第6章_HFC接入技术.ppt

接入网技术,接入网技术,第6章HFC接入技术,接入网技术,教学重点与要求,教学重点介绍CATV网络的结构及局限性介绍双向HFC网络的结构以及网络环境重点强调CableModem技术：接入结构、工作原理、技术要点、技术标准要求了解CATV网络的结构及局限性掌握HFC网络的结构以及特点掌握CableModem接入结构、工作原理及技术要点了解CableModem技术标准及发展趋势,接入网技术,6.1引言,CATV网络有线电视运营商最重要、最普及的入户基础设施最初只使用50550MHz频段提供单向广播电视业务但使用新技术，可使用其他剩余频段在CATV的基础上进行双向HFC改造保留原有CATV有线电视业务并可提供交互式数据业务Cablemodem技术一种典型的HFC接入技术,接入网技术,市场牵引与技术推动,有线电视（CATV）系统是从有线电视台前端，用同轴电缆直接向家庭发送清晰且强度相同的电视信号；高质量的天线塔接收来自空间波或卫星的电视频道，并将它们映射到电缆频带。从市场需求角度看，CATV提供了良好的接收效果，并且可选的频道更多，屋顶上没有难看的天线。从技术角度来看，CATV从最初单一的同轴电缆演变为光纤与同轴电缆混合使用，单模光纤和高频同轴电缆成为主要传输介质，并逐渐演变为新一代有线电视网络（即HFC网）。随着HFC的发展，不仅要提供双向通信，而且还要增加信道容量以适应来自数字直播卫星（DigitalBroadcastSatellites，DBS）的新的竞争。,接入网技术,6.2CATV网络,CATV传统的有线电视网络CATV的特点为特定的业务设计将广播视频业务传送到家而优化设计通信方式：单向（下行）、广播式介质：同轴电缆或以同轴电缆为基础广播业务使用频段：50550MHz复用技术：FDM模拟传输方式,接入网技术,组成网络组成：头端、干线网、配线网、下引线设备组成：头端设备、放大器、分配器、分支器拓扑结构：树状、鱼骨状结构（分支结构）,CATV网络的系统结构,接入网技术,系统结构说明,头端信号的接收与处理中心接收来自各种信号源的电视信号（卫星、本地）将接收到的各路信号调制到一个6（8）MHz频道通过FDM合路器下传到干线，最终送到千家万户干线（网）连接头端和信号分配点之间的电缆与设备（信号分配器、同轴缆、放大器、分支器）距离一般为15km信号分配器：将干线信号分成几路，覆盖更大范围配线：连接信号分配点与分支器，中间有放大器分支器：用户的接入点下引线（引入线）：用户接入线缆放大器：对信号放大，使信号能达到更大的范围,接入网技术,系统结构说明（2）,干线电缆、配线电缆和用户引入线使用的都是同轴电缆，标称阻抗均为75。现代同轴电缆的使用频率范围已达1GHz干线电缆的直径一般为12.722.0mm，内导体为实心铜线或铜包铝金属线，外导体为由铜带或铝带制成的光滑管或波纹管，护套为普通聚乙烯或耐光聚乙烯。通常每隔600m左右需要设置一个干线放大器，以补偿线路的传输损耗。但是，由于干线放大器所产生的热噪声和信号失真的累加效应，因而干线电缆的最大长度要受到一定限制。一般为几公里到十几公里配线电缆的直径一般为9.511.5mm，其他技术特性与干线电缆相同。配线电缆的长度一般为13km，需要的线路延伸器为24个用户线电缆的直径一般不超过7mm，外导体通常是铜丝编织层，外护套通常由阻燃聚乙烯或耐光聚乙烯制成。与干线、配线电缆不同，对用户电缆有一个较为重要的柔软性要求，以便于灵活敷设。用户引入线的长度一般为十几到几十米,接入网技术,CATV网络的局限性,业务单一：视频单向通信：只能下行通信，不能双向交互网络结构脆弱：鱼骨形结构，只要一个地方或设备故障，可能导致中断对众多用户的服务传统的CATV已不能满足现代业务（交互式、综合业务）的要求，双向改造势在必行,接入网技术,6.3HFC网络,HFC：HybridFiberCoax混合的光纤同轴电缆在原有CATV基础上进行双向改造干线部分：光传输系统代替CATV中的同轴电缆用户分配网：仍保留同轴电缆网络结构，但放大器改成双向的可提供业务保留原有CATV单向电视广播业务利用剩余频带提供宽带数据业务,接入网技术,双向的HFC网络结构,光纤到服务区结构（FSA)每个服务区物理上为一个独立的子网，不同的服务区可采用相同的频谱，彼此不干扰,接入网技术,结构说明,头端信号的接收与处理中心接收来自各种信号源的电视信号（卫星、本地）接入到PSTN、Internet光纤干线网头端到服务区光节点之间的部分（光纤）拓扑结构为星形配线网和下引线完全同CATV（放大器除外）配线网的拓扑结构为树形,接入网技术,双向HFC的优势,取消主干上的放大器，提高信号质量和可靠性。在主干上采用光纤，提高了容量，为宽带接入奠定了基础。为双向交互式通信提供了网络条件。通过CableModem可实现全业务通信（数、话、图）,接入网技术,HFC的频谱划分,上行信道,CATV业务,数字下行,f,f1,下行信道,数字上行,f2,f3,f4,f5,f6,个人通信,地区f1（MHz）f2（MHz）f3（MHz）f4（MHz）f5（MHz）f6（MHz）北美542885508601000欧洲5651105508621000中国565655507501000日本548885508601000,接入网技术,HFC网络特点及面临的问题,特点共享介质、点到多点结构上行信道多干扰环境面临问题上行信道的分配问题（需要MAC协议）上行信道多干扰（各种噪声）安全性问题可靠性问题（单点故障）供电问题（户外设备供电）,接入网技术,6.4CableModem,系统概述系统结构工作原理协议模型物理层MAC层,接入网技术,CableModem系统概述,CableModem：电缆调制解调器（简称CM）基于双向HFC的宽带接入技术频分复用，实现数据业务和传统CATV业务共存CATV：典型频段：50550MHzCM：典型频段：542MHz，550750MHzCM上、下行双向通信542MHz（上行）550750MHz（下行）非对称速率方式下行最高42Mbps上行最高10Mbps(QPSK最高1.5Mbps)两种标准IEEE802.14，基于ATM传输DOCSIC，基于IP传输,接入网技术,HFC网络对CableModem的要求,一、上行下行线缆频谱根据频分复用（FDM）方案，在上行方向，CableModem的上行数字传输速率采用542MHz的频率范围，由于此频率范围存在很多污染和噪声，而移相键控（QPSK）调制技术尽管发送数据的频带利用率较低，但在抗噪方面性能比较强，所以利用QPSK调制技术对数据进行调制，并将发送数据放入542MHz频带的一个6MHz频道内。二、数字线缆网络虽然HFC网络在网络的光纤和同轴部分以模拟格式传输视频信号，但是只要调制后的信号符合电缆系统传输的带宽和功率限制要求，并将模拟放大器变为数字中继器，目前的电缆网络就可以不加修改的传送数字信号，在6MHz频带内与模拟电视信号共存。,接入网技术,在HFC网络中，分配给CableModem的频带位于十分不利的噪声环境中一般说来，网络噪声问题来源于三个区域：用户家里（占70）、用户下引线（占25）、硬同轴设备（占5）,HFC网络中的噪声,接入网技术,上行方向的噪声特性,侵入噪声（IngressNoise）：外部窄带射频信号进入或泄漏到电缆分配系统中的结果，是不希望产生的窄带噪声交流声调制（HumModulation）：50Hz交流电源经过供电设备耦合到信号的包络中，产生的幅度调制冲击噪声：主要是由50Hz的高压线和其他电器及大量静电放电引起的，例如闪电雷击、交流电机启动等，松动的连接器也会产生冲击噪声。突发噪声：突发噪声和冲击噪声相似，只是持续时间更长微反射（Micro-reflections）：发生在传输介质的不连续处，导致部分信号能量被反射共路失真（CommonPathDistortion）：是由电缆设施中的无源器件和受腐蚀连接器的非线性造成的热噪声：也称白噪声，是由75终端阻抗的随机热噪声（电缆和其他网络设备内的电子运动）产生的,接入网技术,下行方向的噪声特性,光缆噪声：由于光纤内信号的调制频率很高引起的群迟延，以及高斯白噪声迭加到电源中，都将影响数字信号。设备的频率响应噪声：包括倾斜和波纹两种频率响应噪声。调幅调频交流声调制：调幅调频交流声调制是因交流电通过供电设备耦合到信号包络或因频偏而产生的幅度/频率调制。热噪声和互调：热噪声以高斯白噪声作为它的模型，但其功率由相对于设备输出的功率来确定。突发噪声：当所有下行通路信号的合成信号超过了激光器的信号容限时，就会发生激光限幅，进而产生突发噪声。信道冲浪：主要来源靠近接收器，其频率响应会有大而缓慢变化的波纹出现和消失。,接入网技术,抑制噪声的方法,在反方向合理地调整放大器安装或更新时，确保系统在机械和电气方面都密封良好，以免产生侵入或脉冲噪声。所有供电设备和电缆设备都必须保证良好的接地。由于侵入噪声几乎70都来源于下引线和用户家中。解决的有效方法是对住宅同轴线路进行适时升级，添加优质的连接器并使接地良好。通过减小通路带宽的方法，来减小群迟延失真并允许使用频带利用率更高的调制方法，以便增强系统的健壮性。在多频载波中，使用频率灵活的CableModem来减小（或避开）噪声损害。用这种方法选择那些在返回路径上噪声最小的载波频率。,接入网技术,HFC宽带接入系统的系统结构,CMTS:CableModemTerminationSystem头端电缆调解器CM:CableModem电缆调解器,Internet,Router,CMTS,HFC,CM,接入网技术,系统结构说明,CM:电缆调解器连接用户的PC与HFC网络对网络和用户数据进行调制/解调，并传输实现网络与用户数据的双向交互CMTS:头端设备连接数据网与HFC对数据的调制/解调与传输，对所有CM的接入进行控制（认证许可）给CM分配带宽并进行管理CMTS和CableModem间进行数据包双向传输,接入网技术,CableModem的工作配置,CableModem和CMTS的配置是分别进行的CableModem一般不需要人工配置和操作，它有用于配置的Console接口，可通过VT终端或Win9x的超级终端程序进行设置CMTS的配置内容主要有下行频率、下行调制方式及下行电平等通道管理：上述设置完成后，如果中间的线路无故障，信号电平的衰减符合要求，则启动DHCP和TFTP服务器，就可以在CMTS和CableModem间建立正常的通信通道多台CMTS设备组成的网络结构：当用户数较多或传输的数据量较大时，必须考虑使用多个下行通道，可将多台CMTS设备连成网络,接入网技术,CableModem,电缆调制解调器（CableModem）是一种可以通过有线电视网络进行高速数据接入的装置。从传输方式角度来看，可分为双向对称式传输和非对称式传输。从数据传输方向来看，有单向传输和双向传输之分。从网络通信角度来看，可分为同步（共享）和异步（交换）两种方式。从接入角度来看，可分为个人CableModem和宽带CableModem（多用户），宽带Modem可以具有网桥的功能，可以将一个计算机局域网接入。从接口角度来看，可分为外置式、内置式和交互式机顶盒。,接入网技术,CableModem工作原理,每个CM都有一个ID（48位，制造商定）。CM的接收器能调谐到所有m个下行信道的任何一个接收数据CM能在所有1n个上行信道中的任何一个发送数据,头端CMTS,m信道,n信道,下行,上行,1,1,CableModem1,CableModem2,CableModemx,上行,接入网技术,CableModem工作过程描述,加电初始化与头端CMTS同步CM扫描所有下行频道，寻找有效控制信息（广播信息）一般CM首选对上次使用过的频道进行搜索（内存保存）获取上行信道参数并请求注册CM收到头端发来的上行信道传输参数CM根据参数中指点的上行通路向头端发送注册请求消息注册认可，开始认证、密钥交换、测距、初始化预约带宽传送数据CM向CMTS申请带宽，由CMTS分配CM在分配的带宽里上传数据，实现与网络的交互只要不断电，CM就一直处于在线状态,接入网技术,CM协议参考模型,CMTSMAC,ATM,LLC,其他,接收PMD,发送PMD,CMMAC,MAC层,PHY层,下行,上行,CMTS,CM,TC子层,接收PMD,发送PMD,TC子层,ATM,LLC,其他,模型包括:物理层和MAC层承载的高层数据主要为两种ATM信元（802.14标准）LLCPDU（DOCSIC标准）,接入网技术,CM物理层功能,两种标准的物理层都采用J.83标准组成：PMD子层、TC子层PMD子层：物理介质相关子层分为上行PMD（接收PMD)和下行PMD（发送PMD)提供物理接口、信号的调制/解调、比特流同步等TC子层：传输会聚子层提供与MAC的接口，对MAC帧进行分片与重组形成在信道上传输的格式PDU的定界完成同步、测距和功率调整同步：定期接收头端的广播的参考时钟，并调整本地时钟测距：均衡时延（各CM到CMTS距离不等），避免时隙重叠功率调整：为了使各CM到CMTS的电平基本相同,接入网技术,CM技术物理层调制技术,选择何种调制技术主要从信道利用率和抗干扰性能考虑CableModem的调制方式为QAM和QPSK上行：QPSK、16QAM下行：64QAM、256QAMQAM的信道利用率比QPSK高，但QPSK的抗干扰性更好（CableModem的上行数字传输速率采用542MHz的频率范围，此频率范围存在很多污染和噪声）,接入网技术,CM技术物理层上行帧结构,上行信道采用TDMA划分成时隙，每个时隙成为minislot（小时隙）上行帧结构为小时隙流上行信道承载三种PDU（管理、请求、数据）带宽请求PDU：RequestPDU(miniPDU)，占1个minislot数据PDU：dataPDU，一般占多个minislot管理信息PDU：managePDU，占多个时隙不同的PDU在头部由不同的类型表示,RequestPDU,去头端,DataPDU,ManagePDU,占多个时隙,占1个时隙,占多个时隙,CM,接入网技术,CM物理层上行信道划分,上行信道划分：FDMA+TDMA每个小时隙是上行信道带宽的基本单位RequestPDU:用于CM请求上行带宽，含CMID，所需时隙数等DataPDU：ATM信元（802.14标准）或LLCPDU（DOCSIS)ManagePDU：用于测距、功率调整等,f,.,上行信道,.,PDU,PDU,RequestPDU,去头端,t,miniSlot,DataPDU,PDU,ManagePDU,接入网技术,CM的MAC层MAC协议环境,共享介质同一服务区的用户共享带宽需要介质访问控制（MAC）技术无法实现载波侦听（CSMA）收发信道完全分开很难实现分布式协调控制CMTS集中仲裁CMTS对多个CM进行集中控制,接入网技术,CM的MAC层功能,CM接入的合法性认证上行信道竞争的冲突分解CM带宽的请求、分配与管理MAC层最核心技术,接入网技术,CM的MAC层运行机制,上行总带宽由许多小时隙（minslot）表示minslot为一个最小带宽单位上行带宽预约请求，无竞争传送数据请求带宽发生冲突时，进行冲突分解IEEE802.14采用基于树的分解算法和P坚持DOCSIS采用二进制指数退避算法,接入网技术,CM的MAC层上行带宽请求与分配,CM与CMTS交互实现CM向CMTS请求，由CMTS进行分配与管理专门请求捎带请求相结合CM有数据要发时CM先向头端CMTS申请带宽（小时隙数量）CMTS给CM指定上行发送小时隙CM在指定上行时隙内发送CM在发送数据时有新数据要发时直接在发送数据时捎带对新数据发送带宽的请求,接入网技术,CM的MAC层上行带宽请求与分配,带宽请求与分配过程描述待发数据的CM，从下行信道获取头端对上行带宽分配的广播信息(MAPPDU),从中选取一个空闲的minislot，CM通过上行信道在选取的minslot内发送一个request如果请求冲突，则按某种算法进行冲突分解，并再次请求请求成功，会收到正确的ACK，对CM的发送时刻及允许发送的minislot个数（可能与申请的个数相同，也可不同）CM根据分配信息，在指定的上行时隙内发送dataPDU（发送数据时是不会产生冲突的）,接入网技术,带宽请求与分配过程,专门的带宽请求捎带请求相结合,接入网技术,CableModem与ADSLModem的比较,Internet接入应用比较CableModem的典型Internet接入CableModem通过头端接入到Internet，头端包含IP路由器、代理服务器或高速缓存（cachememory）以及控制部分。,接入网技术,Internet接入应用比较ADSLModem的典型Internet接入用户（个人计算机）通过现有的双绞电话铜线接入到Internet,接入网技术,通路带宽：CableModem总体上说，其下行通路一般提供30Mbit/s以内带宽，可以由5002000个用户共享此带宽。吞吐量：当大量用户同时进行传输，使吞吐量剧增时，CableModem的业务将受损。ADSLModem（假设速率为6Mbit/s）只由一个用户专用，有限的上行带宽不能进行视频电话传输。经济性：在CableModem应用中，连接到一个用户只需要一个Modem，其费用比ADSL低。,接入性能比较,接入网技术,接入性能比较（2）,业务性能：标准的CableModem应该能够通过合理的流量工程来处理恒定比特率（ConstantBitRate，CBR）、可变比特率（VariableBitRate，VBR）和可用比特率（AvailableBitRate，ABR）业务。可靠性：在CableModem应用中，CATV是一个树型网络，有线电视线路极容易造成单点故障，如电缆的损坏、放大器故障或传送器故障等，都会使这条线上用户的使用中断。安全性：在CableModem应用中，由于共享同媒质环境，所有信号进入到所有的CableModem中，从而有可能会产生严重的有意或无意的线路误用、窃听和业务盗窃现象。因而需要保护线缆，增强加密和认证功能。,接入网技术,6.5CableModem的标准演进,IEEE802.141994年5月成立，2000年3月停止活动制定了标准草案：802.14a物理层采用ITU-TJ.83建议MAC层基于ATM信元，协议机制相当精致,接入网技术,CableModem的标准演进,DOCSISMCNS,1995年11月由4个主要HFC运营商发起成立MultimediaCableNetworkSystemDOCSIS1.0：1998年3月发布，ITU接受DOCSIS1.1,DOCSIS1.2，DOCSIS2.0吸取了802.14的很多协议机制物理层采用ITU-TJ.83建议承载的高层数据为LLCPDU,接入网技术,CableModem的标准演进,802.14与DOCSIS之争802.14工作组已于2000年停止工作标准已从现行的标准中拆下DOCSIS虽然占了上风但技术本身发展缓慢,接入网技术,基于ATM的CableModem的参考体系结构包括：物理（PHY）层、MAC层和上层（upperlayers）。物理层包括两个子层：物理媒质关联（PhysicalMediumDependentsublayer，PMD）子层和传输会聚（TransmissionConvergencesublayer，TC）子层。这些子层根据相关的传输链路的特性，实现所需的比特传输、同步、定向和调制功能,基于IEEE802的CableModem,接入网技术,图CableModem的基本层次,接入网技术,物理媒质关联（PMD）子层的主要功能是对模拟电缆网络上的射频（RF）载波进行调制/解调以获得数字比特流，并实现同步编码和差错校验。下行PMD采用正交振幅调制（QAM）技术对射频载波进行调制/解调。上行PMD子层支持QPSK和16-QAM两种调制方式。,物理媒质关联子层,接入网技术,传输会聚子层（TC）进行低层初始化工作，包括同步、测距和功率调整同步：头端周期地发送一个包含全局定时参考的管理消息来实现和头端时钟的同步测距：同步建立后，CM向头端发送初始维护消息进行测距，保证CableModem的传输和正确的小时隙边界对齐功率调整：每个CableModem至头端的衰减都很可能和另一个至头端的衰减不同,低层初始化,接入网技术,媒质访问控制（MAC）层规范的复杂性来自共享媒质，以及需要保证每个用户应用的服务质量为了支持高层业务，CableModem的MAC层可包含子层,MAC层,接入网技术,HFC的安全和保密问题不同于传统的点到点有线网络。CableModem中规定了接入安全机制以使共享媒质接入网的安全性和非共享媒质接入网的安全性相当密钥交换：在注册阶段密钥交换使用Diffie-Hellman交换维护站密钥：CableModem通常配备一个以上独立的加密/解密密钥，这些密钥在注册期间利用辅助密钥（cookie）进行交换,MAC层的安全和保密,接入网技术,由于请求分组和数据分组可能在竞争条件下发送，故需要执行某种冲突分解算法基于树的竞争分解算法：发生冲突时，冲突的所有有关各站被分为n个子集；每个子集按照某一次序随机选取ln之间的一个数，首先重传第1个子集，子集2n等待；可以把等待的各个子集看成是一个堆栈，堆栈中的位置代表各站在重传其请求前必须等待的时隙数；如果发生第二次冲突，第1个子集再次被分割，已经在堆栈中等待的子集必须在栈中最多移动（n-1）个位置，从而为冲突的新站留出空间；如果没有冲突，占据堆栈中最低位置的站可以发送。,MAC层的竞争算法,接入网技术,二进制指数退避竞争分解方法：用于基于IP的CM。头端通过反馈控制上行通路的分配，并确定哪些小时隙遭受冲突。这种竞争分解方法是基于截短的二进制指数退避算法，由头端控制初始的和最大的退避窗口。,MAC层的竞争算法（2）,接入网技术,IP接口ATM接口,上层,接入网技术,下行信道物理层规范基于ITU-