CM系统选型测试及在XX市HFC网络上的应用2001

CM 系统选型测试及在我台 HFC 网络上的应用 摘要摘要 介绍了独创性的 CMTS 及 CM 产品实际选型测试方案及 CM 系统在我台 HFC 网 络上的具体应用 作为有线电视网络营运商 避开了 CMTS 及 CM 产品测试中涉及到的复杂 标准及技术参数 同时又能从应用层面准确反映 CM 系统在 HFC 网络上的数据传输的性能 应用选型成果构建了我台 HFC 网络平台上的 CM 系统 并进入商业运营 关键词关键词 CMTS Cable Modem HFC 接入网 选型测试 回传通道 Abstract Abstract This paper introduces the unique modal selection testing method for CMTS and CM products as well as the application of CM system in the HFC network of our station For a cable TV network operation company this method avoids the complex standards and technical parameters involved in testing CMTS and CM products and at the same time reflects from a user s perspective the data transmission performance of CM system in HFC network thus establishing the CM system in our station s HFC network Key Key word word CMTS Cable Modem HFC network Modal selection test return path 我台根据网络总体规划和发展于 2001 年上半年对 Cable Modem 系统进行了选型测试 下半年开始在我台 HFC 网络上发展 CM 业务 从目前运行的情况看 基本达到了商业运营 的要求 在实际运行过程中 我们还结合我台网络的具体情况 合理规划 不断完善 已 初步建成可运营 可持续发展的 CM 业务平台 为今后业务进一步发展打下了坚实的基础 一 CM 系统选型测试 Cable Modem 通讯方式是在有线电视网上开展双向交互业务的一项新兴技术 同传统 业务相比国内尚无可以完整借鉴的测试方法和手段 在缺乏可借鉴的测试范例 众多测试 设备条件不具备的情况下 我们克服种种困难 从本台实际出发 通过技术人员的共同努 力 凭借以往对 Cable Modem 系统的研究经验 不断总结提高 最后顺利完成选型测试工 作 1 CM 系统原理 CCM 接入系统原理如图一所示 CMTS 是数据网络和 HFC 模拟射频网络的连接设备 主要完成网络数据的转发 协议处 理和调制解调等功能 其中上变频器完成将 CMTS 输出的中频模拟信号进行频率的上变换 输出到任意有线电视下行频道上 OOS 提供接入系统运行所需要的各种服务器支持 如 动态主机配置服务器 DHCP 简单文件传输服务器 TFTP 时间服务器 TOD 等 CM 主要完成 HFC 网络和用户设备之间的数据转发 协议处理和调制解调等功能 CM 和 CMTS 建立通信的启动过程分为 8 个步骤 第一步 搜索下行信道 CM 上电后 CM 不断调整自己的下行接收频率搜索下行信号 直到得到某个下行通道的 SYNC 同步帧 第二步 获取上行信道参数 UCD 上行通道的描述报文 由 CMTS 针对每个上行通道周期性 下发 CM 根据接收到的 UCD 选择合适的上行通道 如果没有接收到 UCD 帧 则 CM 返回 到第一步 重新搜索下行信道 第三步 CM 进行测距 校准参数 第四步 建立 IP 连接 能力 通过 DHCP 协议从 OSS 服务器获取 CM TFTP 服务器和 TOD 服务器 IP 地址以及 CM 的 配置文件名 第五步 根据前面获得的 TOD 服务器地址 通过 TOD 协议从 OSS 服务器获取 当前时间 第六步 根据前面获取的 TFTP 服务器地址以及 CM 配置文件名 通过 TFTP 协 议从 OSS 服务器下载 CM 的配置文件 第七步 CM 向 CM 注册 CMTS 验证 CM 的合法性 为 CM 分配正式的 SID Service ID 用于区分 CM 及服务等级的标识 第八步 CM 注册成功 可以开始正常工作 符合 DOCSIS 标准或其它标准的 CM 系统的技术参数 指标及要求 很多文献上都有介 绍 这里不再涉及 交换 机 路由 器 CMTS 上变频器 HFC CMPC INTERNE T OOS 服务器 图一 系统原理图 2 选型测试技术考虑及具体方案 方案考虑 方案考虑 这次 CMTS 和 Cable Modem 都有多种型号产品参加我台的选型测试 包括 DOCSIS 和 非 DOCSIS S CDMA 两种不同的技术产品 如何克服时间紧 仪器少并且要有效地把各个型 号的产品性能如实反映是我们首先考虑的问题 我台作为网络营运商 不可能对产品的各 种参数按照 CM 系统产品标准 如 MNCS 制定的 DOCSIS 标准 一一加以测量和验证 我们便 从系统的实际应用出发 考察系统产品的主要技术参数以及它们在实际网络环境下的性能 表现 在制定测试技术方案之前 我们考虑测试方案应该体现如下一些要求 相对客观公平 测试环境相同 并且便于测试 从传输层考虑性能比较 克服全面测试遇到的时间紧和仪器缺等困难 能够和实际应用紧密结合 测试 CM 和 CMTS 在我台网络环境下的实际表现 有较强的可操作性和可重复性 测试数据能够反映设备的性能差异 为选型提供技术支持 具体方案介绍 具体方案介绍 我们在本地搭建了 CM 系统测试平台 如图二所示 图二 CM 系统测试环境 我们用 QCHECK 软件对 CMTS 和 CM 之间的通讯情况进行测试 并作为测量数据 包括通 讯速率和数据丢失情况 QCHECK 软件是一款提供网络性能测试的共享软件 可以从 自制测试环境 锁金4村HFC 回传光收 噪声源 上免费下载 该软件提供两台计算机之间多种协议 TCP UDP SPX IPX 的通讯测量 我们使用该软件作为测量工具主要依据是 作为用 户更多关心数据的通讯 特别是数据传输的速度和丢包情况 而 QCHECK 可以提供这些数据 的测量 并且不存在读写硬盘的过程 我们在局域网环境中用两台高档微机 带百兆网卡 对 QCHECK 软件进行了验证 稳定正常 自制的测试环境如图三所示 C CM MT TS S 下下 行行 信信号号 1 2 3 45 6 102 110 C CA AT TV V 1 10 04 4 C CM MT TS S上上行行信信号号 test 收收 6 60 0发发 1 11 10 0 噪噪 声声 源源 1310光发 1X4光分路器 1310光发 1X4光分路器 68 CATV78 94 6868CATV 78CATV 78 86 C M C M C M C M C M 120110 412 89 118 90 CATV100 82 110 来自光节点 的回传光 上上行行 回回传传光光收收 98 CMTS CMTS 12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 82dB 13 15 72dB 110dB114dB 14 TEST A TEST B TEST C TEST D TEST E TEST F 图三 本地测试线路图 我们分别对 CMTS 和 CM 进行测试 测试 TCP UDP 通讯速率及 UDP 的丢包率 针对每一 项测试 又分成四种情况 引入实际噪声 锁金四村回传噪声 CM 和 CMTS 通讯在不同的上行频率 不同的调制方式 下行 QAM 上行 QPSK 和 QAM 在不同的网络电平下 主要测试下行链路最长 衰减大 上行链路短和长 衰减小和大 的情况下 CM 和 CMTS 通信的能力 不同的噪声条件 人为加宽带噪声 第一种情况考察 CM 和 CMTS 在不同上行频率下的通讯 我们引入了实际的光节点噪声 和 CM 的上行信号通过分配器 器件编号 13 倒混后送 CMTS 上行接收 第二种情况改变通 讯的调制方式 考察通讯速率和丢包情况 下行分 64QAM 和 256QAM 上行区别 QPSK 和 16QAM 第三种情况改变下行衰减值和上行衰减值 考察 CM 及 CMTS 发射和接收电平的动态 范围 第四种情况是人为引入噪声 从 TEST B 处 和 CM 上行信号通过二分配器 器件编 号 9 混合 噪声类型为 6MHz 带宽的宽带 相对 CM 上行带宽 QAM 信号 调节噪声强度 分别低于 CM 上行信号 30dB 20dB 和 10dB 测量通讯速率和丢包情况 四种测试都是考虑 到网络通讯中可能出现的情况以及这些情况下 CM 系统的实际表现 3 测试结论 从测试中我们得到了大量数据 分为 CMTS 和 CM 两组 通过对两组数据的整理和分析 有效反映了参测产品的性能以及同类产品之间的性能差异 达到了选型测试方案的要求 二 CM 系统在我台 HFC 网络上的具体应用 1 HFC 网络平台及 CM 系统调试 CM 系统选型的目的是要将 CMTS 和 CM 运用在我台的 HFC 网络中 为用户提供可靠有效 的商业服务 图四 我台 HFC 网络拓扑结构图 根据我台网络规划 整个 HFC 网络由一级光纤环网和二级光纤环网构成主要拓扑 见 图四 再由二级站通过光纤到小区或大楼和光电设备相通 最终用放大器 交换机 电缆 和千家万户连接 实现承载模拟电视传输网 A 网 和宽带数据网 B 网 两个业务平台的 HFC 网络 CM 系统跨接 A B 两个平台 CM 用户端的 CPE 和数据网的交换路由设备通过 CMTS 连接 其间和模拟电视信号走过一段相同的 HFC 物理通道 机房前端 CMTS 的下行 QAM 信号 一般在 550 750MHz 频率范围 一个频道占用 6MHz 或 8MHz 和广播模拟电视信号 在前端或分前端混合后 经光发射机 光节点 电放大器送到用户终端盒 用户室内 CM 的 上行信号同样经用户终端盒 电放大器的反向通道到达光节点 经光节点反向回传光发将 电信号转换成光信号上传到机房的回传光接收机 再由回传光接收机转换成电信号送 CMTS 的上行接收端 完成 CM 和 CMTS 之间的双向通讯 我台根据 HFC 网络规划 首先由总前端将广播信号通过一级环网传送到各分前端 四 个局间站 光电接收转换后 分前端或二级站各自插入需要开展的业务信号 如 VOD CM 信号 经 1310nm 光发将光信号传送到光节点 光节点下最多带一级楼放 用户数 500 左右 主前端 城西局间站城东局间站 城北局间站 64芯 64芯 64芯 64芯 二级站 二级站 二级站 16芯 16芯 16芯 16芯 16芯 HFC接入网 一级环网 二级环网 考虑到实际情况 目前我台光节点下带了一级 模拟光机 由楼放充当 以后由光节点取 代 再由 模拟光机 带一级楼放 根据我台网络和设备的使用情况 特别是双向楼放 回传光发 回传光接收机的技术指标 我们绘出 CM 上行通道模型见图五 并对各级信号电 平作出了要求和规定 见图五 回传光接收机 光电转换 放大输出电路等 CM 35dB衰减 楼放回传 24dB 光机回传光发 70 75dBuV 78 83dBuV 衰减小于 18dB 105 110dBuV 模拟光机 加输入衰减 78 83dBuV 衰减小于 18dB 94 99dBuV 70 75dBuV 94 99dBuV 站外线路 站内机房 CMTS上行接收 CMTS站内混合分配网 衰减25 30dB 10 0dBm 85 90dBuV57 63dBuV 图五 CM 上行通道模型及信号电平分配 网络中同一光站和不同光站的电平调试都要求遵循上述要求 保证网络中光站覆盖的 用户回传损耗应大致相等 为了保证指标 调试应该逐级进行 禁止开始就头尾联调 根 据实际统计和研究 70 以上的上行噪声干扰是从用户端侵入的 在保证下行传输设计以及 满足回传通道设备激励电平的前提下 优化设计上行通道并保证 CM 的上行发射电平对提高 C N 比和抗干扰有显著作用 在终端安装上线后 应该对相关上下行指标进行测量 以保 证通信质量 2 CMTS 组网 CM 宽带接入系统组网的首要问题是确定网络拓扑结构 特别是 CMTS 头端系统的安装 位置 集中式拓扑结构将 CMTS 集中安装在总前端 覆盖整个 HFC 网络 集中式拓扑结构投 资少 但用户容量有限 适用于较小的系统 分布式拓扑结构将 CMTS 分布安装在分前端 甚至二级站 仅覆盖部分 HFC 网络 分布式拓扑结构需要较多的 CMTS 投资较大 但扩展 性强 适用于较大的系统 网络拓扑结构需要根据系统的规模和 A B 平台的具体情况进行 设计 目前我台有线电视宽带综合业务网 A 平台 由环星形光缆网 电缆接入网和地下管 线网三部分构成 城区以广电大厦为信息中心 建设东西南北四个核心站 通过 64 芯光 缆连接 4 个局间站形成 56 公里的市区主环网 每个核心站下建设数个二级站 构成二级 环网 通过核心站和二级站覆盖市区光节点 目前 4 个局间站和 4 个二级站已投入使用 全市共布设光节点 390 个 每个节点接入 500 2000 用户 光缆网覆盖市区 70 以上 今 年计划再建几百个光节点 达到基本覆盖市区 我台宽带 IP 数据网 即 B 网 在 XX 广播电视大厦为信息中心的基础上 架构包括 一个主核心站点即 XX 广播电视大厦 3 个分核心站点 城西局间站 城北局间站和城东 局间站 构成一个骨干交换的主环网 在 4 个核心站点的基础上 再建立 7 个二级边缘 站点和五县四郊共 9 个区县二级边缘站点 各个二级边缘站点作为外围交换和用户接入点 并完成与核心层设备的交换 我台 CM 宽带接入系统采用了分布式拓扑结构 在东南西北 4 个核心站和延灵巷二级 站各安装一台 CMTS 向下覆盖本区域 HFC 网络 向上接入 B 平台 并最终接入因特网 我 台 CM 宽带接入系统拓扑结构如图六所示 因特网 网络操作管理服务器 防火墙 城北站三层 交换机 HFC 城西站三 层交换机 城东站三 层交换机 城南站三 层交换机CMTS HFC CMTS HFC CMTS HFC 延龄巷三 层交换机 CMTS CMTS HFC 路由器 CM 宽带接入系统是 A 平台和 B 平台的结合应用 其组网设计也包括两个方面 HFC 侧组网设计 即 CM 宽带接入系统与 A 平台之间的互连组网 和数据网络侧组网设计 即 CM 宽带接入系统与 B 平台之间的互连组网 前者已有论述 以下讨论数据网组网设计 数据网络侧组网设计的任务是充分利用 CMTS 具有的各种功能 在完成用户的接入 的基础上 实现特定的网络策略 以提高系统性能 增强网络安全和用户控制 组网设计 可以从以下几个方面进行考虑 1 网络的逻辑实现 2 IP 地址规划和分配 3 网络管 理和用户控制 4 网络安全 5 系统的可扩充性 CMTS 在逻辑上可以看成一个路由器 它通过 100BaseT 口上连至数据平台 下连 HFC 网 络 下行射频口和上行射频口 可以配置多个 IP 子网 可以看成多个路由器端口 CMTS 完成在 HFC IP 子网和上连端口之间的路由 在组网设计中的 CMTS 其它重要功能有 DHCP 授 权 代理服务器 ARP 及广播抑制 IP 过滤 服务级别 频谱管理和源 IP 路由选择等 我 台 CMTS 组网设计逻辑图如图七所示 省去了 IP 地址 图六 系统拓扑图 路由器 外网VLAN CMTS waiwang tag 201 CMTSCMTSCMTSCMTS 因特网 城南城西城北 DHCP TOD TFTP服务器 CM外网用户 NAT 内网用户 CM外网用户 内网用户 CM外网用户 内网用户 CM外网用户 内网用户 内网VLAN CMTS neiwang tag 202 CMTS CM 外网用户 内网用户 城东 图七 我台 CMTS 组网设计逻辑图 它具有以下特点 1 根据用户的需求不同 将用户分为内网用户和外网用户 外网用户分配公网地址 直接路由进入因特网 内网用户分配私有地址 路由进入 B 平台 并通过防火墙进行地址 转换后访问因特网 这样做一方面满足了部分高级用户需要通过公网地址直接接入因特网 的特殊需求 另一方面有可以解决大量用户访问因特网时公网地址不足的矛盾 并通过设 置防火墙保护了大量普通用户的网络安全