CMTS+CM原理介紹

1、技術(shù)服務(wù)部CMTS+CM原理介紹原理介紹THE INTRODUTION OF CMTS PRINCIPLECMTS+CM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成部分網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成部分CMTS(Cable Modem Terminal Systems),又叫C-docsis。CMTS是管理控制Cable Modem（CM）的設(shè)備HFC網(wǎng)絡(luò)即混合光纖同軸電纜網(wǎng)。HFC通常由光纖干線、同軸電纜支線和用戶配線網(wǎng)絡(luò)三部分組成,從有線電視臺出來的節(jié)目信號先變成光信號在干線上傳輸；到用戶區(qū)域后把光信號轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)分配器分配后通過同軸電纜送到用戶CM(Cable Modem)電纜調(diào)制解調(diào)器CMTS系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成CMTS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)拓

2、撲CMTSEMTA(內(nèi)置內(nèi)置CM)STB(內(nèi)置內(nèi)置CM)CMHFC匯聚交換機(jī)匯聚交換機(jī)CMTS+CM核心核心網(wǎng)網(wǎng)接入網(wǎng)接入網(wǎng)當(dāng)光節(jié)點(diǎn)覆蓋用戶數(shù)在400戶左右,把MiniCMTS部署在光節(jié)點(diǎn)位置,使用野外型MiniCMTS,采用xPON回傳XPON組網(wǎng)組網(wǎng)Internet光發(fā)分光器Mini CMTSMini CMTS分光器OLT匯聚交換機(jī)CMTS網(wǎng)管分前端CMCM用戶當(dāng)光節(jié)點(diǎn)的覆蓋用戶數(shù)小于100戶時(shí),把MiniCMTS部署在光節(jié)點(diǎn)位置雖然可以提供更高的帶寬,但改造成本較高此網(wǎng)絡(luò)模型下,建議MiniCMTS部署在分前端,采用1U MiniCMTS,一個(gè)MiniCMTS覆蓋4-5個(gè)光節(jié)點(diǎn)(按每個(gè)光

3、節(jié)點(diǎn)覆蓋100戶計(jì)算,一個(gè)MiniCMTS覆蓋400-500戶)CMTS前端組網(wǎng)前端組網(wǎng)光發(fā)分光器雙向光站多路光收CMTS網(wǎng)管雙向光站InternetMini CMTSCMCMCMTS+CM從下行的模擬信號中劃出8MHz頻帶,將信號轉(zhuǎn)化為符合以太網(wǎng)協(xié)議的格式,與電腦實(shí)現(xiàn)通訊下行是指路由器的數(shù)據(jù)包在CMTS中被封裝成MPEG2-TS幀的形式,經(jīng)過64QAM調(diào)制后,通過HFC網(wǎng)傳輸?shù)礁鰿M上行數(shù)據(jù)利用時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配帶寬直接基于以太網(wǎng)包進(jìn)行傳輸,與IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)合緊密CMTS基本原理基本原理CMTS工作在二層網(wǎng)絡(luò),對數(shù)據(jù)的調(diào)制/解調(diào)與傳輸,對所有CM的接入進(jìn)行控制（認(rèn)證許可）下發(fā)C

4、M上線配置（包括上下行頻點(diǎn)、頻寬、電平、調(diào)制方式等）完成docsis和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換對下行service-flow進(jìn)行帶寬控制其它相關(guān)的以太網(wǎng)功能CMTS主要主要功能功能下行通道的頻率范圍為88860MHz, 每個(gè)通道的頻寬為8MHz (NTSC 6MHz,PAL 8MHz),采用256QAM調(diào)制方式,對應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率為55.616884Mbit/s在6MHz頻寬工作模式下,64QAM為5.056941 Msym/sec,256QAM和1024QAM為5.360537 Msym/sec 在8MHz頻寬工作模式下,64QAM、256QAM和1024QAM 均為6.952 Msym/secCMT

5、S的上下行電平都是設(shè)定的固定值,默認(rèn)發(fā)射電平是45dBmv,接收電平是0dBmvCMTS下行參數(shù)下行參數(shù)CM的接收電平在-15到+15之間,下行鏈路需要加衰減到這個(gè)范圍內(nèi),而上行到CMTS的接收電平需要根據(jù)測距情況調(diào)整到上行設(shè)置的接收電平傳輸有效速率計(jì)算公式：D=W(1+),Rs=D*log2(qam)注：Rs為傳輸速率,D為符號率,W為頻寬。為滾降系數(shù),當(dāng)它的取值為0時(shí),它的矩陣系數(shù)最好,占用頻寬最小,很難實(shí)現(xiàn)。為此它的取值一般不小于0.15,我們這里取值為0.16CMTS下行參數(shù)下行參數(shù)(cont.)上行通道的頻率范圍為565MHz,每個(gè)通道的帶寬可為200、400、800、1600、32

6、00kHz采用QPSK或16QAM調(diào)制方式（數(shù)據(jù)速率320kbps-10Mbps）,對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸速率為3205120Kbit/s或64010240Kbit/s。上行通道的帶寬可根據(jù)所需的數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)定在同樣的帶寬內(nèi),QPSK調(diào)制的速率比16QAM調(diào)制方式低,但其抗干擾性能好,適用于噪聲干擾較大的上行通道,而16QAM調(diào)制適用于信道質(zhì)量好且要求高速傳輸數(shù)據(jù)的場合在CMTS設(shè)備中,為了減小上行通道的干擾,一個(gè)下行通道一般對應(yīng)多個(gè)不同頻率的上行通道CMTS設(shè)備根據(jù)信道的噪聲狀況自動(dòng)跳頻到干擾較小的通道,而用戶察覺不到該跳頻過程CMTS上行參數(shù)上行參數(shù)為了減小上行通道的干擾,一個(gè)下行通道一般對應(yīng)有

7、多個(gè)不同頻率的上行通道,CMTS可根據(jù)信道的噪聲狀況自動(dòng)跳頻到干擾較小的通道,而用戶察覺不到跳頻的過程CMTS負(fù)責(zé)處理不同的媒體訪問控制(對訪問用戶的IP地址進(jìn)行受權(quán)認(rèn)正）,這些程序包括下行的時(shí)隙信息傳輸、測距管理以及給各CM分配時(shí)分多址訪問的時(shí)隙。CMTS根據(jù)帶寬分配算法可將一個(gè)小時(shí)隙定義為預(yù)約小時(shí)隙或競爭小時(shí)隙,CM通過小時(shí)隙向CMTS傳輸數(shù)據(jù)CMTS上行參數(shù)上行參數(shù)(cont.)docsis協(xié)議棧協(xié)議棧OSIDOCSIS Data Over CableMPEG-based applics e.g.Video高層高層ApplicationsDOCSISControlMessages傳輸層傳

8、輸層TCP or UDP網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層IP數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層IEEE 802.2DOCSIS MAC上行上行TDMA(mini-slots)下行下行TDM(MPEG)物理層物理層5-65 MHZ(QPSK or 16QAM)8 MHZITU-T J.83 Annex AHFCCMTS/CM交互交互CMTS上線流程上線流程下行頻道掃頻和同步CMTS獲取傳輸參數(shù)(從UCD消息中)進(jìn)行測距建立IP連接確立時(shí)間傳輸運(yùn)行參數(shù)執(zhí)行注冊過程 TuningRangingconnectionconfigurationregistrationMaintenance Cable Modem TuningCMTS上線

9、流程上線流程(cont.)CM Listens for CMTSdownstream transmission CM搜索一個(gè)下行數(shù)據(jù)頻道同步QAM同步FEC和MPEG TuningRangingconnectionconfigurationregistrationMaintenanceCMTS上線流程上線流程(cont.) CM在獲得上行信道的傳輸參數(shù)后,就可以與CMTS進(jìn)行通訊。CMTS會(huì)在MAP中給該CM分配一個(gè)初始維護(hù)的傳輸機(jī)會(huì),用于調(diào)整CM傳輸信號的電平、頻率等參數(shù),其中CM的輸出電平是根據(jù)分配給CM的帶寬,按每赫之功率為參數(shù),通過CMTS 對CM 的長線AGC 來控制的。另外,CMT

10、S 還會(huì)周期性地給各個(gè)CM 發(fā)周期維護(hù)報(bào)文,用于對CM進(jìn)行周期性的校準(zhǔn)。 監(jiān)視監(jiān)視SYNC消息消息CMI上線流程上線流程(cont.)TuningRangingconnectionconfigurationregistrationMaintenanceSYNCCMTS周期性地發(fā)出SYNC消息包含的時(shí)間信息,用以描述CMTS何時(shí)傳輸SYNCCM將同步其自身時(shí)間參考時(shí)鐘,以便它的上行傳輸落在正 確的時(shí)隙(mini-slots)中 獲得上行參數(shù)獲得上行參數(shù)CMI上線流程上線流程(cont.)TuningRangingconnectionconfigurationregistrationMainten

11、anceUCD監(jiān)視監(jiān)視UCD消息消息CMTS周期性發(fā)出UCD定義上行通道的特性 時(shí)隙的大小 上行通道ID 下行通道ID CMTS周期性地傳輸U(kuò)CD消息(上行信道描述符)給所有的CM，CM必須從其中的信道描述參數(shù)中確定它是否使用該上行信道 CM在獲得上行信道的傳輸參數(shù)后,就可以與CMTS進(jìn)行通訊。CMTS會(huì)在MAP中給該CM分配一個(gè)初始維護(hù)的傳輸信息,用于調(diào)整CM傳輸信號的電平、頻率等參數(shù)，然后它可以按照MAC操作和帶寬分配機(jī)制在上行信道中傳輸信息。CMI上線流程上線流程(cont.) RANGINGCMI上線流程上線流程(cont.)TuningRangingconnectionconfigu

12、rationregistrationMaintenance 調(diào)整cable網(wǎng)絡(luò)位置 電平 時(shí)偏 頻偏 CM使用Ranging請求(RNG-REQ) 假設(shè)SID=0 在某些情況下,如上下行鏈路衰減不對等,會(huì)出現(xiàn)CM在獲取上行參數(shù)后,始終無法將電平值調(diào)整到CMTS可接受范圍,導(dǎo)致CM始終處于測距狀態(tài) 606.050575: RNG-RSP CM=38:6b:bb:e0:6b:63 us=1 sid=0 x1001(4097) power=-8 freq=244 SNR=46dB stat=Continue 打印信息中始終充斥的測距為continue的打印,不能變更為success,說明CM調(diào)節(jié)電平

13、已達(dá)到其最高門限或者最低門限。CMI上線流程上線流程(cont.) IP連接連接CMI上線流程上線流程(cont.)TuningRangingconnectionconfigurationregistrationMaintenance 在modem成功測距之后,它必須要與VMTS進(jìn)行注冊網(wǎng)絡(luò)連接 DHCP被用來提供如下： IP地址 Lease time 網(wǎng)關(guān)地址 文件服務(wù)器和文件名字 時(shí)間服務(wù)器和時(shí)偏 DHCP總結(jié)總結(jié)CMI上線流程上線流程(cont.)TuningRangingconnectionconfigurationregistrationMaintenanceDHCP ServerO

14、fferResponseDiscoverRequestCMTSCMIP AddressGatewayTFTP ServerToD ServerConfig File name 配置配置CMI上線流程上線流程(cont.)TuningRangingconnectionconfigurationregistrationMaintenanceTFTP-REQTFTP-ACKTFTP-ACKTFTP-RSPTFTP-RSPLAN/WANTFTP Server在modem獲得IP之后,它必須要獲得一些基本的配置信息配置文件名字和位置服務(wù)器地址在DHCP的option 66指定啟動(dòng)文件名字在DHCP的op

15、tion 67中指定TFTP-REQ 注冊注冊CMI上線流程上線流程(cont.)TuningRangingconnectionconfigurationregistrationMaintenance僅當(dāng)modem完成與CMTS的注冊之后,才可能online 注冊注冊包含在所接收到的TFTP配置文件中的參數(shù) Downstream,frequency,Upstream channel ID Network access configuration settings Modem CapabilitiesCMI上線流程上線流程(cont.)HFCREG-REQCMTSCable Modem 注冊注冊

16、 CMTS 檢查CM的MAC地址和authentication簽名(DOCS1.1) 分配一個(gè)永久SIDCMI上線流程上線流程(cont.)HFCREG-RSPCMTSCable Modem 注冊注冊 為CM提供所需帶寬(Class of Service) 更改轉(zhuǎn)發(fā)表以便允許用戶數(shù)據(jù)的傳輸(如果Network Access打開的話） 發(fā)送REG-RSP給CM CM可以傳輸無加密的數(shù)據(jù)CMI上線流程上線流程(cont.)HFCREG-RSPCMTSCable Modem 配置CMTS DHCP策略,根據(jù)option60內(nèi)容對不同設(shè)備打不同VLAN TagDHCP授權(quán)管理體系支持測試授權(quán)管理體系支

17、持測試cable dhcp-tag cable-modem vlan 205cable-modem攜帶option60 docsis*,cable-modem發(fā)起的DHCP報(bào)文經(jīng)過CMTS,會(huì)被打上vlan205cable device-type cqstb CNTSTBC自定義設(shè)備類型cqstb,option60為CNTSTBC的機(jī)頂盒被識別為cqstb這種設(shè)備類型 CMTS默認(rèn)支持4種設(shè)備類型,cable-modem,host,stb,mta,除host外,其余三種設(shè)備類型都有默認(rèn)的option60字段,如果對應(yīng)的option60字段的設(shè)備發(fā)起DHCP報(bào)文,則會(huì)被識別為對應(yīng)的設(shè)備類型；當(dāng)然

18、,用戶也可以像上面的配置案例一樣,根據(jù)自身情況將這些設(shè)備類型定位為攜帶其他option60字串的設(shè)備。 host設(shè)備類型比較特殊,在沒有自定義設(shè)備類型的前提下,其余非默認(rèn)所能識別的option60會(huì)全部被識別為host設(shè)備類型,并且打上host所指定的vlan tag。DHCP授權(quán)管理體系支持測試授權(quán)管理體系支持測試(cont.)在CMTS上使能option82選項(xiàng),CM后接PC,使PC獲取正確地址,抓包查看PC發(fā)起的DHCP報(bào)文,應(yīng)該攜帶正確的option82及子選項(xiàng)Option82子選項(xiàng)定義：子選項(xiàng)定義：sub option1：（代理電路ID）默認(rèn)是DHCP客戶端所連接的交換機(jī)的接口信息（

19、VLan名加物理端口名）,也可以由用戶自己配置代理電路ID,option 82選項(xiàng)的子選項(xiàng)2（代理遠(yuǎn)程ID）是DHCP中繼設(shè)備本身的MAC地址。 sub option2：CM的MAC地址sub option3：根據(jù)底層VendorOID確定其值DHCP授權(quán)管理體系支持測試授權(quán)管理體系支持測試(cont.)CMTS接入端口負(fù)載均衡技術(shù)是一種端口流量優(yōu)化技術(shù)。在CMTS中,當(dāng)有多個(gè)channel同時(shí)使用時(shí),如果存在有的channel負(fù)荷超重(流量大),有的通道負(fù)荷輕(流量小),則會(huì)將通道負(fù)荷較重的CM轉(zhuǎn)移到負(fù)荷較輕的通道上,最終達(dá)到各個(gè)通道負(fù)荷均衡。BCMC主要通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡靜態(tài)負(fù)載均

20、衡和動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡。DHCP授權(quán)管理體系支持測試授權(quán)管理體系支持測試(cont.)CMTS通過配置的優(yōu)化策略,一方面靜態(tài)負(fù)載均衡向即將注冊的CM發(fā)送指令,指定它到一個(gè)負(fù)載流量相對較小的端口上線；另一方面,動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡基于對已經(jīng)注冊上線的CM發(fā)送指令,更改其通道參數(shù),實(shí)現(xiàn)CM通道切換,如果設(shè)置成非掉線策略,CM不需要經(jīng)過下線或者重新注冊,就能直接切換到另一個(gè)端口通道。CMTS負(fù)載均衡技術(shù)正是通過不斷的調(diào)整modem數(shù)據(jù)傳輸通道,平抑各個(gè)通道的流量,達(dá)到負(fù)載均衡,穩(wěn)定流量的目的。DHCP授權(quán)管理體系支持測試授權(quán)管理體系支持測試(cont.)CMTS通過配置的優(yōu)化策略,一方面靜態(tài)負(fù)載均衡向即將注冊的C

21、M發(fā)送指令,指定它到一個(gè)負(fù)載流量相對較小的端口上線；另一方面,動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡基于對已經(jīng)注冊上線的CM發(fā)送指令,更改其通道參數(shù),實(shí)現(xiàn)CM通道切換,如果設(shè)置成非掉線策略,CM不需要經(jīng)過下線或者重新注冊,就能直接切換到另一個(gè)端口通道。CMTS負(fù)載均衡技術(shù)正是通過不斷的調(diào)整modem數(shù)據(jù)傳輸通道,平抑各個(gè)通道的流量,達(dá)到負(fù)載均衡,穩(wěn)定流量的目的。DHCP授權(quán)管理體系支持測試授權(quán)管理體系支持測試(cont.) 1998年年3月公布月公布Docsis 1.0標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) 物理層中包括了調(diào)制格式、符號率、前向糾錯(cuò),突發(fā)保護(hù)等規(guī)定 在數(shù)據(jù)鏈路層中,數(shù)據(jù)鏈路層中包括了MAC幀結(jié)構(gòu),MAC管理報(bào)文結(jié)構(gòu)。同步,下行TDM

22、和上行TDMA機(jī)制,初始化過程,UCD,MAP報(bào)文,測距,信道編碼,信道識別,間隔使用碼IUC以及文件配置和IP連接等規(guī)定 Docsis的演進(jìn)的演進(jìn) 1999年年3月公布月公布docsis 1.1版本版本 為了有線運(yùn)營商提供寬帶服務(wù)而提出, 進(jìn)行了qos的改進(jìn),加入了classification和service-flow 2002年年1月通過了月通過了docsis 2.0版本版本 上行帶寬優(yōu)化:ATDMA,SCDMA,邏輯信道Logical channels實(shí)現(xiàn)了上行速率的增加。上行速率增加5.12 Msymbols/s一檔,調(diào)制方式增加了32 QAM和64 QAM兩檔,上行信號的信噪比要求降

23、低將大大改進(jìn)上行噪聲免疫能力,或者說一個(gè)光節(jié)點(diǎn)能容納更多的用戶 Docsis的演進(jìn)的演進(jìn) 2006年年6月通過了月通過了Docsis3.0 DOCSIS 3.0主要采用了“頻道捆綁”技術(shù)，大大提高了上行和下行速率和帶寬，例如四個(gè)頻道捆綁在一起，下行速率可達(dá)213Mb/s，上行速率可達(dá)160Mb/s，今后還可以提高。支持IPV6，同時(shí)支持IPTV，支持對multicast增加qos保障Docsis的演進(jìn)的演進(jìn) 2013年年10月通過了月通過了Docsis3.1 物理層LDPC OFDM（子載波寬度：25kHz或50kHz）最高至4096QAM的調(diào)制，速率可達(dá)到上1Gbps/下10Gbps，192MHz一個(gè)信道，有更多可用的物理頻譜：上行585/204MHz，下行108/258MHz1288/1788MHz。MAC也相應(yīng)改進(jìn)，同時(shí)可與D3.0設(shè)備兼容，還可集成到CCAP（converged cable access platform）平臺。另外，由于DOCSIS 3.1采用了先進(jìn)的Active Queue Management（主動(dòng)隊(duì)列管