（微电子学与固体电子学专业论文）基于hfc网络环境的scdma技术的研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 利用h f c 网络作为接入网，为用户提供i n t e r n e t 接入服务、视频点播服务、数字 电筏广播藕般鹃电信服务，其鸯莛婷熬应羽蘸最秘经济效蘸。由予不麓瓣揍入设蘩 之间的兼容性阀题。影响了用户及电缆网络遮营商的选择，为了促进不同制造商生产 的前端和用户端设备之间的曩操作往，粥n s 稳出了d o c s i s ，蹭前0 0 c s i s l o i 1 2 0 已菠惫 l 怼双露遽识豹主要标准势嫂广泛采用。 影响h f c 网络走向实用化道路的障碍除了改造费用外，另一个原因就是上行信邋 的噪声汇聚雨产爱静“漏斗效应”，t d m a 系统梭荔受蜀缦入臻声弱彰嫡，少量毽是一定 强度的于扰就可能使檩应频段受到污染，从聪使整个t d m a 数据流不能正确传输。为对 抗上行信邋噪声干扰，d o c s s 2 0 中采厢了s c d m a 接入方式。s c d m a 是无线接入技术， 嚣藏濯内接出静第三代移动檬准t d - - s c d i 鼢- 毫接i m t 2 0 0 0 采纳，势进入实用化阶段，农 h f c 网络中采纳t d - - s c d i a 中的成熟技术，具有很强的现实意义。厂 零文在对t d - s c d m a 耢理屡酶裙关技术进行了仔缨研究，著将t d - s c d m a 系统 与h f c 网络的传输环境进杼了对比的基础上，首先提出了将t d - s c d m a 系统中成熟 的物理层技术应用到l - i f c 两络中的恿憩。根据d o c s i s 2 0 中关于物理层的要求，探讨 了後耀t d - s c d m a 系统物壤层懿可行牲，分叛结榘表甓对于t d - - s c d m a 中的频零 跟踪与同步技术、f e c 及信道编码方案、调制解调技术、动态信道分配方案等可运用 于h f c 网络。特澍当c m 接入到c m t s 拜重，采用t d - - s c d m a 静t d d 方式哥有效零l 用h f c 网络的频率资源。然后从不同的技术角度和层面对d o c s i sh f c 网络涉及的均 衡、信道编解码及安全等技术和联论问遂进行了全面的论述和探讨。 狂多经信遴传羧孛，垂手莛遴跨交嚣造成约转号闯于扰罴影确带艰邋售痿道性能 的重器因素之一。为提高系统性能，在接收端需采用均衡技术，充分利用输出信号统计 特毪觞盲僖遘均衡算法是鬟在豹醑究燕赢。本文掇据均衡领域中m m s e 骥论，提出了 基于特征矢量分解的窝均衡算法，它不需要了解信道的毙验信息而赢接恢复发送符号， 通过特征矢量分解来设计均衡器系数。该算法对信道阶数的不准确性具有鲁棒性，并 且与现有的诲多姆衡算法裰关，茭联嚣黪数搬量更少。遵过对裁残爨i s i 、均籀效果、 误码率性能等进行仿真，结果令人满意。 对接邋s h a n n o n 瑾论稷隈的倍遴编鹃方案b oc o d e 实现的编解码避行歹介绍， 提出了将t u r b oc o d e 弓l 入h f c 系统物理层的思想，以对抗h f c 上行信邋的噪声及干 扰，提高上行信道的误码率性能。本文对t u r b o 码侄能进行了仿真。并绘出了在脉冲 噪声影响下戆译妈性能。对手t u r b o 码豹迭代译码，如粜弱d s p 完成，其译羁速攫会 造成很大的延时，不鼢满足凄求实时的通信场合，而且造成资源的大大浪费。本文采 薅蠢璜向下静设计愚憋，完成了完全兼容t d - s c d m a 静t u r b oc o d e 缡解码静f p g a 硬件实现，无论其资源消耗还是其工作频率都能满足将来高速数据通讯的需要。 连堑登塑鳖麴塑数垂垒筵友烈：堡堂王= 登重星王鬟星；i 垒堕蜜塑墅! ：垒鲤塑塞 华中科技大学博士学位论文 透行蕊解密静对称分愆密码簿法，它尉掰本藩多顼式产奎子密镪，采用骚祝移缎、髯 戚等操作增加加密系统的强腹，并能在单片机上很方便地实现。 谯h f c 综合、业务债患网络中，为使数据在上行信道中传输，需要在用户端配蹩c m ， 筝为嬲络的差要终端设螯，凌用户与网络闻建立连接，怒获取网络提供的业务信息的 麓要纽带。根据d o c s i s 2 0 协议中有关s c d m a 接入技术的要求，本文对单片解决方 寰进行了奔缮，并提岛了楣敷逑c m 载发桩缭褐及实瑗方式，并对蜜瑷对要解决豹关 键问题提出了相威的策略。另乡 为满足用户不断增长的需要，间时也方便c m 功能的 扩充，还提出了一种采用c p u 内核的c m 单片解决方案的f p g a 实现结构。 为使广大雳裂题先进瓣技零获取大量熊窍曩嫠塞，在扩太薅患资滚、提莲翅逮 的同时用户又能够承担相应费用，就需要推出一种廉价、高效的宽黹用户接入网解决 方案，嚣既，d o c s i sh f c 隧络有缀丈静发展空闻。虽然遥前程国海h f c 掰络作为宽 带接入网还处于试点阶段，但是用户在这方面豹需求与关注已经显零出市场的发展前 景。可以预见随着政策f 田题的解决，以及备种跨行业标准和规范的制窝和完善，d o c s i s h f c 嬲终豹发展将会对连接手家秀户熬信息裹速公路建设产生实繇页基六的接动铭 用。 关键词：h f c ，d o c s i s ，噪声，s c d m a ，富均衡，t u r b o 码，f p g a “ 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t i ti se x t r e m e l vv a l u a b l ea n de c o n o m i c a lt h a tt h eo p e r a t o r sp r o v i d e i n t e r n e ta c c e s s ，t v b r o a d c a s t i n gs e r v i c e d a t ae x c h a n g es e r v i c e ，v i d e o o nd e m a n d ( v o d ) s e r v i c ea n do t h e r n o n t l a lt e l e c o m m u n i c a t i o n t r a f f i co v e rh f cn e t w o r k ss i m u l t a n e o u s l y b e c a u s e o f c o e x i s t e n c ea n dc o m p a t i b l eo fd i f f e r e n c ea c c e s se q u i p m e n tf r o m d i f f e r e n c em a n u f a c t u r e ，i t i se f l e e t e dc t l s t o m c r sa n dm u l t i - s y s t e mo p e r a t o r s c h o i c e s t oc o o p e r a t ew i t hd i f f e r e n c e h e a d e n da n dt e r m i n a ls y s t e mf r o mv a r i o u sm a n u f a c t u r e r , d o c s i sw e r ed e v e l o p e db y m c n s n o wd o c s i s l 0 1 1 2 0h a v eh e l p e dt o f o c u st h ei n d u s t r yo nas i n g l es e to f s t a n d a r d st om a k ec a b l em o d e m sc o m p a t i b l ea n di n t e r o p e r a b l e ，a n dh a v eb e e nw i d e l yu s e d i nc a b l ei n d u s t r y r e c e n t l y , t h e o b s t a c l e so fs t e p p i n gh f cn e t w o r k su t i l i t y i s “f u n n e l e f f e c t b y n o i s e c o n v e r g e di nu p s t r e a mc h a n n e le x c e p t e du p d a t ec o s t s t d m as y s t e mw a sf r a n g i b l eu n d e r i m p u l s en o i s e ，a n di t sd a t as t r e a mc a l l t b et r a n s m i t t e da c c u r a t e l yb e c a u s ec o r r e s p o n d e n c e f r e q u e n c yb a n dw a sc o n t a m i n a t e du n d e ri n t e r f e r e n c e t od e f e n s ei n t e r f e r e n c ea n dn o i s eo f u p s t r e a mc h a n n e l d o c s i s 2 0p r o p o s e da d v a n c e ds c d m at e c h n o l o g y w i mr e g a r d t o a d o p t e do n eo ft h e i m t 2 0 0 0s t a n d a r d s ，t d - s c d m ah a se n t e r e di n t ou t i l i z a t i o n i ti s v a l u a b l et h a tm a t u r et e c h n o l o g i e so f t d s c d m ah a v eb e e na d o p t e di ni - i f cn e t w o r k s c o r r e l a t i o n t e c h n o l o g y o ft d s c d m ap h y s i c a l l a y e r t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n h a v e d e s c r i b e di nt h i s p a p e r o nt h eb a s i s o fc o m p a r i n gt h ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t so f t d s c d m aa n dh f c w ei n t r o d u c ea ni d e ao fa d o p t i n gt d s c d m ap h y s i c a l l a y e r t e c h n o l o g y i nh f c n e t w o r k s a c c o r d i n g t h ed o c s i s 2 ，0 s p e c i f i c a t i o n sa b o u tp h y s i c a ll a y e r t e c h n o l o g y , w es t u d y t h e p o t e n t i a l o fu s i n gt d s c d m ap h y s i c a l l a y e rt e c h n o l o g y a a y z m gr e s u l t si n d i c a t e dt h a tf r e q u e n c yt r a c k i n ga n ds y n c h r o n o l l st e c h n o l o g y , f e ca n d c h a n n e lc o d i n gt e c h n o l o g y ，m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , d y n a m i cc h a n n e l c o n f i g u r a t i o ne ta 1 c a nb eu s e di nh f cn e t w o r k s e s p e c i a l l yw h e n ac mc o n n e c t s 、i t hi t s c m t s t d dm o d e lo ft d s c d m ac a nm a k eb e s tu s eo ff r e q u e n c yr e s o u r c e o t h e r t e c h n o l o g ya n dt h e s i sp r o b l e m so fd o c s i sh f cn e t w o r k ss u c ha sc h a n n e le q u a l i z a t i o n , c h a n n e lc o d i n ga n dd e c o d i n g ，a n ds e c u r i t y , h a v ea l s ob e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i s p a p e r i n k g h s p e e dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) i s i n e v i t a b l ea tt h e r e c e i v e rd u et ot h el i n e a rd i s t o r t i o n so ft h ec h a n n e l g e n e r a l l yc h a n n e li d e n t i f i c a t i o na n d e q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e sa r eu s e dt oc o m p e n s a t ef o rt h ec h a n n e l sl i n e a rd i s t o n i o n sa n dt o e n h a n c et h e p e r f o r m a n c eo fd i g i t a l c o m m u n i c a t i o n s an e wd i r e c tb l i n d e q u a l i z a t i o n a l g o r i t h mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r i tr e l i e so nt h ea u t o c o r r e l a t i o nm a t r i xo ft h ec h a n n e l ， a n da d o p t s i t s e i g e n v e c t o rd e c o m p o s i t i o nf o rd e s i g a i n g a ne q u a l i z e r , w h i c he x p l o i t s t h e i i i 华中科技大学博士学位论文 c o r r e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h a n n e l t h ep r o p o s e de q u a l i z a t i o ni sn o ts e n s i t i v et ot 1 1 e i n a c c u r a t eo ft h ec h a n n e lo r d e re s t i m a t i o n ，a n di t s d a t a s e q u e n c el e n g t hr e q u i r e d f o r e s t i m a t i n g t h ec h a n n e l sc o r r e l a t i o nm a t r i x i ss h o r t e rt h a nt h a to fo t h e r e i g e n v e c t o r d e c o m p o s i t i o n m e t h o dt h a ta s s u m e dt h a tt h ec h a n n e lo r d e rw a sk n o w no rh a sb e e ne s t i m a t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mi sc a p a b l eo f a c q u i r i n gg o o dp e r f o r m a n c eu n d e r l o w e r | s r t u r b oc o d e sr e p r e s e n tt h em o s tb r e a k t h r o u g hi nc o d i n gs i n c eu n g e r b o e c ki n t r o d u c e dt r e l l i s c o d e s 1 3 e c a u s ei t sn e a rs h a n n o nc a p a c i t y , i th a sr e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o ni nr e c e n t y e a r sa n dh a sa d o p t e d i n3 g p p w es t u d yt h em e t h o do n u s i n g1 b oc o d ei nh f c n e t w o r k s t od e f e n s et h en o i s ea n di n t e r f e r e n c e sa n di m p r o v e1 3 e ri nu d s t r e a mc h a n n e l s i m u l a t i o nh a s d o n ei ns e v e r a lc o n d i t i o n sa n du n d e ri m p u l s en o i s e w h e nd s pi su s e dt oa c h i e v ei t e r a t i v e d e c o d i n g ，i t c a n n o tb es a t i s f i e do fr e a l t i m er e q u i r e m e n tb e c a u s eo fi t s l a r g ed e l a yi n i t e r a t i v e d e c o d i n ga n db ew a s t i n gi t s r e s o u r c e s a nf p g ai m p l e m e n t a t i o ns u i t a b l ef o r t d - s c d m aa n dw c d m ai s i n t r o d u c e d a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gr e s u l t s i t sr e s o u r c e e x p e n s i v e a n de s t i m a t e d f r e q u e n c y c a ns a t i s f i e dt h en e e d s o f h i g h s p e e d d a t a c o m m u n i c a t i o n s o n e n h a n c i n gs a f e t yt ot r a n s f e rd a t ai nh f cn e t w o r k s ，an e wd e s i g no fs y m m e t r yb l o c k e i p h c ri s i n 仃o d u c e di nt h i s p a p e r , t h i sa l g o r i t h me n c r y p t s2 5 6 b i tp l a i n t e x ta n dd e c r y p t s 2 5 6 一b i t c i p h e r t e x tw i t h2 5 6 一b i tk e y i tp r o d u c e ss u b k e y su s i n gt h eb a l a n c ep r o p e r t yo f p s e u d o r a n d o m s e q u e n c e s ，u s i n gi n t e r w e a v e ，r a n d o ms h i 氏b i t w i s ea n dm o d u l oo p e r a t i o ne t c t oi n c r e a s et h e s e c u r i t yo ft h ec r y p t o g r a p h y , a n di sr e a l i z e de a s i l yw i t hm i c r o c o m p u t e r s y s t e m t h e r ei sc mi nc u s t o m e r s i d et ot r a n s f e rd a t ao nu p s t r e a mc h a n n e lo f h f c ，c o n n e c t i n g b e t w e e nc u s t o m e r l a n dc m t sa sat e r m i n a ld e v i c e i ti sa n i m p o r t a n tb r i d g et oa c q u i r et r a f f i c m e s s a g ef r o mh f cn e t w o r k s a c c o r d i n gt od o c s i s 2 0s p e c i f i c a t i o na b o u ts c d m a ，t h e p a p e ri n t r o d u c e ss i n g l e c h i pr e s o l v e n lr e s e a r c h e ss t r u c t u r ea n di m p l e m e n t a t i o no fc m t r a n s f o r m e ra n dr e c e i v e r a n d p u t f o r w a r dt h e s t r a t e g i e s o fs o m e k e yp r o b l e m s i n i m p l e m e n t a t i o n s o nm eo t h e rh a n d w ea l s og i v eaf p g as t r u c t u r eo fas i n g l e c h i p r e s o l v e n t a d o p t i n gc p ui n - s y s t e m i no r d e rt o a c q u i r el a r g em o u n to fi n f o r m a t i o nv i at oa d v a n c e dt e c h n o l o g y , b e s i d e si t s e n l a r g i n gi n f o r m a t i o nr e s o u r c e sa n ds p e e d i n ga c c e s ss p e e d ，t h e r ea r eak i n do f c o s a n d e f f i c i e n t l yb r o a d b a n d a c c e s sn e t w o r k s ，at r e m e n d o u s o p p o r t u n i t ye x i t sw i t hb r o a d b a n do v e r h f cn e t w o r k s h f cn e t w o r k o p e r a t o r sa r ee y e i n gah u g eb u s i n e s so p p o r t u n i t yi np r o v i d i n g r e s i d e n t i a lc u s t o m e r s 晰t 1 11 1 i g h s p e e dh a t e m e ta c c e s s n l em a r k e tf o r c a b l em o d e mi s e x p e c t e d t oi n c r e a s ed r a m a t i c a l l yo v e rt h en e x t y e a r s at r e m e n d o u so p p o r t u n i t ye x i s t sw i t h b r o a d b a n do v e rh f cn e t w o r k s h f cn e t w o r k o p e r a t o r s a r e e y e i n g a h u g e b u s i n e s s t v 华中科技大学博士学位论文 o p p o r t u n i t yi np r o v i d i n gr e s i d e n t i a lc u s t o m e r sw i t hh i g h s p e e di n t e m e ta c c e s s ，t h em a r k e t f o rc a b l em o d e mi se x p e c t e dt oi n c r e a s ed r a m a t i c a l l yo v e rt h en e x ty e a r s k e y w o r d s ：h f c ，d o c s i s ，n o i s e ，s c d i v i a ，b l i n de q u a l i z a t i o n ，t u r b oc o d e ，f p g a 一一 v 华中科技大学博士学位论文 1 绪论 1 1h f c 网络结构 1 1 1h f c 发展历史 7 0 年代和8 0 年代里，传统的有线电视( c a b l e t v , c a t v ) 以尽可能低的费用向大 量用户分送多个模拟电视频道，因为产品的纯网络性，那时的公司采用了最高带宽容 量的同轴电缆，利用总线风格的体系结构建立了系统。由于同轴电缆所固有的损失性 质，并且大量的放大器沿同轴电缆放大电视信号，使得c a t v 受到双重限制：频道带 宽及传输距离，同时大量的放大器也决定了服务质量和可靠性。8 0 年代随着电视技术、 光纤制造和传输、及网络管理和维护技术的不断更新，c a t v 网络逐步完善，己从传 统的同轴电缆网发展为同轴电缆光缆混合n ( h f c ) ，网络拓扑结构如图1 1 所示。 图1 1h f c 网络拓扑结构图 h f c 是一种采用光传输系统代替全同轴c a t v 网络中的干线传输部分，建立从前 端到用户节点的高质量传输和分配链路，而用户分配网络仍然保留同轴电缆结构，利 用混合光纤同轴来进行宽带数字通信的c a t v 网络。为防止信号的衰减，分别在干线 或支线都放置放大器，只不过，因为现在有c a t v 网络主要用于传输电视信号，信号 流的方向都是从前端到用户，因此放大器都是单向的。 现有传统模拟电视节目存在节目少，图像质量差，被动接收( 缺乏交互性) 等缺点， 随着经济的不断持续发展和人们生活水平的提高，传统的广播方式将逐渐不能满足用 户日益增长的个性化需求，人们开始寻求一种全新的网络概念，希望可以随时随地的 接受教育，享受新奇的娱乐方式，不出门就可以方便快捷地获取各类信息，进行各种 投资。随着信息社会的到来，人们对信息的需求不断增加，实现多媒体通信的任 务正日益紧迫，人们不但要通过传统的声音来交换信息，还要同时传输图象、文字、 数据等各种媒体信息。在电信市场的开放以及宽带新业务不断涌现的背景下，已逐步 形成了电信网、c a t v 网和计算机网三大网络并存的局面，而如何经济、高效地构建 满足用户需要的接入网络更是成为竞争的焦点。 华中科技大学博士学位论文 可以说，人类社会需求对网络的带宽及速率提出了更高的要求，从而促使通信运 营部门和设备供应商适应和促进这种演变纷纷提出了各种接入网络构建形式，使网络 由低速向高速、由共享到交换、由窄带向宽带的方向发展，以期在日趋激烈的竞争中 占据一席之地。从组网形式上看，接入网不仅应能支持窄带、宽带以及交互式宽带业 务，而且还应支持目前尚未定义的一些新业务，因而要求技术上的先进性和可扩展性； 另一方面，应能利用已有的一些接入网技术来实现全业务接入，以降低建设费用。 1 1 2 双向改造 目前作为接入网大致有两种，种是有线电视公司提出的利用h f c ( 混合光纤 同轴电缆) 技术，而另一个是电信运营商，则倾向于光接入网技术或x d s l 来开展宽 带接入【i 】 2 】【3 】。x d s l 技术是基于原有的电话双绞线而提供的一种宽带接入手段，其典 型的接入速率为：h d s l 利用二对双绞线能提供2m b i t s 的对称速率；a d s l 利用一对 双绞线，可提供的速率下行为6 8m b i t s ，上行为6 4 0k b i t s ；v d s l 是x d s l 技术中 最为先进的数字调制技术，其上下行速率可达2 6m b i g s ”。虽然这种方式组网较为灵 活，但是相对于光接入技术，x d s l 所能提供的接入带宽有限，仅能实现话音、数据以 及几路视频业务的接入。 i po v e ro p t i c a l 宽带城域网、光纤到小区( f t t c ) 或大楼( f t t b ) 以太网接入技术系统 目前也正在兴起。在这些光节点设置路由交换机，使之成为宽带口接入网的接入汇接 点p o p 伊o i n to f p r e s e n c e ) ，p o p 通过光纤连接居民楼、学校、公司等，距离在几百米以 内，居民楼设置以太网交换机和交换集线器，通过铜线连接到终端用户。传输速率目 前可达1 0 m b s p 1 0 0 m b p s ，将来可以发展到1 0 b p s 1 0 g b p s 甚至更高【刘【o j 。 h f c 和基于p o n ( 无源光网络) 的f t t c 是发展前景比较的两种接入方式。两者 都是利用光纤先将信号送入光节点，然后通过o e 变换后由铜介质将信号送给用户， 但是两者也存在较大区别：首先，从信号接入方式看，h f c 采用模拟频带传输，下行 信号多采用f d m ( 频分复用) s c m ( 副载波复用) 方式，而f t t c 采用数字基带传输， 信号间多采用t d m ( 时分复用) 方式；其次，在电缆网结构方面，h f c 多采用树形分 支结构，而f t l 在光节点和各用户终端间多采用星形或总线形连接；再次，h f c 业 务传送具有不对称性，上行信道带宽5 5 0m h z ，下行带宽8 8 8 6 0m h z ，f 1 v r c 由于 采用数字基带传输方式，因而就传输线路而言并不存在上下行带宽的限制。 总之，与f t t c 相比较，h f c 在传送模拟c a t v 信号方面具有很大优势，但是在 开展话音、数据接入方面可靠性较差，特别是上行信道易受噪声“漏斗”效应的影响以 及频带窄从而引起信号间的串扰，此外，模拟信道对数字业务的开展也存在一定的影 响。但是，如果h f c 是在现有的c a t v 网的基础上建设，将在成本上具有很大优势。 而f t t c 采用p o n 技术，提高了通信传输质量，解决了上行传输中的带宽问题，但f t t c 的最大问题是不支持模拟分配式视像业务( c a t v 业务) 的传送。但由于h f c 网的光 缆网部分也是双向的，从拓扑结构看，有线电视的h f c 的光缆网部分最能满足城市宽 带i p 骨干网的要求，因而可以利用此光缆网上的多余光纤架构独立于有线电视的宽带 华中科技大学博士学位论文 网，使用相应的接入设备实现多媒体信息等业务p i 。 目前依据c a t v 网络的信号流向将h f c 网络分为单向和双向两种，但由于单向 h f c 只能运营广播业务，而双向h f c 则可以运营各种数字业务，通常只把双向有线电 视网络称为h f c 网络，而将单向有线电视网络称为c a t v 网络。在本文主要研究数据 进行双向通信下的诸多技术，因此采用前一种，即h f c 网络。前面已经说明，c a t v 网络中现在的所有业务都是下行，因此网络中采用的放大器都是单向的，如果要实现 多媒体交互式业务，就必须对进行双向改造，而最基本的就是将图1 1 中单向放大器改 为双向放大器。 h f c 网以其覆盖范围广、频带宽和接续时间长等优点，被公认为是“信息高速公 路的最后一公里”，是综合业务宽带接入向光纤到户( f t t c ) 过渡的理想方案。和同 轴电缆网相比，h f c 网损耗小、可靠性高、抗干扰能力强、带宽更宽，更为重要的是 光纤的应用使网络的双向改造费用大幅度降低，为网络多功能综合业务的引入创造了 有利条件。随着新技术的发展，h f c 用户端接入方案越来越趋于实际，基于h f c 网络 的宽带服务将具有巨大的发展势头嘲1 9 】【1 0 】。 1 1 3 频段划分 传统的有线电视网传输的电视信号是广播式的，而数据传输强调的双向交互，即 用户在接收信息的同时，还需要回传相应的信息，这样原来的有线电视网就必须进行 改造。 h f c 采用副载波频分复用方式，为使图象、数据、语音等多媒体信号在网络中传 输，合理规划频谱是十分重要的，图1 2 是现在所广泛采用的频谱分割方案。 上行业务模拟c a t v 业务下行数字业务其他增值业务 图1 2 典型的频谱分割方案 低端5 , - - 4 2 m h z 用作上行信道，用于传输上行数据：5 0 5 5 0 m i - i z 用于支持现有的 模拟c a t v 信号，每一通路的带宽为6 m h z f r c r s c 制) 或8 m h z ( p a l 制) ，总共可以传 输各种不同制式的模拟信号有6 0 , - 8 0 路；5 5 0 8 6 0 m h z 用于传输附加的模拟c a t v 信 号或数字信号，目前倾向于传输双向通信业务：高端的8 6 0 1 0 0 0 m h z 则用于其它的双 向增值业务，如视频会议等。用作上行的5 - - 4 2 m h z 在将来高速业务时还是有可能成为 对称业务的瓶颈，因此有文献建议考虑8 6 0 一1 0 0 0 m h z 中部分由于上行传输【8 】【9 】。 1 1 4 发展趋势 未来的h f c 网应是本地信息化建设的一项重要设施，是一个集语音、数据、图像 于一体的宽带综合业务网。可实现广播与通讯的数字化、综合化、宽带化、智能化与 个人化，形成一个能覆盖全地区、技术先进、性能完善、安全可靠、能与国内国际通 信接轨、与现代化城市建设相适应的广播电视和信息传输网，可为本地信息化建设提 华中科技大学博士学位论文 供功能强大、运行可靠的基础网络平台。 除了确保完成广播电视主功能之外，还可面向社会提供网络和信息服务，如：会 议电视、图书馆信息查询、视频音频点播、电子商务、家庭信息服务；为i n t e r n e t 提供接入服务；为i s p 等信息服务机构提供联网，如旅游信息、票务信息等：为银行、 证券网络联网：为政府、公安、税务、海关等机构提供网络业务；为大型商场联网： 为大中型企业提供联网；为居住小区居民用户提供信息服务和现代化物业管理。总之， 在不久的将来，h f c 网将会成为本地信息化的一项重要措施，会对城市的综合建设、 发展以及人民群众的工作、生活方式产生深远的影响。 1 2d o c s l 8 1 x 与d o c s i s 2 0 为使用户能在有线电视网中进行数据传输，访问i n t e r a c t 等信息资源的设备，就必 须在用户端有一种将数据终端设备( 计算机) 连接到h f c 的设备，这就是电缆调制解 调器( c a b l em o d e m ，c m ) ，又名线缆调制解调器。它的主要功能是将数字信号调制到射频 ( f r ) 以及将射频信号中的数字信息解调出来。除此之外，电缆调制解调器还提供标 准的以太网接口，部分地完成网桥、路由器、网卡和集线器的功能，因此，要比传统 的电话拨号调制解调器复杂得多。 c m 与以往的m o d e m 在原理上都是将数据进行调制后在c a b l e ( 电缆) 的一个频率 范围内传输，接收时进行解调，不同之处在于它是通过h f c 网络的某个传输频带进行 调制解调的。而普通m o d e m 的传输介质在用户与交换机之间是独立的，即用户独享通 讯介质。c a b l e m o d e m 属于共享介质系统，其它空闲频段仍然可用于有线电视信号的传 输。电缆调制解调器提供双向信道：从c m 到网络的方向称为上行( u p s t r e a m ) 信道， 从网络到c m 称为下行( d o w n s t r e a m ) 信道。 用户端c m 的基本功能是实现用户与h f c 网络的连接，因此相当于一种计算机网 络设备，但由于不同的接入设备之间的兼容性，影响了用户及电缆网络运营商的选择， 为了促进不同制造商生产的前端和用户端设备之间的互操作性，c o m c a s t ，c o x c o m m u n i c a t i o n s ，t c i ，t i m ew a r n e r ，c o m m e n t a lc a b l e v i s i o n ，r o g e r sc a b l e s y s t e m s 以 及c a b l e l a b 等知名的有线电视运营商和通讯设备制造商于1 9 9 5 年1 2 月联合组成多媒 体电缆网络系统合作委员会( m u l t i m e d i ac a b l en e t w o r ks y s t e m ，m c n s ) 以推出基于电 缆数据业务接口( d a t a - o v e r - c 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 s ，d o c s i s ) 。 1 9 9 8 年3 月，d o c s i s 的1 0 版本被i t u 批准为国际标准。 1 2 1d o c s i s l 0 和1 1 的物理层特性 d o c s i s l 0 主要定义了r f 接口、广播方式、网络管理及将来的无线需要，协议最初 的目的是在c a t v 网络前端和用户端之间透明的传输i p 业务量，因此几乎不对q o s 做 任何保护；1 9 9 9 年7 月，m c n s 又发布了d o c s i s 的1 1 版本，其主要特征是提供业务 量的分级，增强服务质量特性【1 2 】【1 3 】【1 4 1 。目前d o c s i s i o 1 1 已成为h f c 双向通讯的主 要标准并被广泛采用d 5 i ，其上下行的物理层主要参数如表1 1 所示。 华中科技大学博士学位论文 上行 下行 频率 5 4 2 m h z 4 2 8 5 0 m h z 5 - 6 5 m h z ( 欧洲16 5 8 5 0 m h z ( 欧洲) 信道带宽 2 0 0 k h z - 3 2 m h z6 m h z ( 8 m h z ) 调制方式 q p s k l 6 q a m 6 4 q a m 2 5 6 q a m 数据速率 0 3 2 - 1 0 2 4 m b p s 2 7 - 5 6 m b p s 物理层( p h y ) 和数据链路层的媒质访问控制子层( m a c ) 协议是它的关键部分。 物理层的功能主要是数字信号的调制解调、前向纠错( f e c ) 编解码等。调制方式主 要有q p s k 、1 6 6 4 2 5 6 q a m 等。通过对数据流进行f e c 编解码，实现错误校验。最常 用的f e c 码是r e e ds o l o m o n 码。m a c 层主要功能是在共享的信道中向多个接入的c m 分配带宽。由于同一个信道有数以百计的用户竞争，为了保证效率，d o c s i s i x 在 t d m a 接入方式中采用了时隙( t i m es l o t ) 划分方式。每个时隙作为基本的带宽单位， 由前端控制器负责分配给用户。 1 2 2d o c s i s 2 0 的物理层特性 由于d o c s i s i 1