第6章 HFC接入技术.ppt

1、接入网技术,第6章 HFC接入技术,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Cable Modem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Cable Modem接入结构、工作原理及技术要点 了解Cable Modem技术标准及发展趋势,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

2、业务 并可提供交互式数据业务 Cable modem 技术一种典型的HFC接入技术,6.2 CATV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,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,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

3、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,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

4、,6.3 HFC网络,HFC ：Hybrid Fiber Coaxial 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,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,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）

5、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,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Cable Modem可实现全业务通信（数、话、图）,HFC的频谱划分,实现双向传输，必须引入一条双向传输通道。有三种实现方式： 空间分割 利用两根光纤，一根正向传输下行电视信号，另一根反向传输各种上行信号 简单、方便，不宜同轴传输 造价高、投资大 需要改造大量电视接收设备 频分复用 把不同的信号调制到上、下两段不同的频段上进行双向传输 时分复用 利用脉冲开

6、关控制一个脉冲周期发送下行信号，在另外一个脉冲周期内传送上行信号,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 5 42 88 550 860 1000 欧洲 5 65 110 550 862 1000 中国 5 65 65 550 750 1000 日本 5 48 88 550 860 1000,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MA

7、C协议） 同一个服务区的用户共享信道，避免用户上行传输信号时发生冲突，采用MAC技术控制和协调不同用户传输的上行信息 上行信道多干扰（各种噪声） 用户家庭的噪声(70%) 下引线(25%) 同轴设备(5%) 避免和抑制噪声的方法： 合理设置网络结构，减少光纤节点的用户，每个节点的用户500 CM采用具有较强的抗干扰能力的调制方法和合适的编码方式 上行信道：正交相移键控QPSK 下行信道：正交振幅调制QAM,HFC网络特点及面临的问题,采用上行通道滤波器 向前纠错技术消除脉冲噪声带来的影响 确保线缆设备在机械和电气方面都密封良好，避免产生侵入噪声和脉冲噪声 安全性问题 共享拓扑结构 损害到用户的

8、权益，影响同一分支内其他合法用户的正常通信 失灵的CM会造成同一分支内的其他用户无法正常使用网络 可靠性问题（单点故障） HFC分配网络中某个放大器故障会导致整个临近区域的服务中断 供电问题（户外设备供电） 交流电供电故障，造成整个服务区的服务中断,6.4 Cable Modem,系统概述 系统结构 工作原理 协议模型 物理层 MAC层,Cable Modem系统概述,Cable Modem：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：50550MHz CM：典型频段：542MHz，550750MHz CM上、下

9、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10M bps(QPSK 最高1.5Mbps) 两种标准 IEEE802.14，基于ATM传输 DOCSIC，基于IP传输,Cable Modem的系统结构,CMTS: Cable Modem Termination System 头端电缆调解器 包含网络接口、调制器、解调器 CM: Cable Modem 电缆调解器 包含调谐器、解调器、脉冲调制器、处理器、计算机接口,Internet,Router,CMTS,HFC,CM,系统结构说明,CM:电缆调解器 连接用户的PC与HFC网络

10、 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,Cable Modem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,Cable Modem1,Cable Modem2,Cable Modemx,上行,Cable Modem工作过程描述,加电初始化 与头端CMTS同步 CM扫描所有

11、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,Cable Modem工作过程描述,CM与CMTS建立同步 选择一个可用的下行信道 同步标准：与QAM码元定时同步，与FEC帧同步，与MPEG分组同步，并能识别由CMTS周期性发送的定时同步(SYNC)MAC

12、报文，完成MAC层上的同步 获得上行信道的传输参数 等待一个从CMTS发送出来的上行信道描述符(UCD)，以获得上行信道的传输参数 UCD是由CMTS周期性广播的，包括目前所有可用的上行信道参数 找到一个上行信道后，CM从UCD中取出参数完成相应配置，然后等待下一个SYNC报文，从中取出上行小时隙的时间标记，并且继续等待所选上行信道的带宽分配MAP信息，处理该信息 测距和自动调整 向CMTS发送测距请求，根据CMTS发送的测距响应调整CM自身的传输信号的电平、频率 CMTS周期性的给每个CM发送周期维护报文，用于对CM进行周期性的调整,Cable Modem工作过程描述,建立IP连接 完成本地

13、参数调整后，使用动态主机配置协议DHCP，从头端的DHCP服务器上获得分配给它的IP地址以及其他任何与建立IP连接的相关参数 建立时间 CM与CMTS建立统一的日期时间 通过头端的服务器时间来建立本地时间，通过DHCP响应的时间时偏来调整 CM从CMTS处获取工作参数 用TFTP协议，从TFTP服务器下载配置参数文件 注册 CM向CMTS注册自己相关的配置信息，等待CMTS的注册响应 CM安全性初始化 CM与CMTS通信建立完成,CM协议参考模型,CMTS MAC,ATM,LLC,其他,上行PMD,下行PMD,CM MAC,MAC层,PHY层,下行,上行,CMTS,CM,TC子层,下行PMD,

14、上行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） LLC PDU（ DOCSIC标准）,CM物理层功能,两种标准的物理层都采用J.83标准 负责实现比特传输、同步、定向和调制解调 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、比特流同步编码和差错校验 TC子层：传输汇聚子层 下行PMD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

15、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,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 Cable Modem的调制方式为QAM（正交幅度调制）和QPSK（正交相移键控） 上行：QPSK、16QAM 下行：64QAM、256QAM QAM的信道利用率比QPSK高，但QPSK的抗干扰性更好,CM技术物理层上行帧结构,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：Request PDU(miniPDU)，占1个minislot 数据PD

16、U：data PDU，一般占多个minislot 管理信息PDU：manage PDU，占多个时隙 不同的PDU在头部由不同的类型表示,Request PDU,去头端,Data PDU,Manage PDU,占多个时隙,占1个时隙,占多个时隙,CM,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 Request PDU:用于CM请求上行带宽，含CM ID，所需时隙数等 Data PDU：ATM信元（802.14 标准）或LLC PDU（DOCSIS) Manage PDU：用于测距、功率调整等,f,.,上行信道,.,PDU,PDU,Request

17、PDU,去头端,t,miniSlot,Data PDU,PDU,Manage PDU,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,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,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 IEEE

18、802.14 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,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,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(MAP PDU),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 PDU 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data PDU （发送数据时是不会产生冲突的）,带宽请求与分配过程（自学）,专门的带宽请求捎带请求相结合,6.5 Cable Modem的标准演进,IEEE 802.14 1994年5月成立，2000年3月停止活动 制定了标准草案：802.14a 物