HFC双向数据业务原理

HFC双向数据业务原理及系统结构 赵天元 广东有线广播电视网络股份有限公司 工程运维部 /webmoney 2 HFC双向数据业务原理及系统结构 第一节 概述 /webmoney 3 组网基本设备 CMTS Cable Modem终端系统 DHCP服务器 动态主机配置协议服务器 TFTP服务器 普通文件传输协议服务器 TOD服务器 时间服务器 Cable Modem 电缆调制解调器 /webmoney 4 HFC双向数据接入网系统拓扑 Headend COAX Hub Hub Hub Internet CMTS 下行 88 - 880MHz 上行 5 - 42 MHz 100 Channels CNN HBO ESPN AMX Tap Settop TV Cable Modem PC /webmoney 5 各种网络接入方式的比较 服务提供商 用户 POTS ISP1 ISP2 Wireless SONET/ATM Backbone Comp A Comp B SwitchISDN 接入服务 : Internet接入 专线 电话 Cable Head-End D/C D/CCable ADSL LAN D/C新型数据接入服务 Optical /webmoney 6 HFC双向数据业务原理及系统结构 第二节 有线电视及射频技术基础知识 /webmoney 7 有线电视及射频技术基础知识 基本术语 /webmoney 8 术语 Carrier-to-Noise - C/N (also CNR): 载噪比 ,信号载波与噪声的振幅的差值 Signal-to-Noise - S/N (also SNR): 信噪比 ,与 C/N(载噪比 )相似 ,是基带信号与噪声的振幅的差值 Ingress Noise 侵入噪声 ,无线电广播信号进入同轴电缆分配网造成干扰 QPSK -四相相移键控 . 一种数字调制方式 ,用 2位二进制表示 1个符号 ,频带利用率： 2bits/s/Hz. QAM -正交幅度调制 . 数字调制方式 ,通过载波相位、振幅的状态表示不同的信号 . 典型的 QAM调制有 16-QAM(4 bits per symbol), 64-QAM(6 bits per symbol), and 256-QAM(8 bits per symbol) Downstream(DS) 下行 /正向 ,信号从前端到用户端 Upstream(US) 上行 /反向 ,信号从用户端到前端 /webmoney 9 术语 Carrier - or RF carrier. 载波 .由低频信号调制而成 ,令低频信号可以作长距离传输 FDM 频分复用 .将传输信道在频率域上进行分割，形成若干相互独立的子信道，每一子信道单独传输一路数据信号 . Headend 头端 ,所有信号经调制向下传输 ,接收回传信号 Broadband 宽带 ,通过频分复用技术使许多不同的信号同时在宽阔的射频频带内传输 ,从而获得较高速的数据传输能力 . FEC 前向纠错 . 在数据传输过程中 ,有意地加入部分码字 ,令接收方检查在传输过程中是否产生误码 ,甚至能纠正部分的误码 . /webmoney 10 设备和符号 头端 光纤 卫星天线 VHF/UHF 天线 射频放大器 双向放大器 分配器 分支器 光发射机 光节点 /webmoney 11 有线电视及射频技术基础知识 有线电视系统组成及拓扑 /webmoney 12 射频频谱 射频 (RF) 5-1000MHz 下行 (正向 )(DS) 从头端到用户 48.5-750 (860) MHz 上行 (反向 )(US) 从用户到头端 5-42 (30) MHz 注意 : 非北美系统会有不同的频率划分 , 例如有 65 MHz, 88 Mhz 105 Mhz 等 . 模拟及数字广播业务 数字业务 个人通信 上行通道 5 42 48.5 550 750 1000 f(MHz) /webmoney 13 上变频器及光节点 Frequency Synthesizer ATT 中频（ IF） 射频（ RF） 上变频器 光节点 光 电 双工滤波器 /webmoney 14 上下行接入 uBR-MC16s 64 QAM 27 Mbs 6 MHz BW 44 MHz IF QPSK 3.2 Mbs 1.6 MHz TX 1 RX 1 RX 2 RX 3 RX 4 RX 5 RX 6 上变频器 RF 50-750 MHz 分光器 750 750 750 uBR-MC16s CMTS板卡支持 1个下行 6个上行通道 (1000终端设备同时在线 ) # 1 # 2 # 6 节点 # 1 (32 dB CNR) 节点 # 2 (32 dB CNR) 节点 # 4 (35 dB CNR) 混合 2个节点 节点 # 3 (34 dB CNR) Frequency F 1 节点 # 5 (35 dB CNR) 混合 2个通道 /webmoney 15 HFC (光纤同轴混合网 ) 拓扑 节点 N 同轴电缆网络 电视信号通过光纤传输至光节点，经过光电转换，变成电信号由同轴电缆传至用户家 双向放大器支持双向数据业务 头端 同轴电缆 光纤 HFC 有线电视网络 一般少于 5级放大器级连 /webmoney 16 HFC (光纤同轴混合网 ) 拓扑 可靠性 有线电视网络 80 Channels CNN HBO ESPN 环网结构 模拟光纤环网传输电视信号 建设分前端提高可靠性 数据环网提供可靠的增值业务服务 头端 Hub Hub Hub /webmoney 17 HFC (光纤同轴混合网 ) 拓扑 80 Channels CNN HBO ESPN 更好的服务区 : 通过分前端传至光节点 光节点覆盖 500用户 尽量少的放大器 有线电视网络 COAX Drop Settop TV 可靠性 , 高带宽 Hub /webmoney 18 HFC双向数据业务原理及系统结构 第三节 DOCSIS标准 /webmoney 19 DOCSIS2.0最初的版本早在 2001年 12就发布，在当时 DOCSIS2.0的开发仍很困难。但在 2002年的第二季度， CableLabs开始了 DOCSIS2.0互用性的测试，并在第三季度开始了 DOCSIS2.0的认证。从过去的历史看每一个 DOCSIS新规范的发布到实际的应用以及生产通过认证的设备需要两到两年半的时间，因此直到 2003年才有设备厂商大量生产具有 DOCSIS2.0全部功能的设备。而且在此后的几年内仍有厂商生产只有部分 DOCSIS2.0功能的设备，例如 CISCO只生产 ATDMA的设备。 DOCSIS发展历史 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 时间 DOCSIS 1.0规范 DOCSIS 1.0认证 DOCSIS 1.1规范 DOCSIS 1.1认证 DOCSIS 2.0规范 DOCSIS 2.0 认证 /webmoney 20 DOCSIS发展历史 基本的电缆传输数据标准 不具有保证服务质量的能力 “基线保密” DOCSIS 1.0 DOCSIS 2.0 DOCSIS 1.1 DOCSIS 1.0的全部能力 加 提高了针对分层数据的服务质量 包分割和包连接 用来提高安全性的“基线保密增强” DOCSIS 1.1的全部能力 加 上行带宽增加 新的上行噪声抑制 专有的“下一代”特点，例如： 极大改进了上行解码 上行入口噪声抑制 带有更高 QAM调制级别的上行和下行数据 /webmoney 21 DOCSIS 2.0优点 DOCSIS 2.0实现了对称服务。 效率为 DOCSIS 1.X的 1.5倍 运行于 64QAM（而不是 16QAM） 信道宽度是 DOCSIS 1.X信道宽度的两倍 新的 6.4 MHz 宽信道 （而不是 3.2 MHz 宽信道） DOCSIS 2.0 拓宽了用于 IP通讯的上行管道，从而使电缆供应商能够在语音、视频和数据方面开发出更多更好的服务。 DOCSIS 2.0 是通过使用增强的调制和改进的纠错来实现这一目标的。 卓越的入口和脉冲噪声性能。 /webmoney 22 DOCSIS标准 DOCSIS网络标准 /webmoney 23 DOCSIS网络标准 可靠性标准 DOCSIS标准规定传输速率不小于 100数据包 S（ 1500字节 包）可靠性必须大于 99%. 传输标准 DOCSIS规定的传输标准参数： 测量方法由 NCTA或 CableLabs 2制定 /webmoney 24 DOCSIS网络标准 下行 假定模拟电视信号均调制在 6MHz带宽内，调制频率高于 88MHz. 射频带宽 6 MHz 传输延时 , CMTS 至最远的用户 = .800 msec CNR （ 6 MHz 带宽，参考图象载波 ) 不少于 35 dB （ *） CTB 不低于 - 50 dBc （调制带宽内） CSO 不低于 - 50 dBc （调制带宽内） /webmoney 25 DOCSIS网络标准 下行 交调电平 不大于 - 40 dBc （调制带宽内） 振幅波动 0.5 dB （调制带宽内） 组延时 75 ns （调制带宽内） 微反射 -10 dBc = 0.5 micro sec -15 dBc = 1.0 micro sec -20 dBc = 1.5 micro sec -30 dBc = 1.5 micro sec /webmoney 26 DOCSIS网络标准 下行 哼声调制 不大于 - 26 dBc (5%) 突发噪声 带宽 10 Hz，平均持续时间不大于 25 msec 信号电平季（日）变化 8 dB 信号电平斜率 (50 - 750 MHz) 16 dB 在 CM输入端最大模拟电视信号载波电平 17 dBmV （包括以上的信号电平变化） 在 CM输入端最小模拟电视信号载波电平 - 5 dBmV （包括以上的信号电平变化） 所有性能及参数均在 DOCSIS文档详细定义 /webmoney 27 DOCSIS网络标准 上行 适用于目前所有地区 . 频率范围 5 to 42 MHz （边界到边界） 传输延时 , 最远的 CM到最近的 CM或 = .800 msec CNR 不少于 25 dB 载波与侵入噪声比 (所有离散及宽频侵入信号 ) 不少于 25 dB 载波与干扰噪声比 (所有噪声、失真、共路失真及交调 ) 不少于 25 dB /webmoney 28 DOCSIS网络标准 上行 哼声调制 不大于 - 23 dBc (7 %) 突发噪声 带宽 1 KHz ,平均持续时间不大于 10 msec 振幅波动 0.5 dB / MHz ( 5 - 42 MHz) 组延时 200 ns / MHz ( 5 - 42 MHz) 微反射 -10 dBc = 0.5 micro sec -20 dBc = 1.0 micro sec -20 dBc = 1.0 micro sec 信号电平季（日）变化 不大于 8 dB 所有性能及参数均在 DOCSIS文档详细定义 /webmoney 29 DOCSIS标准 DOCSIS设备标准 /webmoney 30 DOCSIS设备标准 频率范围 上行 : 5 to 42 MHz 下行 : 88 to 860 MHz (用户自定 ) 带宽 上行 : 200, 400, 800, 1600, 3200 KHz（ DOCSIS1.x） 6400KHz（ DOCSIS2.0） 下行 : 6 MHz 调制方式 上行 : QPSK, or 16 QAM（ DOCSIS1.x） 8 QAM, 32 QAM, 64 QAM（ DOCSIS2.0） 下行 : 64 or 256 QAM 符号率 上行 : 160, 320, 640, 1280, 2560 Ksym/sec （ DOCSIS1.x） 5120 Ksym/sec （ DOCSIS2.0） 下行 : 5.056941 or 5.360537 Msym/sec /webmoney 31 DOCSIS设备标准 CMTS 功率范围 上行 : 200 KHz -16 to + 14 dBmV 400 KHz -13 to + 17 dBmV 800 KHz -10 to + 20 dBmV 1600 KHz -7 to + 23 dBmV 3200 KHz -4 to + 26 dBmV 下行 : +50 to + 61 dBmV Cable Modem 功率范围 (1 dB 步进 ) 输出 : QPSK +8 to +58 dBmV 16 QAM +8 to +55 dBmV 输入 : 64 QAM -15 to + 15 dBmV 传输电平 - 6 to - 10 dBc 数据信号必须低于电视图象载波 6到 10 dB /webmoney 32 DOCSIS数据速率 信道带宽 (kHz) 符号速率 R (ksymbols/sec) QPSK的比特率 (kbps) 8QAM 的比特率 (kbps) 16QAM的比特率 (kbps) 32QAM 的比特率(kbps) 64QAM的比特率 (kbps) 200 160 320 480 640 800 960 400 320 640 960 1,280 1,600 1,920 800 640 1,280 1,920 2,560 3,200 3,840 1,600 1,280 2,560 3,840 5,120 6,400 7,680 3,200 2,560 5,120 7,680 10,240 12,800 15,360 6,400 5,120 10,240 15,360 20,480 25,600 30,720 /webmoney 33 多路复用技术 多路复用 : TDM (时分复用 ) TDMA (时分复接 ) FDM (频分复用 ) ATDMA (高级时分多址 ) SCDMA (同步码分多址 ) /webmoney 34 多路复用技术 多路复用 : TDM (时分复用 ) 多个用户共享同一信道内的时隙传输数据 . (用于 DOCSIS下行 ) TDMA (时分多址接入 ) (用于 DOCSIS上行 ) tn t2 FDM (频分复用 ) 信号同时在不同的频率上传输 One Source 复用器 t0 t1 /webmoney 35 多路复用技术 TDM 在同一介质上共享时间 帧中继使用 TDM FDM 在同一介质上共享频率 图象在电缆上传输使用 FDM Time Frequency 低速码流 1 FDM 信号 Time Time TDM 信号 Frequency 信号 1 Frequency 低速码流 2 信号 2 高速码流 调制信号 /webmoney 36 数字调制 16-QAM 上行 : 下行 : QPSK； 16 QAM 64 QAM； 256 QAM QPSK I I Q Q /webmoney 37 星座图分析 无劣化 特征 极少或感觉不到的劣化 正方形的显示 中心点均落在分界线上 附近的点互相紧密靠在中心点 /webmoney 38 传输质量 BER 在全部传输的码流中误码的比率 10-7 BER 是可以接受的 主要是因为低 CNR引起误码 阈值 BER QPSK QAM-256 QAM-64 误比特率 C/N dB 10 10 20 30 40 0 QAM-16 10 10 10 0 -5 -10 -20 10 -7 /webmoney 39 下行信号载波 数据下行频道 717.00 MHz 图象载波 733.25 MHz CM 输入电平范围 -15 to +15 dBmV. 可接受的 CNR 64 QAM = 30 dB 256 QAM = 35 dB CNR 标准 35 dB 调整 QAM 信号低于图象载波峰值 6-10 dB /webmoney 40 上行信号载波 峰值保持 单次扫描 上行频道 20.00 MHz 窄带噪声 CMTS 接收电平范围 -16 to + 26 dBmV 可接受的 CNR QPSK = 15 dB 16 QAM = 25 dB CNR 标准 25 dB /webmoney 41 DOCSIS 2.0 ATDMA 高级时分多址 与 TDMA类似，但 允许使用某些新的上行符号速率和 额外新增了上行 QAM 调制类型和 改进前向纠错 上行交织存储 更多前导码等 所有的这些改变都有助于实现上行带宽的增加和上行噪声免疫能力的提高 /webmoney 42 DOCSIS数据速率 信道带宽 (kHz) 符号速率 R (ksymbols/sec) QPSK的比特率 (kbps) 8QAM 的比特率 (kbps) 16QAM的比特率 (kbps) 32QAM 的比特率(kbps) 64QAM的比特率 (kbps) 200 160 320 480 640 800 960 400 320 640 960 1,280 1,600 1,920 800 640 1,280 1,920 2,560 3,200 3,840 1,600 1,280 2,560 3,840 5,120 6,400 7,680 3,200 2,560 5,120 7,680 10,240 12,800 15,360 6,400 5,120 10,240 15,360 20,480 25,600 30,720 /webmoney 43 前向纠错 FEC (前向纠错 ) 能够识别及纠正有限数量的传输错误的方法 在发送端发送具有一定纠错能力的码，在接收端译码后能发现错码并能自动纠正 FEC消耗带宽，并增加电路的复杂性及传输延时 DOCSIS 2.0规定 FEC 算法 Reed-Solomon前向纠错 (RS-FEC)，最高可纠正 16字节（而不是 10字节） 在每个代码字中纠正更多错误字节可以允许以更低的 SNR运行 （以牺牲 传输效率 为代价，因为需要更多的校验开销） FEC 能提高传输对 BER的容忍度 /webmoney 44 更长的前导码 更长的前导码， 1536 比特（而不是 1024 比特 ） 更长的前导码可以允许在更高的符号速率上恢复相位信息，甚至是在更低的SNR的情况下。 前导码改成了 QPSK1调制方式，能够提供更高的功率，从而允许更短的前导码和更好的噪声性能 /webmoney 45 DOCSIS 2.0 SCDMA 同步码分多址 包括 A-TDMA所有的特性，还加上 CDMA扩频 同步操作 格子编码调制 (TCM, Trellis Coded Modulation) 上行 128QAM调制，加上 TCM处理 /webmoney 46 SCDMA在 调制解调器上的处理步骤 将数据划分成代码字 对数据进行 Reed-Solomon FEC编码 对符号进行扩频 通过 LF