交 互系统的标准化工作发展很快，欧美标准的不断扩展，大有兼容性的趋势，但仍 各具特色，究其原因。仍不外乎巨大市场的诱惑。 第二章h f c 双向数据传输系统 我国有线电视网络的技术规范的制作工作，近两年也进展很快。国家广电总 局在1 9 9 9 年2 月发布的g y - t 1 2 6 1 9 9 9 有线电视广播技术规范中，把上下行 频谱作了扩展( 上行5 6 5 m h z ，下行8 7 10 0 0m h z ) ，有利于h f c 扩展数据业务 的传输。1 9 9 9 年1 0 月还由国家广电总局通过了有线数字电视广播信道编码与调 制规范报批稿，即参照d v b c 的有线数字电视广播系统规范，有利于与我国已 采用的d v b s 卫星数字电视广播系统规范的接轨，以推动有线电视网上的数字电 视和数据广播。2 0 0 0 年，国家广电总局又立项制订( h f c 数据接入系统技术规范 行业标准，并于年底成立了标准起草小组，至今已做了大量工作。我们已对现行 的国际标准及2 0 0 0 年发表的欧美扩展版本进行了研究、分析，并做了系统仿真试 验，也对典型地区的电磁环境做了测试分析，并进行了数据业务的系统适应性试 验。 在实际应用中，虽然8 0 2 1 4 是由i e e e 制定的国际标准，但是由于它迟迟没有 定稿使人们对它的兴趣日益减少。最初约有1 5 0 个成员参加8 0 2 1 4 工作组，但到 1 9 9 8 年时只剩下3 0 多个成员，而且还几乎没有一个厂商宣布开发8 0 2 1 4 的m a c 层芯片，与此相反的是越来越多的厂商支持m c n s ( 除了最初的各大有线电视经 营商之外，还有如北电网络、3 c o r n 、a d 、b r o a d e o m 、n e c 、g i 、松下、r o c k w e l l 、 s t a n f o r dt e l e c o m 、s a 、惠普、曰立等) 。虽然有厂商宣布开发了8 0 2 1 4 和m c n s 物理层芯片，但是两者的物理层很相似或者说基本相同。基于此因，本课题在设 计开发时主要遵循m c n sd o c s i s 标准，并在其物理层实现上大致不做区分。 客户端c a b l em o d e m 的设计与实现 第三章c a b l em o d e m 简介 d o c s i s 是h f c 网络上的高速双向数据传输协议，基于d o c s i s 的c a b l em o d e m 系统具有充分的互操作性。本章将首先介绍该系统的组成和基本原理，然后详细 阐述其数据调制和解调、m a c 层带宽分配、c i l l 初始化过程和数据链路层加密等功 能。本章的最后将介绍d o c s i s l 1 对o o s 和b p i 的改进及m a c 包分段、i p 组播等 新功能。 3 1 电缆调制解调在h f c 中的体系结构 图3 1 表示电缆调制解调器在h f c 中的物理结构。在共享媒体的情况下，电 缆调制解调器必须能在4 5 0 到7 5 0 e t z 的范围内调谐到任一下行的8 m h z 的通路上。 模拟电视信号调制在每个8 8 h z 的通路内，电缆运营者引入光纤使电缆网中可以设 置更多的通路。下行数字传输的频率范围一般限定在4 5 0 7 5 0 瑚z 之间。 黼： ，专粤 罗一 p 行粒摇浦 1 图3 ih f c 体系结构中的电缆调制解调器 在上行方向，电缆调制解调器具有发送机的功能，可以在5 - 4 5 m h z 的范围内 获得任一3 m h z 的通路向前端发送信息，此时的通信是多点对一点的。连接到子网 上的电缆调制解调器的数量根据业务量而定，在d o c s i s 的规范文件中规定5 0 0 到 2 0 0 0 个家庭可连接到子网上。图3 2 给出了电缆系统的频谱分配 图3 2 双向h f c 网络频谱结构图 第三章c a b l en o d e 简介 3 1 1 频率捷变 m c n sd o c s i s 在规范文件中对电缆调制解调器采用了频率捷变能力的概念。频 率捷变能力是指电缆调制解调器可以调谐到电缆系统用于进行传输处理的任一下 行频率，这一能力有助于设计灵活的电缆调制解调器。这样，电缆运营者就可以 根据业务量变化来改变系统的上行和下行带宽分配，而不必对终端设备进行调整。 可以简单地对电缆调制解调器重新进行调谐，将其频率调到另一下行通路和相关 的上行通路上从而对上行通路入口引起的过度噪声进行动态隔离。较宽范围的 频率捷变的电缆调制解调器取决于实现情况，m c n sd o c s i s 并不对其加以排斥。举 例来讲假若在电缆结构中，电缆调制解调器在上行传输时使用电缆频谱的不同 部分，就有可能进一步在更高的频谱范围内提高电缆调制解调器上行传输能力， 这显然是非常有益的。 3 1 2 电缆的潜力 如果用数字信号代替模拟信号进行传输，电缆系统的容量会大大提高。电缆 网是按支持5 0 或更多个电视通路而建成的。电缆通路在每个8 i m t z 通路上应该保 持4 8 到5 0 d b 的s n r 。利用诸如q a m 编码等现代调制技术可以在8 m h z 的通路中实 现4 3 m h z 的传输速率。用于音频和视频的m p e g 标准中采用的压缩方案极大地降低 了其传输所要求的速率。压缩成2 3 m b i t s 的数字视频信号可以传输高质量的广 播图像。因此，电缆系统的数字容量很容易超过5 0 0 个通路。 3 1 _ 3 集中和分布式控制 h f c 网中对前端采用公共或集中控制，其包括对话管理等各个方面。分布式控 制对共享媒体环境中信息流的管理根有效，如果业务量仅限于本地社区则这种方 式最为合适。有些网络技术如d q d b 完全采用分布式控制，采用这种功能强大的 机制非常有效和公正地控制和分配信息。例如以太网的设计就采用分布式控制方 法( 而不是单点控制) ，每个与其相连的设备都可以平等地接人和达到共享网络 资源。在分布式环境中，数据从上行总线上环回到下行通路，传送给每个用户。 当数据环回时，将其地址标签的标记与希望到达的终点进行比较，通知终点接收 数据。 但是，电缆网的性能不同于局域网。使用电缆调制解调器的用户最希望与 n t e r n e t 或其他外部网络进行通信，如电话，而不是与电缆网的其他用户通信。 明白了这一点，作为中央控制器的前端就成为最好的技术选择。采用集中控制的 另一个优点是前端包含w w w 上用户所频繁请求的超高速缓存数据的能力。如果缓 存器放置于分布式结构中的某个地方，那么就要求上行传输的宝贵资源将缓存器 数据传回预期的用户。作为中央控制器的前端是资源管理者，它可以将下行方向 上的消息返回来解决冲突，也可以在初始化过程中标识站点及用于本地控制的控 客户端c a b l ew o d e m 豹设计与实现 制管理信息。 3 2 基于m c n si x ) c s i s 的电缆调制解调器 电缆调制解调器c a b l em o d e m ，以下简称c m ，是利用有线电视网向用户提供 宽带数据服务的设备。c a b l em o d e m 本身不单纯是调制解调器，它集m o d e m 、调谐 器、加解密设备、桥接器、网络接口卡、虚拟v l a n 代理和以太网集线器的功能 于一身，c m 本身的应用程序则是建立在i p 协议之上的。一个典型的基于m c n s d o c s i s 的c m 参考模型如图3 3 所示。本节就y c n sd o c s i s 协议中跚的层次结构 加以阐述。 图3 3d o c s i s 参考模型 3 2 1d o c s i s 协议的层次结构 m c n sd o c s i s 规定了关于电缆调制解调器和前端控制器的参考模型。该参考模 型结构是规定分层结构所需的模块。参考模型是构筑任何设备所需的蓝图，见图 3 4 ，其中包括： 物理层( p h y ) 姒c 层 高层( l l c 、i p 及应用层等) 物理层( p h y ) 又可分为两层： ( 1 ) 传输汇聚子层( t c ) ( 一般指下行) ( 2 ) 物理煤质相关子层( p m d ) 第三章c a b l em o d e m 简介 图3 4d o c s i s 的协议层次结构 c m 作为一个网桥连接两个不同的协议接口：以太网p c i 协议和d o c s i s 协议。 由于所有的用户端c m 是以总线的方式接驳在同一个有线电视网上，因此对于c m 的管理是非常重要的。从网络结构的角度出发，这种管理是基于i p 之上的应用程 序如s n m p ，t n p 来实现的。 从图3 4 的协议层次结构图中可以看出c m 在网络协议方面与其他网络设备最 大的差别在于物理层p h y 和媒体控制层m a c 。更上面的l l c ，i p 及应用层等几乎是 完全相同的，所以本章的重点在于阐述其p h y 和m a c 结构及功能。 3 2 2 物理层( 哪) 实现d o c s i s 的有线电视网应该是双向的下行主要是从互联网过来的数据信 息，上行主要是用户的点播信息。c m 的下行通道比较简单，它的格式主要是从已 有的数字电视广播的标准中派生出来的。由于需要与现有的标准相兼容，所以c m 吸收了原先标准中几乎所有的电气特性参数，表3 1 列出了在c m 接收端的下行通 道和上行通道的电气参数。 1 6 客户端c a b l em o d e m 的设计与实现 表3 1c m 的电气参数 参数名称 下行参数值上行参数值 中心频率 9 1 8 5 7 岫z 3 0 k h z5 4 2 z 频道内功率一1 5 至+ 1 5 d b 珀v+ 8 至5 5 d b 珈v 调制方式6 4 q m 、2 5 6 q a m凹s k 、1 6 q a m 5 0 5 6 9 4 1 m b p s ( 6 4 q 舳1 ) 符号率 1 6 0 、3 2 0 、6 4 0 、1 2 8 0 、2 5 6 0 k b p s 5 3 6 0 5 3 7 m b p s ( 2 5 6 q a m ) 带宽6 洲z2 0 0 、4 0 0 、8 0 0 、1 6 0 0 、3 2 0 0 k t t z 输入出阻抗7 5 q7 5 0 输入出回路损耗 6 d b 6 d b 接口 f 接头f 接头 3 2 2 i 下行通路 6 4 q a m 2 5 6q a m 是d o c s i s 定义的标准上行调制方式。2 5 6 q a m 相对6 4 q 蛳在数 据传输能力方面提高4 0 但是要求信噪比在3 0 d b 以上( 6 4 q u t 时为2 3 5 d b ) ， 此时提供的误码率为1 0 1 ，相当于每秒3 到5 个误码。在我国，由于线路质量较差 因此一般采用6 4 q a m 。但随着光纤伸展到小区及双向改造的，完成将会有越来越 多的有线电视服务商使用2 5 6 q a m 。针对不同的线路质量d o c s i s 定义了一组交织 方法。表3 2 列出了所有可能的交织的方法。 表3 2 交织方法 i j突发保护长度( 6 4 2 5 6 q a w )延时( 6 4 2 5 6 q a i q ) 81 6 5 9 4 1 w 0 2 2 0 1 5 u s 1 68 1 2 8 2 u s0 4 8 0 3 3 u s 3 2 4 2 4 1 6 u s0 9 8 0 6 8 u s 6 42 4 7 3 3 u s 2 0 1 4 u s 1 2 8l9 5 6 6 4 0 2 8 u s 采用交织的一个负面影响是它增加了下行信道的时延，好处是一个突发噪声 只影响到不相关的码元。从而当码元位置重新恢复原来的顺序后，因为突发噪声 没有破坏很多连续的相关码元，f e c 能纠正被破坏的码元。交织的深度与所引起的 时延有一个固有的关系：交织越深，引入的传输延迟就越大。d o c s i sr f 标准的最 深交织深度能提供9 5 m s 的突发错误保护，代价是4 m s 的时延。4 m s 的时延对观看 数字电视或进行w e b 浏览、e - m a i l 、f t p 等i n t e r n e t 业务来说是微不足道的，但 是对于对端到端时延有严格要求的准实时恒定比特率业务( 如：i pp h o n e ) 来说， 可能会带来一定的消极影响。可变深度交织使系统工程师能在需要的突发错误保 第三章c a b l em o d e m 简介 护时间与业务所能容忍的时延间进行折衷选择。交织深度也可由c m t s 根据r f 信 道的情况进行动态控制。当然，随着光纤的延伸，线路质量可以得到很大的改善， 采用浅交织是必然的趋势。 3 2 2 2 上行逶路 相对于下行上行通路的物理层要复杂得多。上行的信号处理流程可以由图 3 5 来表示： 图3 5 上行信号处理流程 上行数据首先需要进行分块，块的大小是由c m t s 指定的。最小为1 6 字节。 每块数据然后依次进行f e c 编码( 采用r e e d s o l o m o n 编码) 。为使线路保持一 定程度的0 ，1 交替状态以便于接收端提取同步时钟，需要对传输码流进行加扰， 加扰以后插入一定长度的先导码。先导码的作用是训练接收端调整自适应线路参 数并提取同步时钟。接下来的工作就是对传输码进行整形并调制，调制方法是由 c m t s 指定的一般为q p s k 或1 6 q a m 两种。 ( 1 ) f e c 编码： 在任何系统中，只要数字信息通过一个存在噪声和有可能出现错误的媒体进 行传输，就需要纠错和检测技术。r e e ds o l o m o n 类编码是大量功能强大的随机纠 错循环码中的一部分例如b o s e 、c h a u m d h u d 和h o c q u e n g h e m ( b c h ) 编码。r e e d s o l o m o n 是非二进制b c h 编码的一个子类。 r e e d - s o l o m