接入網(wǎng)技術(shù)-第06章HFC接入技術(shù)

接入網(wǎng)技術(shù)_第06章HFC接入技術(shù)第一頁，共51頁。第6章：HFC接入技術(shù)引言CATV網(wǎng)絡(luò)HFC網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)電纜調(diào)解器(CableModem)電纜調(diào)解器的標(biāo)準(zhǔn)演變第二頁，共51頁。引言CATV網(wǎng)絡(luò)有線電視運營商最重要、最普及的入戶基礎(chǔ)設(shè)施最初只使用50—550MHz頻段提供單向廣播電視業(yè)務(wù)但使用新技術(shù)，可使用其他剩余頻段在CATV的基礎(chǔ)上進(jìn)行雙向HFC改造保留原有CATV有線電視業(yè)務(wù)并可提供交互式數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)Cablemodem

技術(shù)——一種典型的HFC接入技術(shù)第三頁，共51頁。第6章：HFC接入技術(shù)引言CATV網(wǎng)絡(luò)HFC網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)電纜調(diào)解器(CableModem)電纜調(diào)解器的標(biāo)準(zhǔn)演變第四頁，共51頁。CATV網(wǎng)絡(luò)CATV——傳統(tǒng)的有線電視網(wǎng)絡(luò)CATV的特點為特定的業(yè)務(wù)設(shè)計將廣播視頻業(yè)務(wù)傳送到家而優(yōu)化設(shè)計通信方式：單向（下行）、廣播式介質(zhì)：同軸電纜或以同軸電纜為基礎(chǔ)廣播業(yè)務(wù)使用頻段：50～550MHz復(fù)用技術(shù)：FDM模擬傳輸方式第五頁，共51頁。CATV網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)組成：頭端、干線網(wǎng)、配線網(wǎng)、下引線設(shè)備組成：頭端設(shè)備、放大器、分配器、分支器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：樹狀、魚骨狀結(jié)構(gòu)（分支結(jié)構(gòu)）視頻信號接收機

合路器

信號分配器分支器配線網(wǎng)頭端干線網(wǎng)單向放大器15km下引線主配線第六頁，共51頁。CATV網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)頭端信號的接收與處理中心接收來自各種信號源的電視信號（衛(wèi)星、本地）將接收到的各路信號調(diào)制到一個6（8）MHz頻道通過FDM合路器下傳到干線，最終送到千家萬戶干線（網(wǎng)）連接頭端和信號分配點之間的電纜與設(shè)備距離一般為15km信號分配器：將干線信號分成幾路，覆蓋更大范圍(將干線信號分配到樓群、單元)配線：連接信號分配點與分支器，中間有放大器分支器：用戶的接入點下引線（引入線）：用戶接入線纜放大器：對信號放大，使信號能達(dá)到更大的范圍第七頁，共51頁。CATV網(wǎng)絡(luò)的局限性業(yè)務(wù)單一：視頻單向通信：只能下行通信，不能雙向交互網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)脆弱：魚骨形結(jié)構(gòu)，只要一個地方或設(shè)備故障，可能導(dǎo)致中斷對眾多用戶的服務(wù)傳統(tǒng)的CATV已不能滿足現(xiàn)代業(yè)務(wù)（交互式、綜合業(yè)務(wù)）的要求，雙向改造勢在必行第八頁，共51頁。第6章：HFC接入技術(shù)引言CATV網(wǎng)絡(luò)HFC網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)電纜調(diào)解器(CableModem)電纜調(diào)解器的標(biāo)準(zhǔn)演變第九頁，共51頁。HFC網(wǎng)絡(luò)HFC：光纖同軸混合網(wǎng)絡(luò)HybridFiberCoax干線部分用光傳輸系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的同軸電纜用戶分配網(wǎng)仍保留同軸電纜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可提供業(yè)務(wù)保留傳統(tǒng)CATV單向電視廣播業(yè)務(wù)利用加寬的頻帶提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)便于在原有CATV網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進(jìn)行雙向改造網(wǎng)絡(luò)中的放大器等有源器件均需雙向改造第十頁，共51頁。雙向的HFC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)光纖到服務(wù)區(qū)結(jié)構(gòu)（FSA)每個服務(wù)區(qū)物理上為一個獨立的子網(wǎng)不同的服務(wù)區(qū)可采用相同的頻譜，彼此不干擾頭端電話網(wǎng)因特網(wǎng)

雙向放大器

視頻信號光纖同軸纜服務(wù)區(qū)

光纖干線網(wǎng)光節(jié)點500～2000用戶配線網(wǎng)下引線第十一頁，共51頁。HFC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)頭端信號的接收與處理中心接收來自各種信號源的電視信號（衛(wèi)星、本地）接入到PSTN、Internet光纖干線網(wǎng)頭端到服務(wù)區(qū)光節(jié)點之間的部分（光纖）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形配線網(wǎng)和下引線完全同CATV（放大器除外）配線網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹形第十二頁，共51頁。雙向HFC的優(yōu)勢取消主干上的放大器，提高信號質(zhì)量和可靠性在主干上采用光纖，提高了容量，為寬帶接入奠定了基礎(chǔ)為雙向交互式通信提供了網(wǎng)絡(luò)條件通過CableModem可實現(xiàn)全業(yè)務(wù)通信（數(shù)、話、圖）第十三頁，共51頁。HFC的頻譜劃分地區(qū)f1f2f3f4f5f6北美5MHz42MHz88MHz550MHz860MHz1000MHz歐洲5MHz65MHz110MHz550MHz862MHz1000MHz中國5MHz65MHz65MHz550MHz750MHz1000MHz日本5MHz48MHz88MHz550MHz860MHz1000MHz上行信道CATV業(yè)務(wù)數(shù)字下行ff1下行信道數(shù)字上行f2f3f4f5f6個人通信第十四頁，共51頁。HFC網(wǎng)絡(luò)特點及面臨的問題特點共享介質(zhì)、點到多點結(jié)構(gòu)上行信道多干擾環(huán)境面臨問題上行信道的分配問題（需要MAC協(xié)議）上行信道多干擾（各種噪聲）安全性問題可靠性問題（單點故障）供電問題（戶外設(shè)備供電）第十五頁，共51頁。第6章：HFC接入技術(shù)引言CATV網(wǎng)絡(luò)HFC網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)電纜調(diào)解器(CableModem)電纜調(diào)解器的標(biāo)準(zhǔn)演變第十六頁，共51頁。CableModem系統(tǒng)概述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理協(xié)議模型物理層MAC層第十七頁，共51頁。CableModem系統(tǒng)概述CableModem：電纜調(diào)制解調(diào)器（簡稱CM）基于雙向HFC的寬帶接入技術(shù)頻分復(fù)用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和傳統(tǒng)CATV業(yè)務(wù)共存CATV（典型頻段）：50—550MHzCM（典型頻段）：5—42MHz，550—750MHzCM上、下行雙向通信5—42MHz（上行）550—750MHz（下行）非對稱速率方式下行最高42Mbps上行最高10Mbps(QPSK最高1.5Mbps)兩種標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.14，基于ATM傳輸DOCSIC，基于IP傳輸?shù)谑隧?，?1頁。CableModem系統(tǒng)概述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理協(xié)議模型物理層MAC層第十九頁，共51頁。CableModem的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CMTS:CableModemTerminationSystem（頭端電纜調(diào)解器端接系統(tǒng)）CM:CableModem（電纜調(diào)解器）InternetRouterCMTSHFCCM以太網(wǎng)接口以太網(wǎng)接口第二十頁，共51頁。CableModem的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CM:電纜調(diào)解器連接用戶的PC與HFC網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)和用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制/解調(diào)，并傳輸實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與用戶數(shù)據(jù)的雙向交互CMTS:頭端設(shè)備連接數(shù)據(jù)網(wǎng)與HFC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）給CM分配帶寬并進(jìn)行管理第二十一頁，共51頁。CableModem系統(tǒng)概述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理協(xié)議模型物理層MAC層第二十二頁，共51頁。工作原理每個CM都有一個ID（48位，制造商）CM的接收器能調(diào)諧到所有m個下行信道的任何一個接收數(shù)據(jù)CM能在所有1～n個上行信道中的任何一個發(fā)送數(shù)據(jù)頭端n信道下行上行11上行m信道22CableModem＃1CableModem＃2CableModem＃n第二十三頁，共51頁。CableModem工作過程描述(1)加電初始化與頭端CMTS同步CM掃描所有下行信道，尋找有效控制信息（廣播信息）一般CM首選對上次使用過的頻道進(jìn)行搜索（內(nèi)存保存）獲取上行信道參數(shù)并請求注冊CM收到頭端發(fā)來的上行信道傳輸參數(shù)上行信道描述符(UCD)：包含目前可用的上行信道CM根據(jù)所選上行信道的帶寬分配MAP信息，在中指定的上行通路向頭端發(fā)送注冊請求消息注冊認(rèn)可，開始認(rèn)證、密鑰交換、測距、初始化第二十四頁，共51頁。CableModem工作過程描述(2)預(yù)約帶寬傳送數(shù)據(jù)CM向CMTS申請帶寬，由CMTS分配CM在分配的帶寬里上傳數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的交互只要不斷電，CM就一直處于在線狀態(tài)第二十五頁，共51頁。CableModem系統(tǒng)概述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理協(xié)議模型物理層MAC層第二十六頁，共51頁。CM協(xié)議參考模型模型包括:物理層和MAC層承載的高層數(shù)據(jù)主要為兩種ATM信元（802.14標(biāo)準(zhǔn)）LLCPDU（DOCSIC標(biāo)準(zhǔn)）CMTS

MACATMLLC其他接收PMD發(fā)送PMDCM

MACMAC層PHY層下行上行CMTSCMTC子層接收PMD發(fā)送PMDTC子層ATMLLC其他第二十七頁，共51頁。CableModem系統(tǒng)概述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理協(xié)議模型物理層MAC層第二十八頁，共51頁。CM物理層功能組成：PMD子層、TC子層PMD子層：物理介質(zhì)相關(guān)子層分為上行PMD（接收PMD)和下行PMD（發(fā)送PMD)提供物理接口、信號的調(diào)制/解調(diào)、比特流同步等TC子層：傳輸會聚子層（下行數(shù)字信道）目的：提高下行解調(diào)的魯棒性方便使用通用的接收硬件來同時接收視頻和數(shù)據(jù)為今后在下行PMD比特流上實現(xiàn)對視頻信號和數(shù)據(jù)的多路復(fù)用預(yù)留下擴展空間提供與MAC的接口，對MAC幀進(jìn)行分片與重組形成在信道上傳輸?shù)母袷絇DU的定界完成同步、測距和功率調(diào)整第二十九頁，共51頁。下行信道物理層下行信道物理層采用了ITU-TJ.83視頻信號的數(shù)字傳輸附件B(ITU-TJ.83B)TC子層由連續(xù)的MPEG分組構(gòu)成每個MPEG分組固定長度為188字節(jié)：4字節(jié)頭部+184字節(jié)載荷DOCSIS載荷部分可以是數(shù)據(jù)MAC（DOC）、視頻信息（Video），或是其它類型的數(shù)據(jù)第三十頁，共51頁。MPEG分組格式PID用來區(qū)分載荷的類型對于數(shù)據(jù)MAC其對應(yīng)的PID是0x1FFEMAC幀之間的空隙由填充字節(jié)(stuff_byte)來填滿，0xFF作為填充字節(jié)指針域（pointer_field）是否有效是由MPEG頭部的PUSI（payload_unit_start_indicator）比特來指示的當(dāng)PUSI為l，那么MPEG分組頭后的第一個字節(jié)為指針，它指示了CM在接收時必須跳過的字節(jié)數(shù)第三十一頁，共51頁。TC層支持PDU的定界MAC幀可以出現(xiàn)在MPEG分組的任意位置，它可以跨越多個MPEG分組，或是幾個MAC幀合并在一個MPEG分組當(dāng)中第三十二頁，共51頁。上行信道物理層通過FDMA將HFC網(wǎng)絡(luò)上行帶寬劃分成多個RF信道，CM在指定的某個上行RF信道傳輸TDMA技術(shù)將每個上行的RF信道進(jìn)一步劃分成若干時隙，共享某條RF信道的CM通過動態(tài)分配時隙實現(xiàn)突發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸上行幀結(jié)構(gòu)：由小時隙（minislot）構(gòu)成minislot是上行信道帶寬分配的基本單位PDUPDURequestPDU去頭端tminiSlotDataPDUPDUManagePDU第三十三頁，共51頁。上行信道物理層上行信道可承載三種PDU（不同的PDU在頭部由不同的類型表示）RequestPDU用于CM請求上行帶寬，含CMID，所需時隙數(shù)等DataPDU承載數(shù)據(jù)，可以是定長信元或變長幀ManagePDU用于測距、功率調(diào)整等RequestPDU去頭端DataPDUManagePDU占多個時隙占1個時隙占多個時隙CM第三十四頁，共51頁。物理層的調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)的選擇滿足抗干擾性能、提高信道利用率調(diào)制方式比較：QAM和QPSKQPSK的抗干擾性更好QAM的信道利用率高上下行的調(diào)制技術(shù)上行：16QAM、QPSK，抗干擾性能好下行：256QAM、64QAM，信道利用率高第三十五頁，共51頁。CableModem系統(tǒng)概述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理協(xié)議模型物理層MAC層第三十六頁，共51頁。MAC協(xié)議環(huán)境（上行信道）共享介質(zhì)同一服務(wù)區(qū)的用戶共享帶寬需要介質(zhì)訪問控制（MAC）技術(shù)無法實現(xiàn)載波偵聽（CSMA）收發(fā)信道完全分開很難實現(xiàn)分布式協(xié)調(diào)控制CMTS集中仲裁CMTS對多個CM進(jìn)行集中控制第三十七頁，共51頁。CM的MAC層功能CM接入的合法性認(rèn)證上行信道競爭的沖突分解CM帶寬的請求、分配與管理MAC層最核心技術(shù)第三十八頁，共51頁。MAC層的運行機制上行總帶寬由許多小時隙（minslot）表示CM向CMTS預(yù)約上行帶寬，實現(xiàn)無競爭傳送數(shù)據(jù)請求帶寬發(fā)生沖突時，進(jìn)行沖突分解IEEE802.14采用基于樹的分解算法和P堅持DOCSIS采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法第三十九頁，共51頁。MAC層：上行帶寬分配CM與CMTS交互實現(xiàn)CM向CMTS請求，由CMTS進(jìn)行分配與管理專門請求＋捎帶請求相結(jié)合CM有數(shù)據(jù)要發(fā)時CM先向頭端CMTS申請帶寬（小時隙數(shù)量）CMTS給CM指定上行發(fā)送小時隙CM在指定上行時隙內(nèi)發(fā)送CM在發(fā)送數(shù)據(jù)時有新數(shù)據(jù)要發(fā)時直接在發(fā)送數(shù)據(jù)時捎帶對新數(shù)據(jù)發(fā)送帶寬的請求第四十頁，共51頁。MAC層：帶寬分配過程待發(fā)數(shù)據(jù)的CM，從下行信道獲取頭端對上行帶寬分配(MAPPDU)的廣播信息,從中選取一個空閑的minislot，CM通過上行信道在選取的minslot內(nèi)發(fā)送一個request如果請求沖突，則按某種算法進(jìn)行沖突分解，并再次請求請求成功，會收到正確的ACK，對CM的發(fā)送時刻及允許發(fā)送的minislot個數(shù)（可能與申請的個數(shù)相同，也可不同）CM根據(jù)分配信息，在指定的上行時隙內(nèi)發(fā)送dataPDU（發(fā)送數(shù)據(jù)時是不會產(chǎn)生沖突的）第四十一頁，共51頁。MAC層帶寬分配狀態(tài)圖Contendminislottosendrequest，waitACKReadyCollisionresolution

WaitforgrantDataPDUtransmissionwithpiggybackTrafficarrivalCollisionWaituntilgiventimeSuccessTrafficarrivalIdle第四十二頁，共51頁。MAC層帶寬分配時序圖t0第四十三頁，共51頁。第6章：HFC接入技術(shù)引言CATV網(wǎng)絡(luò)HFC網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)電纜調(diào)解器(CableModem)電纜調(diào)解器的標(biāo)準(zhǔn)演變第四十四頁，共51頁。CM的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)IEEE802.141994年5月成立，2000年3月停止活動制定了標(biāo)準(zhǔn)草案：IEEE802.14a物理層采用ITU-TJ.83建議MAC層基于ATM信元，協(xié)議機制相當(dāng)精致第四十五頁，共51頁。DOCSIS的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)DOCSIS1.0是由有線電視實驗室（CableTelevisionLaboratories，CableLabs）于1998年年初發(fā)布1998年3月，DOCSIS1.0被ITU接受為國際標(biāo)準(zhǔn)1999年CableLabs發(fā)布了DOCSIS1.1版本，為1.0版本的擴展2001年12月CableLabs發(fā)表了DOCSIS2.0在1999～2002年期間，為適應(yīng)雙向HFC網(wǎng)絡(luò)多功能業(yè)務(wù)開發(fā)的需求，在DOCSIS1.1標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，CableLabs先后發(fā)表了開放電纜（OpenCable）、數(shù)據(jù)包電纜（PacketCable）、電纜家庭（CableHome）等三個業(yè)務(wù)應(yīng)用層面上的技術(shù)規(guī)范OpenCable經(jīng)多次修改后發(fā)表于2001年4月～2002年2月，它描述了在DOCSIS1.1系統(tǒng)上接入多業(yè)務(wù)商用的用戶駐地設(shè)備（CPE）的網(wǎng)絡(luò)接口特性和規(guī)范，即在雙向HFC網(wǎng)上建立開放式的業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺（OpenCable1.0/2.0），以適應(yīng)視、音頻、數(shù)據(jù)及緊急發(fā)布系統(tǒng)（EAS）等多種業(yè)務(wù)開發(fā)的需求。PacketCable經(jīng)多次修改后發(fā)表于2001年12月～2002年1月，它描述了在DOCSIS1.1系統(tǒng)上建立VoIP（PacketvoiceoverIPovercable）和視頻會議（Packetvideoovercable）等通信業(yè)務(wù)的接口規(guī)范，即在雙向光纖電纜混合（HFC）網(wǎng)上建立實時多媒體業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺，以適應(yīng)IP電話、視頻會議、交互式游戲等多種業(yè)務(wù)開發(fā)的需求。CableHome經(jīng)多次修改后發(fā)表于2002