（通信与信息系统专业论文）hfc网络双向通信关键技术研究.pdf

四川大学硕士学位论文 y6 5 4 3 6 7 h f c 网络双向通信关键技术研究 h f c 网络双向通信关键技术研究 通信与信息系统专业 研究生：管耀武指导老师：徐家品 本文针对现有双向h f c 网络方案，存在的上行噪声的汇聚和积累，同轴电 缆分配网络上行与下行信号电平差太大会引起交互调制，以及上行信道竞争与 分配等技术难题，提出基于传统树型拓扑分配结构的双向通信设计方案。并针 对制约上行传输的技术问题，设计了相应的实现方式和流程，以实现相应业务 功能( 如音视频业务、数据业务、互联网通信等) ，提供所谓的全业务网。 本文主要论述五个大问题。第一，首先对现有h f c 网络技术进行分析与比 较，指出集中分配方式的缺点。第二，我们对基于树型分配方案的可行性进行 论证，主要论述实现双向通信难度最大的电缆分配网络部分。第三，在上下行 数据传输工作体制的技术选择部分，给出了基于a t m 传输技术在双向h f c 网 络上实现c b r ( 恒定比特率) 、v b r ( 可变比特率) 的具体技术应用，以此实现网络 中的广播、组播和点播业务。第四，在h f c 网络中，为避免多点到单点的上传 信道存在的总线冲突，提出采用令牌总线方式是较为理想的一种方案，并对标 准的i e e e 8 0 2 4 做了一些必要的改进工作，通过令牌级别管理，实现了带宽的 动态分配，提高了信道的利用率。第五，在h f c 网络的网络管理设计上，分析 了基于电信管网( t m n - b a s e d ) 和基于互联网( i n t e r n e t b a s e d ) 的两种网络管 理信息模型。针对双向h f c 网络的特点，创新地采用了t m n 管理技术，并结 合相关广播电视关于条件接入的相关规范，以及双向h f c 网络的业务特点进行 了模型构造和新变量的引入。 关键词： 双向通信树型拓扑分配网络噪声汇集令牌总线a t mc m t s 姗 四川大学硕士学位论文：h f c 网络双向通信关键技术研究 t h er e s e a r c ho nt h ek e y t e c h n i q u e so f i n t e r c o m m u n i c a t i o n i n 眦cn e t w o r k m a j o r ： c o m m u n i c a t i o n & i n f o r m a t i o n a ls y s t e m p o s t g r a d u a t e y a o w ug u a na c a d e m i ca d v i s o r j i a p i n gx u t h ek e yp r o b l e mo n 血e ；n t e r c o m m u n i c a t i o nj st h a tn o i s ec o n v e r g ej nu pc h a n n e lw i l lh a v e as e r i o u si n f l u e n c eo nt h eq u a i l t yo fb i d i r e c t i o n a ic o m m u n i c a t i o n a tt h es a m et i m e w h e nt h e i n t e m o m m u n i e a t i o nw a sa c h i e v e d j ft h el e v e ld i f f e r e n c eb e t w e e nn e t w o r k su pa n dd o w n d i r e c t i o nd i s t r i b u t e db yc o a x i a lc a b l ei sv e r yb i g ，i tm a yg e n e r a t et h ei n t e r a e t i v em o d u l a t i o n i n a d d i t i o n t h e s ep r o b l e m so nt h eu pc h a n n e ic o n t e s ta n dd i s t r i b u t i o na r et e c h n i c a ld i f f i c u l ti nt h e r e c o n s t r u c t i o no ft h eb i d i r e c t i o n a it r a n s m i s s i o nh f cn e t w o r k t i n i sp a p e rc o m p a r e st h ec u r r e n t b i d i r e c t i o n a ir e c o n s t r u c t i o no ft h eh f cw i t ho t h e r s a n dp r o p o s e st h ed e s i g np r o j e c t so f j n t e r c o m m u n i c a t i o no nt h eb a s eo f t r a d i t i o n a ls t r u c t u r e a l s o 。w i t ht h et e c h n i c a lp r o b l e m so nt h e c o n s t r a i n ti nu pc h a n n e it r a n s m i s s i o n ，t h ei m p l e m e n t a t i o na n df l o wa r ed e s i 趴e dt oc a r r yo u ta l l k i n d so fs e r v i c e s ( s u c ha sa u d i o v i d e o d a t as e r v i c e s i n t e r n e tc o m m u n i c a t i o na n ds oo n ) a n d c o n s t r u c ts oc a l l e d i n t e g r a t e ds e r v i c e sn e t w o r k ” t h e r ea r ef i v ei m p o r t a n tp r o b l e m st ob ed i s c u s s e dj nt h i s p a p e r f i r s t l y , w ea n a l y z ea n d c o m p a r et h ep r e s e n tt e c h n i q u e s o fh f cn e t w o r k ，a n d p o i n to u t t h ed i s a d v a n t a g e so ft h e h u b ，b a s e dd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s e c o n d l nw ed e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t i e so ft r e e t o p o l o g y d i s t r i b u t i o n a n df o c u st h ed i s s e r t a t i o n so nt h em o s td i 塌c u l tp a r to fc o a x i a lc a b l ed i s t r i b u t i o n n e t w o r k t h i r d l y , w i t ht h e c h o i c e a m o n gt h et e c h n i q u e s u s e di nu da n dd o w nc h a n n e l t r a n s m i s s i o n ，t h es p e c i f i ca p p l i e dm e t h o do ft h ec b r ( c o n s t a n tb i tr a t e ) a n dv b r ( v a r i e t yb i t r a t e ) i nt h eh f c n e t w o r kb yt h ea t m - b a s e dt r a n s m i s s i o na r eg i v e n ，t h u st h e s es e r v i c e ss u c ha s b r o a d c a s t ，m u l t i c a s ta n d o r d e rp r o g r a m m ea r ea c h i e v e d f o l a r l y , t h eu pc h a n n e l s f r o m m u l t i p o i n tt os i n g l e p o i n ta r e s i m i l a rt od a t a - b u si nt h eh f c 。o 也ec o l l i s i o n ss h o u l db e a v o i d e da n ds o l v e d w ec a nc o n c l u d et h a tt o k e n b u si sp e r f e c t , b u tt h ei e e e8 0 2 4s t a n d a r di s t oc o m p l e xt h a tw eh a v em a d es o m en e c e s s a r ym o d i f i c a t i o n sj no u rd e s i g n s ot h es p e e do f t o k e nc i r c u l a t i o nw o u l db eo b v i o u s l yi n c r e a s e d a n dt h ed y n a m i cd i s t r i b u t i o na n da v a i l a b i l l t yo f b a n d w i d t hm a yb er e a l i z e da n di m p r o v e db yt h ei e v e lo ft o k e n l a s t l y , w i t ht h ed e s i g no ft h e h f cn e t w o r km a n a g e m e n t w ec o m p a r et w om o d e l sb e t w e e nt h et m n - b a s e dn e t w o r ka n dt h e i n t e r n e t - b a s e dn e t w o r k i nt h i s p a p e r , w ea d o p tt h et m nt e c h n i q u e a n dc o m b i n et h e c o r r e l a t i v ec r i t e r i o n so fb r o a d c a s ta n dt h ef e a t u r e so fh f c s e r v i c e s ，t or e c o n s t r u c tt h em o d e l s a n d i m p o r tt h en e w v a r i a n t s k e y w o r d s ： i n t e r c o m m u n i c a t i o n t r e e - t o p o l o g y d i s t r i b u t en e t w o r k n o i s e c o n v e r g e t o k e n - b n sa t mc m t st m n 四川大学硕士学位论文 h f c 网络双向通信关键技术研究 术语解释 a c s e a h a t m b h c a t v c b r c m c m i p c m i s c m i s e c m t s c n r c s m a ，c d d c f d d n d o c s i s d p t d t e 汀m f d m a f d d i h d t h f c l l c m a c m i b m v c n e n e f o s f p s t n q a f q a m q o s r o s e r t d r t s e s a s n m p s t b t d m a t w n v b r v o d w d m a c c e s sc o n t r o ls e r v i c ee l e m e n t联系控制服务单元 a c c e s sc o n t r o lh e a d e r接入控制头 a s y u c h r o n o u s t r a n s f e rm o d e异步传输模式 b u r s th e a d e r突发头 c a b l et e l e v i s i o n有线电视网 c o n s t a n tb i tr a t e恒定比特率 c a b l em o d e m电缆调制解调器 c o m m o n m a n a g e m e n t i n f e r m a t i o np r o t o c o l 公共管理信息协议 c o m m o n m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n s e r v i c e公共管理信息服务 c o m m o n m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns e r v i c ee l e m e n t公基管理信息服务单元 c a b l em o d e m t e r m i n a ls y s t e m 电缆调制器终端系统 c a r r i e rt on o i s er a t i o载噪比 呈a m 。! s e “s e m u l t i p l 。a 。5 5 w i “c o 5 1 0 ” 载波监听多路访问 detection。 d a t ac o m m u n i c a i o nf u n c t i o n d e f e r i s ed a t as e r v i c e d a a - o v e t - 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 y n a m i cp a c k e tt r a n s p o r t d a t at e r m i n a le q u i p m e n t f i l ea c c e s st r a i s f o rm a n a g e m e n t f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s f i b e rd i s t r i b u t e dd a t ai n t e r f a c e h o s td i g i t a lt e r m i n a l h y b r i df i b e r c o a x i a l l o g i c a ll i n k c o n t r o l m o d i u ma c c e s sc o n t r o 【 m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e m o d e v i e w c o n t r o l n e t w o r ke l e m e n t n e t w o r ke l e m e n tf u n c t i o n 0 p e r a t i o ns y s t e mf u n c t i o n p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k 0a d a p t i v ef u n c t i o n q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n o u a l i t yo fs e r v i c e r e m o t eo p e r a t i o ns e r v i c ee l e m e n t r o u n d t r i pd e l a y r c i t a b l e t r a n s f e rs e r v i c ee l e m e m s e r v i c ea t e a s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c o l s e t t o p b o x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t o k e nb u s t o k e nr i n g t e l e c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tn e t w o r k v a r i a b l eb i tr a t e v i d e oo nd e m a n d w a v e l e n g t h - d i v i s i o nm u l t i p l e x e r 数据通信功能 数字数据服务 电缆数字业务传输规范 动态分组传输 数据终端设备 文件访问、传输、管理 频分复用 光纤分布式数据接口 主机数字终端 光纤侗轴电缆混合网 逻辑链路控制 介质访问控制 管理信息库 模式图形腔制 网元 网元功能 运营系统功能 公共开关电话网络 0 适配器功能 正交幅度调制 。服务质量 远程操作服务单元 往返周期延时 可靠传送服务单元 服务区 简单网络管理协议 机顶盒 时分复用 令牌总线网 令牌环 电信管理网络 可变比特率 视频点播 波长分割多路转换器 四川人学硕士学位论文 h f c 网络双向通信关键技术研究 1h f c 网络双向通信技术综述 1 1 课题背景介绍 随着时代的发展，人们对远程教学、远程办公、远程医疗、视频会议、v o d 点播及w w w 浏览等多媒体应用的需求日益增加，人们对网络带宽及速度提出 了更高的要求。现有的h f c 网络多数为单向广播工作方式，不能提供交换式业 务，为了实现数据上传，接入互联网和在线点播等增值业务，必须对h f c 网络 进行双向多媒体传输改造。 1 1 1 现有集中分配双向通信解决方案分析 h f c 网络双向通信的关键问题在于上行噪声的汇聚和积累将严重影响上 行通信的质量，严重时将导致通信的中断。同时实现双向通信时，同轴电缆分 配网络上下行电平差太大会引起交互调制，引起通信质量的下降。另外，多点 到单点的上传信道具有总线性质，上传信道应尽量避免冲突和解决冲突，因此 h f c 宽带接入方式的设计主要在于h f c 协议的m a c 层，此时上行信道竞争、 分配等问题都是制约h f c 网络双向通信改造的技术难题。目前国内外的h f c 网络双向通信设计方案在解决“最后一公里”( 用户电缆分配网络) 问题时，基 本上都是采用集中分配+ 可寻址方式来解决上行通道嗓声问题。这种星型分配 方式虽然可以在一定程度上解决噪声汇聚问题，但是与传统的树型分配方式相 背离，实现时将舍弃原有分配网络。造成前期投资的浪费。 集中分配接入方式是一种星型同轴电缆信号分配方式，不同于传统c a t y 树型电缆信号分配网络。h f c 双向通信系统中使用的集线器类似与计算机网络 中的h u b ，一般称其为集线式分配器，它主要是在网络中起到与前端控制器和 终端设备的相互连接的作用。集线分配器一般使用有源集线器，它内设正反向 放大器，信号分配网络。根据系统要求的不同，有些有源集线分配器还内置网 络管理和可寻址管理系统。有源集线分配器系统结构框图如图1 1 所示。无源 集线分配器比较简单，只是完成信号的分配和各端口的隔离，不具备网络管理 和寻址管理。 四川大学硕士学位论文h f c 网络双向通信关键技术研究 图1 1 有源集线分0 器结构框图 由于集线分配器的星型结构，为了使得各个用户信号电平的一致，集线分 配器一般安装在楼道的中层位置。用户终端设备c m 发出信号，通过用户家中 的终端盒、集线分配器经电缆传输网络的双向放大器、光传输网络中双向光端 机、上行光接收机回传到前端c m t s 控制器。前端c m t s 发出以q a m 调制的 载频信号经上变频，变频到下传频道与下行模拟信号群混合后，向下传输到各 终端用户设备c m 。这样就完成了上、下行交互式双向传输工作。文献 1 1 1 2 集中分配与树型分配性能分析与比较 传统c a t v 信号电缆分配网络结构属于树形分支分配方式，其信号分配网 络包括桥接放大器、延长放大器、楼栋放大器、无源分配网络和用户终端。信 号分配一般沿干线两侧和干线终端分配点拾取信号，再经过分支分配器传输至 用户。而集中分配方式是种星型分配结构，从用户放大器输出就进行集中分 支、分配信号，经分配后的信号由专线传输至用户。通过对它们的结构进行分 析显然可以得出优缺点对照表如下表1 1 所示： 表1 1集中分配与树型分配性能特点分析与比较 内容集中分配方式树型分配方式 l ，集中分配方式由于是种星1 网络比较脆弱，任何一个放大器的故 型分配结构，每一户是专线专 障可能会影响到许多用户如果是在 缺点 户，所阻使用的电缆要比树型干线上的放大器故障，将影响到上万 结构多很多。的用户。 四川大学硕士学位论文h f c 网络双向通信关键技术研究 2 集中分配方式只适用于用户2 对用户提供的业务质量不一致，离前 集中的地区，对于郊区和乡端较近的用户，由于沿途经过的放大 村，它所耗费的电缆将更加让器少，信号质量和可靠性都比较好， 运营商无法接受。但离前端较远的用户，由于沿途经过 3 由于集中方配方式是一种星的放大器可多达4 0 5 0 个，信号质量 型结构因此无法与传统h f c和可靠性都不是很理想。 网络中信号分配系统兼容，采3 不太适合网络的监控和管理。自身很 用集中分配方式将意味着废难监视故障，只有等待用户报故障后 弃以往的树型分配网络，这样才知道，而且知道后也难以确定故障 就造成了前期投资的浪费。的位置。 1 用户信号由用户放大器经专1 技术成熟，成本低，通过树型结构对 线输入，专线专户、接头少、 信号进行分支分配，信号传输模式是 可靠性高，电平配置非常理以总线方式工作模式，这一点特别适 想。合数据量以广播和组播业务为主的 2 由于专线专户，在双向通信中 h f c 网络业务特征。 各用户之间的隔离比较好，并2 传统的c a t v 网络信号分配网络为树 优点可分别对各用户线进行单独 型分支分配结构，在双向通信改造的 控制，特别是对人为上行干扰时候，基于树型信号分配模式，将最 具有很有效的处理能力。大限度的保留运营商的前期投资。 3 保留原有同轴信号分配网络，还可以 做到从单向向双向通信改造的无缝过 渡，在网络改造过程中不影响未改造 和已经改造好的用户的正常使用。 仅在信号分配网络的投资问题上，根据x r 2 i 所述。以一个光节点，共5 0 4 户双向交互式用户为例进行分析。( 假设该分析小区为3 6 个单元，7 层楼，一 层两户的情况下。) 有投资总结如下表所示： 表12 集中分配和树型分配方案户均投资对照表 分配网络方案户均投资( 元)备注 1 3 8具有网管和路权管理功能 有源用户集中分配方式 1 2 0 预留网管和路权管理功能 i l l 无网管和路权管理功能 无源用户集中分配方式1 2 6无网管无寻址功能 分支分配器树型分配方式1 0 8在h f c 网关集成网管和控制功能 四川大学硕士学位论文：h f c 网络双向通信关键技查研究 显然采用集中分配方式的投资要远远高于分支方配方式。 1 1 3 基于树型结构实现双向通信可行性分析 在上一节我们对集中分配与树型分配性能特点进行了分析与比较，可以得 出采用集中分配方式的许多缺点。使得这种方案的推广存在很大的限制。考虑 到与传统c a t v 网络兼容，采用树型分配方式实现双向多媒体通信，必须要解 决上行传输的几个技术难题，下面就逐一对它们进行论述。 1 1 3 1 网络拓扑结构适应性分析与解决 如前节所述，集中分配方式只适用与用户集中的地区，对于郊区和乡村， 它所耗费的电缆将让运营商无法接受。相比较而言，树型结构就有很大的优越 性，我们可以通过合理的选择网络结构来适应用户居住情况。下面介绍两种不 同的拓扑结构，它们分别适用于用户集中和用户较为分散的情况。文献【3 】 第一种是在干线桥接放大器的分配线上接分支器，再在分支器上接用户线， 如图1 2 延长放大信号分配系统结构示意图。这种方式的特点是干线分支放大 器具有高电平的分支输出，以便驱动更多的分支器，采用这种结构方式可以串 接线路延长放大器2 3 个。 图1 2 延长放大信号分配系统结构示意图 4 户 户 户 户 四川大学硕士学位论文 h f c 网络双向通信关键技术研究 第二种是在干线桥接放大器后经分支电缆线连接分支放大器，再使用分支 器对信号进行分配，如图1 3 分支线信号分配系统结构示意图。这种方式不要 求干线桥接放大器具有很高的输出电平，只要可以补偿分支线路的损耗就可以 了，但却要求分支放大器具有高电平输出能力。考虑载噪比、交调比指标的限 制，该方式一般串接一级线路延长放大器。 图1 3 分支线信号分配系统结构示意图 1 1 3 2 上下行电平差问题的分析与解决 接下来我们讨论上下行信号电平差的技术难题。由于网络结构的约束，从 用户终端设备到前端的路径不同，相应的总损耗是不同的。因为分支分配器分 配量的选取是以正向传输为依据，为各个用户提供合适的电平，以此设计为依 据的电缆网络，在回传的情况下，信号的电平将各不相问。而且正反向传输通 道的电平存在着较大的差异，将会导致相邻频道的交互调制。现以一个分配放 大器的一条支路为例加以说明，见图1 4 。 四川大学硕士学位论文h f c 网络双向通信关键技术研究 图1 4 电缆分配网支路 表1 3 分支器端口编号 t 1t 2t 3t 4t l t 4 之间的差 在7 5 0 m h z 上从有源器件到 分支分配器端口总损耗( r i b ) 2 72 52 62 72 在4 0 m h z 上从分支分配器 2 72 1 21 6 89 31 7 7 端口到有源器件总损耗( d b ) 在正向通信设计中是按最高工作频率选择各分支器，使得信号在各分支器 输出端口电平一致，这样使每一端口到达用户家中有一个合适的电平，然而， 回传路径损耗将出现较大的差异，表1 3 所列的数据是它的一个很好说明，( 这 里我们忽略分支分配器的插入损耗，这样处理对分析结果几乎没什么影响。) 上面例子说明，在4 0 m h z 的回传频率上，对不同端口的回传通路损耗差 别可达1 7 7 d b ，这么大的差别，会使相邻频道之间的交互调制很严重，同时会 引入噪声和干扰，尤其是在同轴串接的末端接口处进入系统的侵入噪声会很大。 对所有的用户进行路径损耗均衡，将减少上下行电平差。我们的目的是对每一 个分支分配器到回传放大器的回传信号的衰减量进行归一化。有一种简单而实 用的方法就是采用均衡器。因为均衡器是设计成覆盖整个正向和反向频段( 5 7 5 0 m h z l 的，这样均衡器可修正上传通道的损耗差别同时也平坦下传通道的响 应。例如，一个6 d b 的均衡器将在5 m h z 处衰减6 d b ，而在4 0 m h z 处将衰减 4 6 d b ，在7 5 0 m h z 处衰减0 d b ，这个均衡器插损为1 d b ，这样在7 5 0 m h z 处 损耗为l d b ，在4 0 m h z 处为5 6 d b ，再以前面的例子分析，在各分支器的端口 处插入均衡器：如图i 5 所示，回传4 0 m h z 处各分支器端口到放大器的衰减值 如表1 4 所列。 6 四川大学硕士学位论文 h f c 网络双向通信关键技术研究 图1 5 加入均衡器的电缆分配支路 表1 4 分支器端口编号 t 1t 2t 3t 4t 1 t 4 之间的差 在7 5 0 m h z 上从有源器件到 分支分配器端口总损耗( d b ) 2 72 52 62 72 在4 0 m h z 上从分支分配器 端口到有源器件总损耗( d b ) 2 72 7 82 8 82 9 | 323 由表1 4 中可知，均衡器大大地减少了上传通道的损耗差别，做到分支器 端口的归化路径损耗，降低了进入电缆系统的总汇聚噪声，使得整个系统的 载噪比得以改善。文献【4 】 1 1 3 3 噪声汇集f o l 题的分析与解决 最后，讨论一下上行通道噪声汇集技术问题。根据噪声的来源和分布，我 们总结出抑制回传通道侵入噪声的措施主要有以下几条： ( 1 ) 条件接入策略： 制约树型分配网络实现双向通信的主要原因之一就是噪声的汇集。由于树 型结构类似与数据总线的特性，每个终端都等效为平行接入网络，所以所有下 级终端的上传噪声在树型结构的顶端汇集，影响通信的正常进行，使得通信质 量下降，严重时将导致误码率上升以及通信失效，通常称这种现象为“漏斗效 应”，基于树型结构的双向通信设计，解决噪声汇集唯一的办法就是采用条件接 入策略。通过对终端采用令牌管理的方式，没有获得令牌的终端自动关闭上传 信道，使得同一时间接八上传信道的只是获得令牌的为数不多的终端，这样在 上传信道中的噪声源将缛以控制，从而解决了噪声汇集问题。 四川大学硕士学位论文i q f c 网络双向通信关键技术研究 ( 2 ) 节点分割： 同轴分配网络所带的用户越多，汇聚噪声效应则越大，为此我们可用增加 光节点的办法来减少分配网络所带用户数。一般一个光节点带用户5 0 0 户就能 保证上传通道的载噪比在规定的范围内。目前杭州有线电视网已经是5 0 0 户一 节点，所以能够满足这要求，也可以较好地控制“漏斗效应”的进一步放大。 ( 3 ) 提高间轴电缆分配网络的屏蔽畿力： 防止干扰从电缆侵入，用户的终端盒、分支分配器均要选用有良好屏蔽功 能和隔离度较高的产品。另外，同轴电缆网要有良好的接地系统，接地电阻应 小于8 0 。 ( 4 ) 精心设计电缆分配网： 减少外来干扰的侵入。需要精心设计电缆分配网，如表1 3 所示，在4 0 h l h z 的回传频率上，对不同端口的回传通路损耗差别可达1 7 7 d b ，这么大的差别， 会使噪声和千扰对系统的侵害显得很突出，尤其是在同轴串接的末端接口处进 入系统的侵入噪声会很大。对所有的用户进行路径损耗均衡，将减少外界干扰 对电缆系统的侵害。由表1 4 中可知，均衡器大大地减少了反向通道的损耗差 别，做到分支器端口的归一化路径损耗，降低了进入电缆系统的总汇聚噪声， 使得整个系统的载噪比得以改善。 1 2 双向h f c 网络系统介绍 h f c 在前端增加一些设备用于语音和数据通信，如智能网络设备h d t ( 局 用数字终端) 、a t m 交换机等，在用户端也相应增加一些相应的接收设备，如 机项盒( s t b ) 接口、c a b l em o d e m 等，就可以实现双向数据通信，从而进一 步为用户提供全面服务。本文研究的双向通信实现方案是一种基于h d t 和h f c 宽带接入网的网络结构。h d t 是面向h f c 网络的a t m 接入设备，以a t m 技 术为核心，具有多协议及高速数据处理能力，可通过s n m p 协议或者是t m n 对s t b 统一管理，支持v t o a 协议，支持m p o a ，i ps w i t c h ，支持7 号信令 和中国1 号信令，提供e 1 电话网局间中继接口等。s t b 提供电话、资料、数 字电视等接口，用户可以通过s t b 有选择地开通电话、i n t e r n e t 接入、视频点 播等服务。 采用h d t 和s t b 的有线电视h f c 宽带网接入方案，可以充分利用目前的 四川大学硕士学位论文 h f c 网络双向通信关键技术研究 h f c 网络资源，不用重新敷设同轴电缆，相对投资少；具备语音，数据、视频 等各项业务综合接入的能力，能够针对不同用户群在h f c 上提供各种业务；可 以提供e 1 语音中继和1 0 0 b a s e te t h e r n e t 接口，便于与现有通信设备连接；可 以实现高速接入i n t e r n e t ，视频点播；可以顺应网络的发展趋势( 电话网、计算 机网、c a t v 网最终都将通达未来的目标网络：一个以a t m s d h 为基础的宽 带网b i s d n ) ；基于a t m 技术的h d t 可以和a t m 骨干网无缝连接，不存在 目前数据骨干网、骨干网与接入网的瓶颈问题。 1 2 1 双向h f c 网络系统拓扑结构 基于有线电视的h f c 网络由馈线网、配线网和用户引入线3 部分组成。h f c 馈线网是指前端( 光网络单元o n u ) 到服务区( s a ) 光节点之间的部分，可 以采用a m v s b1 3 1 0n i n 或1 5 5 0n n l 光纤传送到光节点设备。光节点设备是 h f c 接入系统的关键部分，每个服务区的光节点设备可服务5 0 0 多个用户。光 节点设备将下行的光信号( 包括话音、视频、数据等信号) 进行光电变换，并 将各种信号混合。光节点设备是一个双向传输设备，在上行时，光节点设备将 来自同轴电缆支路的上行信号( 电信号) 转换成光信号，发送至前端的上行光 接收机。 结合传统h f c 网络的特点，我们认为在h f c 网络中采用“环一星一树” 型拓扑结构是最合理的方案。即：城域网建立一个总前端( 主中心) 和多个分 前端( 分中心) ，由总前端通过一级光缆干线连接各个分前端，并形成环型网络 结构。各个分前端再引出二级光缆干线到各个光结点( 星型结构) 。接着各个光 结点再引出电缆分配网络到户( 构成树型) 。这种结构可以满足大中型城市的需 要。也就是说从光节点设备到用户是一个传统的同轴电缆分配网，可以利用一 些城市已有的由树型结构组成的c a t v 分配网，只是在光结点处配置h f c 光 端机，h f c 光端机实现光电转换后连接同轴电缆分配网络，并直接和用户终端 通信，完成通信的设置和管理。如下图所示： 四川大学硕士学位论文 h f c 网络双向通信关键技术研究 图1 6h f c 网络t m n 模型物理结构 1 2 2 通信系统接入方式的选择 h f c 网其上行、下行频谱具有不对称的特性，这恰好符合许多交互式业务 双向通信量不平衡的特点，如v o d ，交互式游戏和i n t e r n e t 接入等。考虑到上 行频谱的有限性和业务的多样性，必须采用一种灵活有效的传输模式，以充分 利用上行频谱并支持各种业务对突发性和时延的要求。a t m 技术可实现灵活的 带宽共享，并支持各种速率的业务，是h f c 网络理想的传输技术。 a t m 技术是在电信网、数据通信网、有线电视网技术趋于稳定，电路交换、 包交换、存储转发等交换技术处于成熟的时候，伴随社会的发展、人们对宽带 多媒体业务的需求下产生的。a t m 技术吸取了电路交换、分组交换、多路统计 复用等技术的优点，提供了一个通用的通信手段，使各类网络可以灵活而完美 地互相连接起来。a t m 可以支持从低速网到高速网、从专用网到公用网的更广 泛意义上多种服务网的集成。a t m 网络的物理媒介采用双绞线、同轴电缆、光 纤等，其交换网络具有高带宽、大容量、低时延等特点。因此，a t m 具有很好 的扩充性。在网络中根据用户不同类别的c b r ( c o n s t a n tb i tr a t e ) 、 a b r ( a v a i l a b lb i tr a t e ) 、v b r ( v a r i e t y b i tr a t e ) 、u b r ( u n s p c c i f i e db i tr a t e ) 业务 进行流量控制。a t m 能够满足用户按需分配带宽并保证其q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 。a t m 另一个优势是有一个完善的网管体系和网络运行维护体系。保 四川大学硕士学位论文h f c 网络双向通信关键技术研究 证网络的安全运作。 1 2 3 通信系统m a c 层协议的改进 在局域网中，站点与服务器，站点与站点之间信息的传输，必然要产生冲 突现象。h f c 网络中的双向通信也同样存在这种冲突。如何有效避免这种冲突， 使网络达到最好的工作效率以及最高的可靠性，是要解决的首要课题。其中关 键的问题是：当信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权。用来决定广 播信道中信道分配的协议属于数据链路层的m a c ( 介质访问控制) 。m a c 实 质上是指如何安排各个节点使用数据通道，以便解决数据传输时的数据通道竞 争问题，它对网络的许多性能都有很大的影响。 m a c 协议是链路层中的核心子掷议，它是h f c 在信道上实现多点传输控 制的关键协议，它要解决用户端高效率地利用信道向前端发送信息，同时保证 信号的传输时延不会破坏业务所固有的特性，这就涉及到信道争用模型、时隙 结构、冲突分解算法等重要技术问题。更具体些讲，m a c 子层的主要功能是： 将上层下来的数据封装成帧进行发送( 接收时进行相反的过程，将帧拆卸) ： 实现和维护m a c 协议； 比特差错检测： 寻址 传输访问的控制方式与局域网的拓扑结构、工作过程有密切关系。由于h f c 网络特殊的树型网络结构，采用令牌总线方式是较为理想的- - + e e 方案。通过令 牌级别管理和分配，可以实现带宽的动态分配，提高带宽的利用率。传统的令 牌总线局域网既具有总线网的“接入方便”和“可靠性较高”的优点，也具有 令牌环形网的“无冲突”和“发送时延有确定的上限值”的优点，传输媒质使 用电视用的7 5 欧姆同轴电缆。可使用单电缆或双电缆系统，也可使用或不使用 头端。有- - - - + 6 e 可供选择的数据率：1 m b s ，5 m b s 和1 0 m b s 。令牌总线说明了要 把基带信号进行调制后才送到电缆上传输。调制的方法有：相位连续移频键控、 相位相干移频键控和多电平双二进制调幅移频键控等。h f c 网的接入网应用的 传输媒质是同轴电缆，适合令牌总线的运行。 然而标准i e e e 8 0 2 4 协议的实现非常繁琐，故我们在设计中根据实际的双 向h f c 同轴树型分配网络的结构，做了一些必要的简化工作和改进，形成了一 四川大学硕士学位论文h f c 网络双向通信关键技术研究 种新的令牌总线协议。这主要涉及令牌申请冲突的解决方法、站点入环算法、 站点退出环算法等问题，提出以1 6 个或更多用户为一组进行发放令牌，提高令 牌循环的速度：并提出智能令牌管理算法。通过令牌级别管理和分配，可以实 现带宽的动态分配，提高带宽的利用率。 1 24 适合h f c 网络管理技术的要求 随着网络规模的不断扩大，网络结构的复杂性日益增加，对网络管理系统 的要求也越来越多、越来越高。网络管理和控制涵盖的内容比较多，它包括网 络设备的状态监测、网络运行状态的监视和控制、网络拓扑结构管理、网络的 维护管理、网络性能和设备参数的变化趋势分析以及网络用户管理等。但网络 管理景基本的功能仍然是网络设备运行状态的监测和运行控制。 同时有线电视网络的不断扩大，设备和功能不断增加，有线电视网络公司 对网络管理系统的需求是很迫切的，特别是对保障网络可靠运行的、最基础的 网络传输设备的状态监测和控制。因此，在同一个h f c 网络内的管理系统，必 须能够对网络内的传输设备都能实施管理，这就需要有开放式的网络管理系统。 如图1 7 所示： 分前端 饵 ( 网关) s n m p t t s i u d p i i s c t e i e i i p l m h m a c sl 】 = = 】c = ： 一 l 网络m a ci 1|jl| 回绍物理层( z p )ls c t e _ j ：i m sp h y f h f c 图1 7h f c 网络开放性通信模型 1 2 5 系统性能参数概述 上行频道： 上行调制方式： ( 2 0 5 5 6 5 m h z ) 1 6 q a m 1 2 四川大学硕士学位论文 h f c 网络双向通信关键技术研究 上行码元传输速率： 上行数据传输速率： 上行传输模式： 上行m a c 接入方式 上行数据带宽： 下行频道： 下行调制方式： 下行码元传输速率： 下行数据传输速率： 下行传输模式： 下行接入方式： 下传模式： 下传调制方式： v o d 频道： v o d 下传调制方式： 2 5 6 m b p s l o 2 4m b p s 频分时分复用单工模式 令牌总线接入方式 10 0 2 0 0m b i t s z 一1 d s 一2 2 ( 1 10 - 5 5 0m h z ) 6 4 q a m 5 1 2 m b p s 3 0 7 2 m b p s 同步时分复用单工模式 令牌总线接入方式 4 8 路模拟电视或数字电视 模拟调制或6 4 q a m 5 5 0 m h z 6 4 q a m 调制 1 3 双向h f 0 网络系统框架图 如1 _ 2 1 节所述，为了实现双向通信，必须在传输过程中使用反向光接收机、 双向光工作站、双向放大器等器件。在同轴分配网络，为了与传统单向h f c 系 统尽可能的兼容，系统采用“星一树”型拓扑结构。如图1 8 所示： 四川大学硕士学位论文h f c 网络双向通信关键技术研究 图1 8 系统