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1/4/20231第6章：HFC接入技術(shù)引言12/26/20221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)1/4/20232引言CATV網(wǎng)絡(luò)12/26/20222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1/4/20233第6章：HFC接入技術(shù)引言12/26/20223CATV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1/4/20234CATV網(wǎng)絡(luò)CATV——傳統(tǒng)的有線電視網(wǎng)絡(luò)12/26/202同軸電纜物理結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)體：單根或多股銅線或敷銅箔膜的鋁導(dǎo)體傳輸信號絕緣層：聚氯乙?。≒VC）塑料或特富龍塑料防止內(nèi)、外導(dǎo)體接觸導(dǎo)致電纜短路外導(dǎo)體：網(wǎng)狀鋁層或銅屏蔽層接地，并為內(nèi)導(dǎo)體信號傳輸提供電磁干擾屏蔽功能保護(hù)套：塑料保護(hù)電纜內(nèi)、外導(dǎo)體和絕緣層的電參數(shù)與機(jī)械尺寸決定了同軸電纜的特性參數(shù)1/4/20235同軸電纜物理結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)體：單根或多股銅線或敷銅箔膜的鋁導(dǎo)體12同軸電纜實物圖保護(hù)套外導(dǎo)體（網(wǎng)狀物）內(nèi)導(dǎo)體（銅芯）絕緣層BNC接頭1/4/20236同軸電纜實物圖保護(hù)套外導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)體絕緣層BNC接頭12/26/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(jī)

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1/4/20237CATV網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)組成：頭端、干線網(wǎng)、配線網(wǎng)、下引線視頻信號合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1/4/20238CATV網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)頭端12/26/20228CATV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1/4/20239CATV網(wǎng)絡(luò)的局限性業(yè)務(wù)單一：視頻12/26/20229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1/4/202310第6章：HFC接入技術(shù)引言12/26/202210HFC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1/4/202311HFC網(wǎng)絡(luò)HFC：光纖同軸混合網(wǎng)絡(luò)12/26/202211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1/4/202312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)頭端電話網(wǎng)因特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1/4/202313HFC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)頭端12/26/202213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）1/4/202314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12HFC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1/4/202315HFC的頻譜劃分地區(qū)f1f2f3f4f5f6北美5MHz42HFC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）1/4/202316HFC網(wǎng)絡(luò)特點及面臨的問題特點12/26/202216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1/4/202317第6章：HFC接入技術(shù)引言12/26/202217CableModem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1/4/202318CableModem系統(tǒng)概述12/26/202218CableModem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1/4/202319CableModem系統(tǒng)概述CableModem：電纜調(diào)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1/4/202320CableModem系統(tǒng)概述12/26/202220CableModem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1/4/202321CableModem的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CMTS:CableMoCableModem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1/4/202322CableModem的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CM:電纜調(diào)解器12/26CableModem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1/4/202323CableModem系統(tǒng)概述12/26/202223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＃n1/4/202324工作原理每個CM都有一個ID（48位，制造商）頭端n信道下行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1/4/202325CableModem工作過程描述(1)加電初始化12/26CableModem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)1/4/202326CableModem工作過程描述(2)預(yù)約帶寬傳送數(shù)據(jù)12CableModem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1/4/202327CableModem系統(tǒng)概述12/26/202227CM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1/4/202328CM協(xié)議參考模型模型包括:物理層和MAC層CMTSMACableModem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1/4/202329CableModem系統(tǒng)概述12/26/202229CM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(kuò)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1/4/202330CM物理層功能組成：PMD子層、TC子層12/26/2022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)1/4/202331下行信道物理層下行信道物理層采用了ITU-TJ.83視頻信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)1/4/202332MPEG分組格式PID用來區(qū)分載荷的類型12/26/202TC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1/4/202333TC層支持PDU的定界MAC幀可以出現(xiàn)在MPEG分組的任意位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tminiSlotDataPDUPDUManagePDU1/4/202334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CM1/4/202335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1/4/202336物理層的調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)的選擇12/26/202236CableModem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1/4/202337CableModem系統(tǒng)概述12/26/202237MAC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1/4/202338MAC協(xié)議環(huán)境（上行信道）共享介質(zhì)12/26/202238CM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)1/4/202339CM的MAC層功能CM接入的合法性認(rèn)證12/26/20223MAC層的運行機(jī)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1/4/202340MAC層的運行機(jī)制上行總帶寬由許多小時隙（minslot）表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1/4/202341MAC層：上行帶寬分配CM與CMTS交互實現(xiàn)12/26/20MAC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）1/4/202342MAC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MAC層帶寬分配狀態(tài)圖Contendminislottosendrequest，waitACKReadyCollisionresolution

WaitforgrantDataPDUtransmissionwithpiggybackTrafficarrivalCollisionWaituntilgiventimeSuccessTrafficarrivalIdle1/4/202343MAC層帶寬分配狀態(tài)圖ContendminislottoMAC層帶寬分配時序圖t01/4/202344MAC層帶寬分配時序圖t012/26/202244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1/4/202345第6章：HFC接入技術(shù)引言12/26/202245CM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(jī)制相當(dāng)精致1/4/202346CM的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)IEEE802.1412/26/202246DOCSIS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(kuò)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的4月，它描述了通過DOCSIS1.1系統(tǒng)上的CM在雙向HFC網(wǎng)上管理家庭網(wǎng)絡(luò)的接口規(guī)范，即充分利用HFC網(wǎng)絡(luò)的寬帶特性、通過住宅網(wǎng)關(guān)使網(wǎng)絡(luò)運營商能為客戶提供更多的服務(wù)2006年8月4日發(fā)表了DOCSIS3.01/4/202347DOCSIS的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)DOCSIS1.012/26/202CM的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)DOCSISMCNSMultimediaCableNetworkSystem1995年11月，由4個主要HFC運營商發(fā)起成立DOCSIS1.01998年3月發(fā)布，ITU接受為：ITUJ.112版本：DOCSIS1.1、DOCSIS2.0物理層：ITU-TJ.83AnnexB承載的高層數(shù)據(jù)：LLCPDU1/4/202348CM的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)DOCSIS12/26/202248CM的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)802.14與DOCSIS之爭802.14工作組已于2000年停止工作標(biāo)準(zhǔn)已從現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)中拆下DOCSIS占了上風(fēng)，但技術(shù)本身發(fā)展相對不快DOCSIS2.0：2002/01發(fā)布，ITU已接受上行速率：30Mb/s調(diào)制方式：FA-TDMA、SCDMA1/4/202349CM的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)802.14與DOCSIS之爭12/26/20HFC走向數(shù)字化今天絕大多數(shù)有線電視信號采用模擬RF傳輸數(shù)字傳輸是發(fā)展方向要在HFC上實現(xiàn)數(shù)字傳輸，模擬雙向放大器必須改成數(shù)字中繼器數(shù)字化的有線電視，不需要CM全部采用數(shù)字傳輸之日，也就是CM退出市場之日1/4/202350HFC走向數(shù)字化今天絕大多數(shù)有線電視信號采用模擬RF傳輸12參考資料綜合寬帶接入技術(shù)陶智勇等編著，北郵版2002年寬帶接入技術(shù)AlbertAzzam，NielRansom著，電子版2001年寬帶有線電視接入網(wǎng)：從技術(shù)到應(yīng)用ShlomoOvadia著，韓煜國等譯，人郵版2002年1/4/202351參考資料綜合寬帶接入技術(shù)12/26/202251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1/4/202352第6章：HFC接入技術(shù)引言12/26/20221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)1/4/202353引言CATV網(wǎng)絡(luò)12/26/20222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1/4/202354第6章：HFC接入技術(shù)引言12/26/20223CATV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1/4/202355CATV網(wǎng)絡(luò)CATV——傳統(tǒng)的有線電視網(wǎng)絡(luò)12/26/202同軸電纜物理結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)體：單根或多股銅線或敷銅箔膜的鋁導(dǎo)體傳輸信號絕緣層：聚氯乙?。≒VC）塑料或特富龍塑料防止內(nèi)、外導(dǎo)體接觸導(dǎo)致電纜短路外導(dǎo)體：網(wǎng)狀鋁層或銅屏蔽層接地，并為內(nèi)導(dǎo)體信號傳輸提供電磁干擾屏蔽功能保護(hù)套：塑料保護(hù)電纜內(nèi)、外導(dǎo)體和絕緣層的電參數(shù)與機(jī)械尺寸決定了同軸電纜的特性參數(shù)1/4/202356同軸電纜物理結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)體：單根或多股銅線或敷銅箔膜的鋁導(dǎo)體12同軸電纜實物圖保護(hù)套外導(dǎo)體（網(wǎng)狀物）內(nèi)導(dǎo)體（銅芯）絕緣層BNC接頭1/4/202357同軸電纜實物圖保護(hù)套外導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)體絕緣層BNC接頭12/26/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(jī)

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1/4/202358CATV網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)組成：頭端、干線網(wǎng)、配線網(wǎng)、下引線視頻信號合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1/4/202359CATV網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)頭端12/26/20228CATV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1/4/202360CATV網(wǎng)絡(luò)的局限性業(yè)務(wù)單一：視頻12/26/20229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1/4/202361第6章：HFC接入技術(shù)引言12/26/202210HFC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1/4/202362HFC網(wǎng)絡(luò)HFC：光纖同軸混合網(wǎng)絡(luò)12/26/202211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1/4/202363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)頭端電話網(wǎng)因特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1/4/202364HFC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)頭端12/26/202213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）1/4/202365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12HFC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1/4/202366HFC的頻譜劃分地區(qū)f1f2f3f4f5f6北美5MHz42HFC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）1/4/202367HFC網(wǎng)絡(luò)特點及面臨的問題特點12/26/202216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1/4/202368第6章：HFC接入技術(shù)引言12/26/202217CableModem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1/4/202369CableModem系統(tǒng)概述12/26/202218CableModem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1/4/202370CableModem系統(tǒng)概述CableModem：電纜調(diào)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1/4/202371CableModem系統(tǒng)概述12/26/202220CableModem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1/4/202372CableModem的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CMTS:CableMoCableModem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1/4/202373CableModem的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CM:電纜調(diào)解器12/26CableModem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1/4/202374CableModem系統(tǒng)概述12/26/202223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＃n1/4/202375工作原理每個CM都有一個ID（48位，制造商）頭端n信道下行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1/4/202376CableModem工作過程描述(1)加電初始化12/26CableModem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)1/4/202377CableModem工作過程描述(2)預(yù)約帶寬傳送數(shù)據(jù)12CableModem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1/4/202378CableModem系統(tǒng)概述12/26/202227CM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1/4/202379CM協(xié)議參考模型模型包括:物理層和MAC層CMTSMACableModem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1/4/202380CableModem系統(tǒng)概述12/26/202229CM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(kuò)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1/4/202381CM物理層功能組成：PMD子層、TC子層12/26/2022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)1/4/202382下行信道物理層下行信道物理層采用了ITU-TJ.83視頻信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)1/4/202383MPEG分組格式PID用來區(qū)分載荷的類型12/26/202TC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1/4/202384TC層支持PDU的定界MAC幀可以出現(xiàn)在MPEG分組的任意位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tminiSlotDataPDUPDUManagePDU1/4/202385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CM1/4/202386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1/4/202387物理層的調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)的選擇12/26/202236CableModem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1/4/202388CableModem系統(tǒng)概述12/26/202237MAC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1/4/202389MAC協(xié)議環(huán)境（上行信道）共享介質(zhì)12/26/202238CM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)1/4/202390CM的MAC層功能CM接入的合法性認(rèn)證12/26/20223MAC層的運行機(jī)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1/4/202391MAC層的運行機(jī)制上行總帶寬由許多小時隙（minslot）表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1/4/202392MAC層：上行帶寬分配CM與CMTS交互實現(xiàn)12/26/20MAC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）1/4/202393MAC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MAC層帶寬分配狀態(tài)圖Contendminislottosendrequest，waitACKReadyCollisionresolution

WaitforgrantDataPDUtransmissionwithpiggybackTrafficarrivalCollisionWaituntilgiventimeSuccessTrafficarrivalIdle1/4/202394MAC層帶寬分配狀態(tài)圖ContendminislottoMAC層帶寬分配時序圖t01/4/202