HFC雙向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 趙天元 廣東有線廣播電視網(wǎng)絡(luò)股份有限公司 工程運維部 /webmoney 2 HFC雙向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一節(jié) 概述 /webmoney 3 組網(wǎng)基本設(shè)備 CMTS Cable Modem終端系統(tǒng) DHCP服務(wù)器 動態(tài)主機配置協(xié)議服務(wù)器 TFTP服務(wù)器 普通文件傳輸協(xié)議服務(wù)器 TOD服務(wù)器 時間服務(wù)器 Cable Modem 電纜調(diào)制解調(diào)器 /webmoney 4 HFC雙向數(shù)據(jù)接入網(wǎng)系統(tǒng)拓撲 Headend COAX Hub Hub Hub Internet CMTS 下行 88 - 880MHz 上行 5 - 42 MHz 100 Channels CNN HBO ESPN AMX Tap Settop TV Cable Modem PC /webmoney 5 各種網(wǎng)絡(luò)接入方式的比較 服務(wù)提供商 用戶 POTS ISP1 ISP2 Wireless SONET/ATM Backbone Comp A Comp B SwitchISDN 接入服務(wù) : Internet接入 專線 電話 Cable Head-End D/C D/CCable ADSL LAN D/C新型數(shù)據(jù)接入服務(wù) Optical /webmoney 6 HFC雙向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第二節(jié) 有線電視及射頻技術(shù)基礎(chǔ)知識 /webmoney 7 有線電視及射頻技術(shù)基礎(chǔ)知識 基本術(shù)語 /webmoney 8 術(shù)語 Carrier-to-Noise - C/N (also CNR): 載噪比 ,信號載波與噪聲的振幅的差值 Signal-to-Noise - S/N (also SNR): 信噪比 ,與 C/N(載噪比 )相似 ,是基帶信號與噪聲的振幅的差值 Ingress Noise 侵入噪聲 ,無線電廣播信號進入同軸電纜分配網(wǎng)造成干擾 QPSK -四相相移鍵控 . 一種數(shù)字調(diào)制方式 ,用 2位二進制表示 1個符號 ,頻帶利用率： 2bits/s/Hz. QAM -正交幅度調(diào)制 . 數(shù)字調(diào)制方式 ,通過載波相位、振幅的狀態(tài)表示不同的信號 . 典型的 QAM調(diào)制有 16-QAM(4 bits per symbol), 64-QAM(6 bits per symbol), and 256-QAM(8 bits per symbol) Downstream(DS) 下行 /正向 ,信號從前端到用戶端 Upstream(US) 上行 /反向 ,信號從用戶端到前端 /webmoney 9 術(shù)語 Carrier - or RF carrier. 載波 .由低頻信號調(diào)制而成 ,令低頻信號可以作長距離傳輸 FDM 頻分復(fù)用 .將傳輸信道在頻率域上進行分割，形成若干相互獨立的子信道，每一子信道單獨傳輸一路數(shù)據(jù)信號 . Headend 頭端 ,所有信號經(jīng)調(diào)制向下傳輸 ,接收回傳信號 Broadband 寬帶 ,通過頻分復(fù)用技術(shù)使許多不同的信號同時在寬闊的射頻頻帶內(nèi)傳輸 ,從而獲得較高速的數(shù)據(jù)傳輸能力 . FEC 前向糾錯 . 在數(shù)據(jù)傳輸過程中 ,有意地加入部分碼字 ,令接收方檢查在傳輸過程中是否產(chǎn)生誤碼 ,甚至能糾正部分的誤碼 . /webmoney 10 設(shè)備和符號 頭端 光纖 衛(wèi)星天線 VHF/UHF 天線 射頻放大器 雙向放大器 分配器 分支器 光發(fā)射機 光節(jié)點 /webmoney 11 有線電視及射頻技術(shù)基礎(chǔ)知識 有線電視系統(tǒng)組成及拓撲 /webmoney 12 射頻頻譜 射頻 (RF) 5-1000MHz 下行 (正向 )(DS) 從頭端到用戶 48.5-750 (860) MHz 上行 (反向 )(US) 從用戶到頭端 5-42 (30) MHz 注意 : 非北美系統(tǒng)會有不同的頻率劃分 , 例如有 65 MHz, 88 Mhz 105 Mhz 等 . 模擬及數(shù)字廣播業(yè)務(wù) 數(shù)字業(yè)務(wù) 個人通信 上行通道 5 42 48.5 550 750 1000 f(MHz) /webmoney 13 上變頻器及光節(jié)點 Frequency Synthesizer ATT 中頻（ IF） 射頻（ RF） 上變頻器 光節(jié)點 光 電 雙工濾波器 /webmoney 14 上下行接入 uBR-MC16s 64 QAM 27 Mbs 6 MHz BW 44 MHz IF QPSK 3.2 Mbs 1.6 MHz TX 1 RX 1 RX 2 RX 3 RX 4 RX 5 RX 6 上變頻器 RF 50-750 MHz 分光器 750 750 750 uBR-MC16s CMTS板卡支持 1個下行 6個上行通道 (1000終端設(shè)備同時在線 ) # 1 # 2 # 6 節(jié)點 # 1 (32 dB CNR) 節(jié)點 # 2 (32 dB CNR) 節(jié)點 # 4 (35 dB CNR) 混合 2個節(jié)點 節(jié)點 # 3 (34 dB CNR) Frequency F 1 節(jié)點 # 5 (35 dB CNR) 混合 2個通道 /webmoney 15 HFC (光纖同軸混合網(wǎng) ) 拓撲 節(jié)點 N 同軸電纜網(wǎng)絡(luò) 電視信號通過光纖傳輸至光節(jié)點，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，變成電信號由同軸電纜傳至用戶家 雙向放大器支持雙向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 頭端 同軸電纜 光纖 HFC 有線電視網(wǎng)絡(luò) 一般少于 5級放大器級連 /webmoney 16 HFC (光纖同軸混合網(wǎng) ) 拓撲 可靠性 有線電視網(wǎng)絡(luò) 80 Channels CNN HBO ESPN 環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu) 模擬光纖環(huán)網(wǎng)傳輸電視信號 建設(shè)分前端提高可靠性 數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)提供可靠的增值業(yè)務(wù)服務(wù) 頭端 Hub Hub Hub /webmoney 17 HFC (光纖同軸混合網(wǎng) ) 拓撲 80 Channels CNN HBO ESPN 更好的服務(wù)區(qū) : 通過分前端傳至光節(jié)點 光節(jié)點覆蓋 500用戶 盡量少的放大器 有線電視網(wǎng)絡(luò) COAX Drop Settop TV 可靠性 , 高帶寬 Hub /webmoney 18 HFC雙向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第三節(jié) DOCSIS標準 /webmoney 19 DOCSIS2.0最初的版本早在 2001年 12就發(fā)布，在當時 DOCSIS2.0的開發(fā)仍很困難。但在 2002年的第二季度， CableLabs開始了 DOCSIS2.0互用性的測試，并在第三季度開始了 DOCSIS2.0的認證。從過去的歷史看每一個 DOCSIS新規(guī)范的發(fā)布到實際的應(yīng)用以及生產(chǎn)通過認證的設(shè)備需要兩到兩年半的時間，因此直到 2003年才有設(shè)備廠商大量生產(chǎn)具有 DOCSIS2.0全部功能的設(shè)備。而且在此后的幾年內(nèi)仍有廠商生產(chǎn)只有部分 DOCSIS2.0功能的設(shè)備，例如 CISCO只生產(chǎn) ATDMA的設(shè)備。 DOCSIS發(fā)展歷史 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 時間 DOCSIS 1.0規(guī)范 DOCSIS 1.0認證 DOCSIS 1.1規(guī)范 DOCSIS 1.1認證 DOCSIS 2.0規(guī)范 DOCSIS 2.0 認證 /webmoney 20 DOCSIS發(fā)展歷史 基本的電纜傳輸數(shù)據(jù)標準 不具有保證服務(wù)質(zhì)量的能力 “基線保密” DOCSIS 1.0 DOCSIS 2.0 DOCSIS 1.1 DOCSIS 1.0的全部能力 加 提高了針對分層數(shù)據(jù)的服務(wù)質(zhì)量 包分割和包連接 用來提高安全性的“基線保密增強” DOCSIS 1.1的全部能力 加 上行帶寬增加 新的上行噪聲抑制 專有的“下一代”特點，例如： 極大改進了上行解碼 上行入口噪聲抑制 帶有更高 QAM調(diào)制級別的上行和下行數(shù)據(jù) /webmoney 21 DOCSIS 2.0優(yōu)點 DOCSIS 2.0實現(xiàn)了對稱服務(wù)。 效率為 DOCSIS 1.X的 1.5倍 運行于 64QAM（而不是 16QAM） 信道寬度是 DOCSIS 1.X信道寬度的兩倍 新的 6.4 MHz 寬信道 （而不是 3.2 MHz 寬信道） DOCSIS 2.0 拓寬了用于 IP通訊的上行管道，從而使電纜供應(yīng)商能夠在語音、視頻和數(shù)據(jù)方面開發(fā)出更多更好的服務(wù)。 DOCSIS 2.0 是通過使用增強的調(diào)制和改進的糾錯來實現(xiàn)這一目標的。 卓越的入口和脈沖噪聲性能。 /webmoney 22 DOCSIS標準 DOCSIS網(wǎng)絡(luò)標準 /webmoney 23 DOCSIS網(wǎng)絡(luò)標準 可靠性標準 DOCSIS標準規(guī)定傳輸速率不小于 100數(shù)據(jù)包 S（ 1500字節(jié) 包）可靠性必須大于 99%. 傳輸標準 DOCSIS規(guī)定的傳輸標準參數(shù)： 測量方法由 NCTA或 CableLabs 2制定 /webmoney 24 DOCSIS網(wǎng)絡(luò)標準 下行 假定模擬電視信號均調(diào)制在 6MHz帶寬內(nèi)，調(diào)制頻率高于 88MHz. 射頻帶寬 6 MHz 傳輸延時 , CMTS 至最遠的用戶 = .800 msec CNR （ 6 MHz 帶寬，參考圖象載波 ) 不少于 35 dB （ *） CTB 不低于 - 50 dBc （調(diào)制帶寬內(nèi)） CSO 不低于 - 50 dBc （調(diào)制帶寬內(nèi)） /webmoney 25 DOCSIS網(wǎng)絡(luò)標準 下行 交調(diào)電平 不大于 - 40 dBc （調(diào)制帶寬內(nèi)） 振幅波動 0.5 dB （調(diào)制帶寬內(nèi)） 組延時 75 ns （調(diào)制帶寬內(nèi)） 微反射 -10 dBc = 0.5 micro sec -15 dBc = 1.0 micro sec -20 dBc = 1.5 micro sec -30 dBc = 1.5 micro sec /webmoney 26 DOCSIS網(wǎng)絡(luò)標準 下行 哼聲調(diào)制 不大于 - 26 dBc (5%) 突發(fā)噪聲 帶寬 10 Hz，平均持續(xù)時間不大于 25 msec 信號電平季（日）變化 8 dB 信號電平斜率 (50 - 750 MHz) 16 dB 在 CM輸入端最大模擬電視信號載波電平 17 dBmV （包括以上的信號電平變化） 在 CM輸入端最小模擬電視信號載波電平 - 5 dBmV （包括以上的信號電平變化） 所有性能及參數(shù)均在 DOCSIS文檔詳細定義 /webmoney 27 DOCSIS網(wǎng)絡(luò)標準 上行 適用于目前所有地區(qū) . 頻率范圍 5 to 42 MHz （邊界到邊界） 傳輸延時 , 最遠的 CM到最近的 CM或 = .800 msec CNR 不少于 25 dB 載波與侵入噪聲比 (所有離散及寬頻侵入信號 ) 不少于 25 dB 載波與干擾噪聲比 (所有噪聲、失真、共路失真及交調(diào) ) 不少于 25 dB /webmoney 28 DOCSIS網(wǎng)絡(luò)標準 上行 哼聲調(diào)制 不大于 - 23 dBc (7 %) 突發(fā)噪聲 帶寬 1 KHz ,平均持續(xù)時間不大于 10 msec 振幅波動 0.5 dB / MHz ( 5 - 42 MHz) 組延時 200 ns / MHz ( 5 - 42 MHz) 微反射 -10 dBc = 0.5 micro sec -20 dBc = 1.0 micro sec -20 dBc = 1.0 micro sec 信號電平季（日）變化 不大于 8 dB 所有性能及參數(shù)均在 DOCSIS文檔詳細定義 /webmoney 29 DOCSIS標準 DOCSIS設(shè)備標準 /webmoney 30 DOCSIS設(shè)備標準 頻率范圍 上行 : 5 to 42 MHz 下行 : 88 to 860 MHz (用戶自定 ) 帶寬 上行 : 200, 400, 800, 1600, 3200 KHz（ DOCSIS1.x） 6400KHz（ DOCSIS2.0） 下行 : 6 MHz 調(diào)制方式 上行 : QPSK, or 16 QAM（ DOCSIS1.x） 8 QAM, 32 QAM, 64 QAM（ DOCSIS2.0） 下行 : 64 or 256 QAM 符號率 上行 : 160, 320, 640, 1280, 2560 Ksym/sec （ DOCSIS1.x） 5120 Ksym/sec （ DOCSIS2.0） 下行 : 5.056941 or 5.360537 Msym/sec /webmoney 31 DOCSIS設(shè)備標準 CMTS 功率范圍 上行 : 200 KHz -16 to + 14 dBmV 400 KHz -13 to + 17 dBmV 800 KHz -10 to + 20 dBmV 1600 KHz -7 to + 23 dBmV 3200 KHz -4 to + 26 dBmV 下行 : +50 to + 61 dBmV Cable Modem 功率范圍 (1 dB 步進 ) 輸出 : QPSK +8 to +58 dBmV 16 QAM +8 to +55 dBmV 輸入 : 64 QAM -15 to + 15 dBmV 傳輸電平 - 6 to - 10 dBc 數(shù)據(jù)信號必須低于電視圖象載波 6到 10 dB /webmoney 32 DOCSIS數(shù)據(jù)速率 信道帶寬 (kHz) 符號速率 R (ksymbols/sec) QPSK的比特率 (kbps) 8QAM 的比特率 (kbps) 16QAM的比特率 (kbps) 32QAM 的比特率(kbps) 64QAM的比特率 (kbps) 200 160 320 480 640 800 960 400 320 640 960 1,280 1,600 1,920 800 640 1,280 1,920 2,560 3,200 3,840 1,600 1,280 2,560 3,840 5,120 6,400 7,680 3,200 2,560 5,120 7,680 10,240 12,800 15,360 6,400 5,120 10,240 15,360 20,480 25,600 30,720 /webmoney 33 多路復(fù)用技術(shù) 多路復(fù)用 : TDM (時分復(fù)用 ) TDMA (時分復(fù)接 ) FDM (頻分復(fù)用 ) ATDMA (高級時分多址 ) SCDMA (同步碼分多址 ) /webmoney 34 多路復(fù)用技術(shù) 多路復(fù)用 : TDM (時分復(fù)用 ) 多個用戶共享同一信道內(nèi)的時隙傳輸數(shù)據(jù) . (用于 DOCSIS下行 ) TDMA (時分多址接入 ) (用于 DOCSIS上行 ) tn t2 FDM (頻分復(fù)用 ) 信號同時在不同的頻率上傳輸 One Source 復(fù)用器 t0 t1 /webmoney 35 多路復(fù)用技術(shù) TDM 在同一介質(zhì)上共享時間 幀中繼使用 TDM FDM 在同一介質(zhì)上共享頻率 圖象在電纜上傳輸使用 FDM Time Frequency 低速碼流 1 FDM 信號 Time Time TDM 信號 Frequency 信號 1 Frequency 低速碼流 2 信號 2 高速碼流 調(diào)制信號 /webmoney 36 數(shù)字調(diào)制 16-QAM 上行 : 下行 : QPSK； 16 QAM 64 QAM； 256 QAM QPSK I I Q Q /webmoney 37 星座圖分析 無劣化 特征 極少或感覺不到的劣化 正方形的顯示 中心點均落在分界線上 附近的點互相緊密靠在中心點 /webmoney 38 傳輸質(zhì)量 BER 在全部傳輸?shù)拇a流中誤碼的比率 10-7 BER 是可以接受的 主要是因為低 CNR引起誤碼 閾值 BER QPSK QAM-256 QAM-64 誤比特率 C/N dB 10 10 20 30 40 0 QAM-16 10 10 10 0 -5 -10 -20 10 -7 /webmoney 39 下行信號載波 數(shù)據(jù)下行頻道 717.00 MHz 圖象載波 733.25 MHz CM 輸入電平范圍 -15 to +15 dBmV. 可接受的 CNR 64 QAM = 30 dB 256 QAM = 35 dB CNR 標準 35 dB 調(diào)整 QAM 信號低于圖象載波峰值 6-10 dB /webmoney 40 上行信號載波 峰值保持 單次掃描 上行頻道 20.00 MHz 窄帶噪聲 CMTS 接收電平范圍 -16 to + 26 dBmV 可接受的 CNR QPSK = 15 dB 16 QAM = 25 dB CNR 標準 25 dB /webmoney 41 DOCSIS 2.0 ATDMA 高級時分多址 與 TDMA類似，但 允許使用某些新的上行符號速率和 額外新增了上行 QAM 調(diào)制類型和 改進前向糾錯 上行交織存儲 更多前導(dǎo)碼等 所有的這些改變都有助于實現(xiàn)上行帶寬的增加和上行噪聲免疫能力的提高 /webmoney 42 DOCSIS數(shù)據(jù)速率 信道帶寬 (kHz) 符號速率 R (ksymbols/sec) QPSK的比特率 (kbps) 8QAM 的比特率 (kbps) 16QAM的比特率 (kbps) 32QAM 的比特率(kbps) 64QAM的比特率 (kbps) 200 160 320 480 640 800 960 400 320 640 960 1,280 1,600 1,920 800 640 1,280 1,920 2,560 3,200 3,840 1,600 1,280 2,560 3,840 5,120 6,400 7,680 3,200 2,560 5,120 7,680 10,240 12,800 15,360 6,400 5,120 10,240 15,360 20,480 25,600 30,720 /webmoney 43 前向糾錯 FEC (前向糾錯 ) 能夠識別及糾正有限數(shù)量的傳輸錯誤的方法 在發(fā)送端發(fā)送具有一定糾錯能力的碼，在接收端譯碼后能發(fā)現(xiàn)錯碼并能自動糾正 FEC消耗帶寬，并增加電路的復(fù)雜性及傳輸延時 DOCSIS 2.0規(guī)定 FEC 算法 Reed-Solomon前向糾錯 (RS-FEC)，最高可糾正 16字節(jié)（而不是 10字節(jié)） 在每個代碼字中糾正更多錯誤字節(jié)可以允許以更低的 SNR運行 （以犧牲 傳輸效率 為代價，因為需要更多的校驗開銷） FEC 能提高傳輸對 BER的容忍度 /webmoney 44 更長的前導(dǎo)碼 更長的前導(dǎo)碼， 1536 比特（而不是 1024 比特 ） 更長的前導(dǎo)碼可以允許在更高的符號速率上恢復(fù)相位信息，甚至是在更低的SNR的情況下。 前導(dǎo)碼改成了 QPSK1調(diào)制方式，能夠提供更高的功率，從而允許更短的前導(dǎo)碼和更好的噪聲性能 /webmoney 45 DOCSIS 2.0 SCDMA 同步碼分多址 包括 A-TDMA所有的特性，還加上 CDMA擴頻 同步操作 格子編碼調(diào)制 (TCM, Trellis Coded Modulation) 上行 128QAM調(diào)制，加上 TCM處理 /webmoney 46 SCDMA在 調(diào)制解調(diào)器上的處理步驟 將數(shù)據(jù)劃分成代碼字 對數(shù)據(jù)進行 Reed-Solomon FEC編碼 對符號進行擴頻 通過 LF