第5章HFC接入網(wǎng)5.1

HFC接入網(wǎng)概述

5.2

HFC接入網(wǎng)的演進

5.3

HFC系統(tǒng)的頻譜安排

5.4

HFC的調(diào)制方式5.5

HFC系統(tǒng)結構及各功能組5.6

HFC系統(tǒng)的噪聲及其抑制5.7

CableModem相關技術標準5.8有線電視接口數(shù)據(jù)規(guī)范(DOCSIS)協(xié)議5.9

CableModem系統(tǒng)的配置和使用5.10小結

思考題與習題

5.1

HFC接入網(wǎng)概述

HFC(HybridFiberCoaxial)網(wǎng)是指光纖同軸電纜混合網(wǎng)，它是一種新型的寬帶網(wǎng)絡。它采用光纖到服務區(qū)，而在進入用戶的“最后1公里”采用同軸電纜，而同軸電纜則可以利用已有的有線電視信號分配網(wǎng)絡。它比較合理有效地利用了當前先進、成熟的技術，融數(shù)字與模擬傳輸為一體，集光電功能于一身，同時提供較高質(zhì)量和較多頻道的傳統(tǒng)模擬廣播電視節(jié)目及數(shù)字廣播電視節(jié)目、較好性能價格比的電話服務、高速數(shù)據(jù)傳輸服務和多種信息增值服務，還可以逐步開展交互式數(shù)字視頻應用。隨著信息社會的到來，信息已成為人類最重要的資源，它主要表現(xiàn)為圖像、聲音和文本(數(shù)據(jù))三種形式?？梢钥闯?，信息網(wǎng)絡的發(fā)展方向是數(shù)字化、寬帶化、智能化、綜合化和個人化。雖然全數(shù)字化網(wǎng)絡具有明顯的優(yōu)勢，但因為目前廣泛使用的電視機、電話機都是模擬的，所以不能直接利用數(shù)字方式服務。因此，合理的方案應該是既能支持目前的模擬和數(shù)字服務，又能逐步過渡到今后的全數(shù)字化服務。目前，國內(nèi)正在進行的有線電視數(shù)字化改造，所采用的方案充分考慮到這種模擬體制和數(shù)字體制兼容、模擬體制向數(shù)字體制平滑過渡的需求。作為過渡階段的技術措施，在有線電視系統(tǒng)的同軸電纜分配段，拿出部分頻譜用于數(shù)字電視，保留部分模擬電視頻道；在用戶終端上，附加數(shù)字電視機頂盒，用于收看數(shù)字電視。

HFC網(wǎng)就是目前世界上公認的有很強競爭力的接入方式之一，是解決信息高速公路“最后1公里”寬帶接入網(wǎng)的較好方案。HFC綜合網(wǎng)可以提供電視廣播(模擬及數(shù)字電視)、影視點播、數(shù)據(jù)通信、電信服務(電話、傳真等)、電子商貿(mào)、遠程教學與醫(yī)療以及增值服務(電子郵件、電子圖書館)等極為豐富的服務內(nèi)容。

HFC網(wǎng)事實上也是一種城域網(wǎng)，其主干線用光纖在服務區(qū)(小區(qū))內(nèi)進行光電轉換，再用樹型同軸電纜總線網(wǎng)連接用戶，同軸電纜內(nèi)的信號頻率可高達550/750MHz。在用戶室內(nèi)的同軸電纜接線盒與用戶設備之間，需要使用一種稱為電纜調(diào)制解調(diào)器(CableModem，CM)的設備。CableModem本身不單純是調(diào)制解調(diào)器，它集Modem、調(diào)諧器、加/解密設備、橋接器、網(wǎng)絡接口卡、SNMP代理和以太網(wǎng)集線器的功能于一身。它無須撥號上網(wǎng)，不占用電話線，可永久連接。服務商的設備同用戶的Modem之間建立了一個VLAN(虛擬專網(wǎng))連接，大多數(shù)的Modem提供一個標準的10/100Base-T以太網(wǎng)接口，同用戶的PC設備或局域網(wǎng)集線器相連。除了雙向CableModem接入方案之外，有線電視廠商亦推出單向CableModem接入方案。它的上行通道采用電話Modem回傳，從而節(jié)省了現(xiàn)行CATV網(wǎng)進行雙向改造所需的龐大費用，節(jié)約了運營成本，可以即刻推出高速Internet接入服務；但也喪失了CableModem技術的最大優(yōu)點：不占用電話線、不需要撥號及永久連接。

HFC立足于現(xiàn)有的有線電視系統(tǒng)的基本架構，結合CableModem的專用技術，再輔之以其它相關技術，便構成了HFC接入網(wǎng)。盡管HFC在地域上覆蓋了整個城市，但對于電信網(wǎng)來說，其作用仍是接入網(wǎng)。HFC接入網(wǎng)為有線電視的經(jīng)營者提供了涉足電信寬帶接入的技術手段，從而豐富了接入網(wǎng)的技術與市場，造就了一個可與傳統(tǒng)電信業(yè)務運營商在接入網(wǎng)領域進行競爭的對手。 5.2

HFC接入網(wǎng)的演進

HFC的基礎是傳統(tǒng)的同軸電纜CATV網(wǎng)，經(jīng)歷了從單向光纖CATV網(wǎng)到雙向光纖CATV網(wǎng)再到雙向HFC網(wǎng)的變化。

5.2.1傳統(tǒng)的同軸電纜CATV網(wǎng)

同軸電纜有線電視網(wǎng)(CATV)采用樹型拓撲結構，信息集中在稱為前端的中心點。多條同軸電纜自前端引出并進行多次分支到用戶。盡管同軸電纜有很寬的帶寬，可以達到1000MHz，但它的固有衰耗大，每幾百米的傳輸距離信號就衰耗一半，為了補償傳輸衰耗和分支衰耗，需要不斷地在其網(wǎng)絡的各部分(饋線(干線)、配線)加入數(shù)量不等的射頻放大器，即饋線放大器、配線放大器。圖5-1是傳統(tǒng)的CATV網(wǎng)的示意圖。圖5-1傳統(tǒng)CATV網(wǎng)示意圖5.2.2單向光纖同軸電纜CATV網(wǎng)

單向光纖同軸電纜CATV網(wǎng)充分利用光纖的低衰耗特點，將傳統(tǒng)CATV的饋線部分用光纖來代替，可以不需要再在CATV的光纖饋線段放置射頻放大器，這樣可提高CATV信號的傳輸質(zhì)量，因為沒有了饋線放大器對信號傳輸?shù)挠绊?，如圖5-2所示。這時只在光纖節(jié)點以后的配線電纜處使用數(shù)量有限的單向放大器，仍然傳送傳統(tǒng)的分配型廣播電視節(jié)目，帶寬可以在50～550MHz的范圍內(nèi)。圖5-2單向光纖同軸電纜CATV網(wǎng)示意圖5.2.3雙向光纖同軸電纜CATV網(wǎng)

在圖5-2中，將單向配線放大器變成雙向配線放大器，可以在系統(tǒng)中提供窄帶業(yè)務的上行信道，而且增加下行的傳輸帶寬到750MHz，構成可以傳輸交互式視頻業(yè)務的雙向光纖同軸電纜CATV系統(tǒng)，但仍只能傳輸視頻業(yè)務。圖5-3是雙向光纖同軸電纜CATV網(wǎng)的示意圖。圖5-3雙向光纖同軸電纜CATV網(wǎng)示意圖5.2.4全業(yè)務光纖同軸電纜混合網(wǎng)(HFC)

利用光纖傳輸?shù)膶掝l帶特性，在雙向光纖同軸電纜CATV系統(tǒng)的基礎上，用空余的頻帶來傳輸電信語音業(yè)務、高速數(shù)據(jù)業(yè)務和個人通信業(yè)務，充分利用光纖的頻譜資源，構成全業(yè)務的HFC傳輸系統(tǒng)。

圖5-4是HFC系統(tǒng)的結構示意圖。圖5-4

HFC系統(tǒng)結構示意圖圖5-4中，從提供視頻業(yè)務的前端出來的信號和從提供電信業(yè)務的中心局出來的信號，在主數(shù)字終端(HybridDigitalTerminal,HDT)處混合在一起，并調(diào)制到各自的傳輸頻帶上，利用光纖傳輸?shù)焦夤?jié)點。在光節(jié)點處進行光/電轉換后，通過同軸分配網(wǎng)傳到每個用戶。每個光纖節(jié)點能服務的用戶數(shù)在500個左右。在用戶終端前的同軸電纜末端設置綜合業(yè)務單元(IntegretedServiceUnit,ISU)，用來解調(diào)電信業(yè)務，并與電信業(yè)務終端接口。

由此可見，HFC是在一根或兩根光纖上，采用通帶模擬調(diào)制方式，即副載波調(diào)制和模擬光調(diào)制技術進行全業(yè)務傳送的一種綜合業(yè)務實現(xiàn)方式。通過對1000MHz以下頻段的安排，實現(xiàn)多種業(yè)務的上、下行雙向通信。 5.3

HFC系統(tǒng)的頻譜安排

HFC系統(tǒng)采用副載波頻分復用方式，使各種圖像、數(shù)據(jù)和語音信號通過調(diào)制解調(diào)器后同時在線路上傳輸，因此合理的頻譜安排很重要。目前頻譜安排還沒有統(tǒng)一的國際標準，但具體應用中，有一些頻譜分配的總趨勢。

HFC系統(tǒng)有750MHz帶寬系統(tǒng)，也有1GHz帶寬系統(tǒng)。系統(tǒng)的頻譜安排如圖5-5所示。對頻率資源采用低分割分配方案，將各種業(yè)務信息以及上行和下行信息劃分到不同的頻段，通常安排5～40MHz為上行通道，50～750MHz或1GHz為下行通道。其中，50～550MHz能傳輸約60個模擬CATV信號。具體而言，當模擬CATV的頻譜為45～550MHz時，由于模擬電視(PAL制)一個通道的頻帶為8MHz，因此這段頻譜能傳輸?shù)哪M電視信道數(shù)為(550-45)／8=63；當模擬CATV頻譜為65～550MHz時，能傳輸?shù)哪M電視通道數(shù)為(550-65)／8=60。550MHz以上主要用來傳電話、數(shù)據(jù)和數(shù)字圖像信號。圖5-5

HFC系統(tǒng)的頻譜資源安排示意圖一般550～750MHz用來傳輸數(shù)字電視，也可以用其中的一部分來傳輸數(shù)字電視，用另一部分來傳輸下行電話和數(shù)據(jù)信號。

當數(shù)字電視信號采用64QAM調(diào)制時，調(diào)制效率在3(bit/s)/Hz(a=1)和6(bit/s)/Hz(a=0)之間，這與滾降系數(shù)a有關。假定調(diào)制效率為4.5(bit/s)/Hz，利用MPEG-2的壓縮編碼的碼率為每信道4Mb/s，因此模擬CATV每信道可以傳送的數(shù)字信道數(shù)為8MHz×4.5(bit/s)/Hz÷4Mb/s=9。如果550～750MHz這200MHz頻段都用于傳輸數(shù)字電視，則可傳輸?shù)臄?shù)字電視信(頻)道數(shù)為(750-550)/8×9=225。

5～30MHz用來傳輸上行的電話信號，占用25MHz的頻帶。由于每個光節(jié)點服務約500個用戶，因此每個用戶的回傳上行信道頻帶為25MHz÷500=50kHz。25MHz的帶寬由500個用戶共用作為上行信道已不緊張。

由于這部分頻段對無線和家用電器產(chǎn)生的干擾很敏感，在傳統(tǒng)的CATV系統(tǒng)中，其服務的用戶數(shù)多，且采用傳統(tǒng)的樹型分支結構，其回傳“漏斗效應”使各部分來的干擾疊加在一起，使總的回傳通道的信噪比很低，通信質(zhì)量很差。然而，在HFC系統(tǒng)中，由于用戶少了(相對于CATV系統(tǒng))，由它引入到回傳通道的干擾也大大減少，可用頻帶幾乎接近于100％。另外調(diào)制技術也將進一步減小外部干擾的影響。還有一種分配上行頻段的方法，將其擴展為5～42MHz。其中，5～8MHz用來傳輸狀態(tài)監(jiān)視信息，8～12MHz用來傳輸VOD信令，15～40MHz用來傳輸上行電話信號。

高端的750～1000MHz已明確僅用于各種雙向通信業(yè)務。其中，695～735MHz和970～1000MHz可用于個人通信業(yè)務，其它未分配的頻段可以有各種應用，并可用于分配將來可能出現(xiàn)的其它新業(yè)務。

表5-1是HFC系統(tǒng)的頻帶分配，表5-2～表5-4是我國對HFC系統(tǒng)中頻譜各波段頻點的具體安排。表5-1

HFC系統(tǒng)的頻帶分配表5-2

R波段頻道配置表5-3

I、A1、III、A2、B波段的頻道配置表5-4

Ⅳ波段頻道配置當Ⅳ波段全部用于傳送模擬電視時，其頻道配置如表5-4所示，當用于傳送數(shù)字電視時，可在DS-13到DS-26之間指配頻道，傳送采用MPEG-2編碼的數(shù)字電視信號，載波頻率位于頻道下邊界頻率。

由上面對HFC頻譜的安排可知：利用頻譜分割法，采用HFC方式的綜合一體網(wǎng)，可以傳送約60個頻道的模擬電視和200多個數(shù)字電視，而電話業(yè)務的上、下行采用頻分復用方式，上行為低頻段，下行為高頻段，還可傳送窄帶的數(shù)據(jù)信號，從而可以開展諸如電話、模擬廣播電視、數(shù)字廣播電視、數(shù)字視頻點播、數(shù)字交互式電視、以太網(wǎng)／數(shù)據(jù)應用等業(yè)務。

5.4

HFC的調(diào)制方式

5.4.1頻分復用(FDM)調(diào)制方式

頻分復用和波分復用都是用不同波長的光載波傳輸不同的信息。若在同一根光纖中傳輸?shù)墓廨d波路數(shù)不多，載波之間的間距又較大，這種光載波的復用通常稱為波分復用；若光載波的路數(shù)較多，波長間隔較小而又密集，這種光載波的復用稱為頻分復用。

1.光頻分復用的發(fā)送方式

發(fā)送端將各支路信息以適當?shù)恼{(diào)制方式調(diào)制在各個光載頻上，經(jīng)合波器將FDM信號耦合到一根光纖中進行傳輸，如圖5-6所示。圖5-6光頻分復用的發(fā)送方式

2.光頻分復用的接收方式

可以通過以下兩種不同的調(diào)諧方式來實現(xiàn)密集頻分多路的接收。

1)利用相干光纖通信的外差檢測與調(diào)諧本振激光器

發(fā)送光載波為fs，接收機中本地振蕩器頻率為flo，經(jīng)過外差得到中頻fif，即fs－flo=fif。若接收設備檢出該中頻fif，則可以恢復出光載波fs上承載的數(shù)字信號。

如果調(diào)諧本振頻率flo，則可以相應地檢出保持不變的中頻，收到其它的光載波頻率。

2)利用常規(guī)光纖通信的直接檢測與調(diào)諧光纖濾波器

接收端直接檢測前置無源光纖濾波器，實現(xiàn)密集頻分多路。圖5-7所示濾波器的可調(diào)諧頻率范圍為f，共有P路，每路頻帶寬度為f/P。若采用FSK，則“1”碼發(fā)載波頻率fc，“0”碼發(fā)移頻fd，兩者的關系為fc=2×fd，它約為每路信號數(shù)字速率的6倍，即fc=6B(B是每路信號數(shù)字速率)。光纖濾波器調(diào)諧到光載波頻率，“1”碼通過，“0”碼不過，濾波器帶寬fbp調(diào)諧頻率范圍與濾波器帶寬之比為f/fbp，稱為精細度。頻分的最多路數(shù)P=(f/fbp)/6，與B無關，而與精細度成正比。圖5-7常規(guī)光纖通信接收檢測器和光纖濾波器比較上述兩種FDM的接收方法，相干通信用外差檢測和本振激光器調(diào)諧的方式，能夠獲得頻率間隔更近、傳輸路數(shù)更多的效果，但其器件和設備復雜，成本較高，而常規(guī)通信用直接檢測和光纖濾波器調(diào)諧的方式，雖然密集頻分的路數(shù)較少，但成本較低。5.4.2副載波調(diào)制方式

1.副載波調(diào)制方式的工作原理

副載波復用是先用所要傳輸?shù)男盘栒{(diào)制一個射頻波(超短波到微波的頻率)，再用此射頻波來調(diào)制發(fā)射光源。因為信號是用光傳輸?shù)?，載波對光波而言只扮演副載波的作用，所以這種技術就稱為副載波調(diào)制(SubcarrierModulation,SCM)，其中射頻波就稱為副載波。

在接收端，經(jīng)光／電轉換后恢復帶有信號的射頻波，再通過射頻檢測還原成信號。圖5-8是采用調(diào)頻副載波傳輸系統(tǒng)的舉例。圖5-8調(diào)頻副載波傳輸系統(tǒng)示意圖在發(fā)送端，信號和直流頻率控制輸入到壓控射頻振蕩器(VCO)，直流頻率控制控制所發(fā)副載波的頻率，信號對VCO進行調(diào)頻。將幾個帶有信號的副載波混合起來調(diào)制(調(diào)幅)發(fā)射光源。在接收端，帶有信號的光信號通過光檢測器得出全部副載波。通過本機的VCO所發(fā)射頻和副載波拍頻而得出中頻。中頻放大器起著濾波的作用，通過鑒頻器得出原信號。

副載波多路系統(tǒng)是通過增加頻帶寬度來實現(xiàn)多路傳輸?shù)摹?/p>

2.副載波復用系統(tǒng)在接入網(wǎng)中的應用

射頻(RF)或微波副載波復用(SCM)包括模擬和／或數(shù)字信號兩種多信道的復用，其系統(tǒng)的基本構成如圖5-9所示。一些基帶模擬信號或數(shù)字信號首先通過調(diào)制不同本振(LO)的射頻進行頻分復用，與上變頻信號結合后去驅動高速光源。同光載波頻率相比，本振頻率就是副載波。接收側用戶通過調(diào)諧本振能夠接收FDM信道的任一個，下變頻RF或微波信號至基帶或中頻頻率，類似于無線電廣播或電視信道的調(diào)諧方法。主要區(qū)別是SCM光波系統(tǒng)能傳輸較多的視頻、數(shù)據(jù)或音頻信道。對于應用副載波傳輸方法傳輸時分復用基帶數(shù)字信號的光傳輸系統(tǒng)，由于不同的副載波互相獨立，因此，在接收端，各業(yè)務系統(tǒng)的本振之間不需要同步。圖5-9

SCM系統(tǒng)的基本結構5.4.3

HFC對業(yè)務信號的調(diào)制方式

1.模擬視頻信號的調(diào)制

對CATV業(yè)務的這種模擬視頻信號使用模擬VSB-AM的調(diào)制方式，并且采用FDM的復用方式。這種方式與傳統(tǒng)CATV和無線電廣播系統(tǒng)的調(diào)制方式相同。

采用這種VSB-AM調(diào)制方式，可以使光纖接收輸出的多路射頻電信號無需經(jīng)過任何轉換或解調(diào)，就能夠與家庭使用的電視機兼容，但傳輸距離不遠。

對于長距離傳輸，還可以采用副載波調(diào)頻(FM-SCM)的方式，作為地區(qū)CATV網(wǎng)之間的干線和超干線連接設備。

2.數(shù)字視頻信號的調(diào)制

對諸如VOD這種數(shù)字視頻信號，首先使用MPEG-2編碼算法，然后將數(shù)字視頻進行BPSK(二相相移鍵控)或QPSK(四相相移鍵控)或64QAM(正交調(diào)幅)或多電平VSB的信息流調(diào)制到載波上，再使用FDM或SCM方式復用。對于64QAM而言，每個模擬視頻信道頻帶(8MHz)能傳輸?shù)臄?shù)字視頻信號多達9個。

3.數(shù)字語音、數(shù)據(jù)

下行的數(shù)字語音或數(shù)據(jù)經(jīng)QPSK，再調(diào)制到下行副載波上，如3.5MHz帶寬可容納90DS0(64kb/s)+128kb/s的信令和控制信息。

上行的數(shù)字語音或數(shù)據(jù)經(jīng)QPSK，再調(diào)制到上行副載波上，如50kHz帶寬可容納1DS0(64kb/s)+8kb/s的信令和控制信息。

5.5

HFC系統(tǒng)結構及各功能組

具有全業(yè)務傳送能力的基于頻譜分配利用和副載波調(diào)制的HFC傳輸系統(tǒng)由前端(HE)、主數(shù)字終端(HDT)、傳輸線路、光節(jié)點(FN)和綜合業(yè)務單元(ISU)組成。圖5-10是HFC系統(tǒng)的網(wǎng)絡組成結構圖。

1.視頻前端

將各種不同的視頻信號源，包括模擬的和數(shù)字的信號源(如圖5-11所示)，經(jīng)處理后混合起來，即是HFC的視頻前端。圖5-10

HFC系統(tǒng)的組成示意圖圖5-11

HFC視頻前端

2.主數(shù)字終端(HDT)

主數(shù)字終端(HDT)的主要功能是將CATV前端的信息流與電話業(yè)務交換機出來的信息流復用在一起。具體而言，HDT要提供HFC接入網(wǎng)與各種業(yè)務節(jié)點(電話交換機、ISDN交換機、CATV前端等)的接口。

HDT的主要功能如下：

·與電話交換機之間一般采用V5.2接口；

·進行網(wǎng)絡資源的分配，如傳輸頻譜的分配；

·對各種業(yè)務信息進行調(diào)制與解調(diào)；

·對各種業(yè)務信息進行合成與分解；

·進行電／光轉換以及光發(fā)送和光接收；

·提供對HFC系統(tǒng)進行管理的管理接口。

3.光節(jié)點(FN)

光節(jié)點接收來自HDT的光形式的圖像和電話信號，將其轉換為50～750MHz的射頻信號，再經(jīng)射頻放大器放大后送給分支器，分別連到不同的同軸端口上，每個端口都與一個對應的同軸電纜分配網(wǎng)相連。光節(jié)點能夠轉換傳給前端或電話交換機的信令。對于上行的信號，光節(jié)點將各用戶的不同頻譜上的信號按照具體的頻譜安排規(guī)則，組合成上行的占據(jù)5～40MHz帶寬的回傳信息流。

光節(jié)點主要進行光／電轉換與電／光轉換、光接收與光發(fā)送、電接收與電發(fā)送、上行信號頻譜資源的安排以及對信令進行轉換等。

4.綜合業(yè)務單元(ISU)

ISU可分為單用戶的ISU和多用戶的ISU。多用戶的ISU可以具有多個等級。ISU是一個智能的網(wǎng)絡設備，裝有微處理器、存儲器和控制邏輯，因此是一個智能的射頻調(diào)制解調(diào)器，不僅允許用戶接入網(wǎng)絡，而且可以建立與HDT的信令通道，處理呼叫甚至監(jiān)視本身的好壞，還可以與HDT一起進行實時指配和維護。

ISU提供各種用戶終端設備與網(wǎng)絡之間的接口，實現(xiàn)信令轉換，能夠對各種業(yè)務信息進行調(diào)制與解調(diào)以及對各種業(yè)務信息進行合成與分解。對于電話業(yè)務應具有用戶線的基本功能，如饋電、過壓保護、振鈴、監(jiān)視、編解碼以及測試等。

5.6

HFC系統(tǒng)的噪聲及其抑制

5.6.1

HFC系統(tǒng)的噪聲

HFC網(wǎng)絡的上行信道已經(jīng)引起了很大的關注。分配給CableModem的頻帶位于十分不利的噪聲環(huán)境中。上行侵入噪聲是HFC系統(tǒng)中傳輸損傷的主要原因。這些噪聲具有不同的特點和嚴重性。

目前已提出了一種信道模型，該模型從數(shù)學角度定義了電纜網(wǎng)絡噪聲的本質(zhì)和物理特性。這一模型被用于改進CableModem物理層和MAC層規(guī)范。對各種噪聲和損傷來說，電纜系統(tǒng)可以看做是巨大的天線，在5～42MHz范圍的射頻頻帶更是如此。每種類型的噪聲必須在它的發(fā)源點，在它被允許在網(wǎng)絡內(nèi)傳播并發(fā)生變化之前被抑制。問題的復雜性在于電纜網(wǎng)絡內(nèi)的噪聲現(xiàn)象是和時間相關的，早晨測量的結果和晚上收看電視高峰期測量的結果有很大的不同。而且，國內(nèi)一個地區(qū)和另一個地區(qū)的測量結果也不相同。電纜設施尤其是用戶下引線的使用時間、本地區(qū)的濕度條件、下引線上的用戶數(shù)目、室內(nèi)布線方式以及以往的維護情況，所有這些都對網(wǎng)絡在不同負載條件下的工作行為產(chǎn)生著影響。要求開發(fā)系統(tǒng)時必須考慮最壞的情況，而不是考慮最優(yōu)情況下的解決方案。在許多情況下，一個現(xiàn)場技術人員只需要通過機械和電方式加固電纜系統(tǒng)，就可以明顯地增強視頻信號質(zhì)量，并減小噪聲。

這就提出了一個特殊的問題：解決噪聲問題，在很大程度上是基于現(xiàn)場測量，在一個地區(qū)節(jié)省成本的解決方案也許完全不適用于另一個地區(qū)。

一般來說，網(wǎng)絡噪聲問題來源于三個區(qū)域：用戶家里(占70％)、用戶下引線(占25％)以及硬同軸設備(占5％)。

發(fā)現(xiàn)并排除間歇性故障既費錢又費時。發(fā)現(xiàn)故障并不總是意味著可以定位故障。5.6.2上行方向的噪聲特性

在上行方向有幾種噪聲源可以損害通信。目前已得到了一種信道模式來識別這些噪聲源。下面對這些噪聲源進行簡要敘述。

·交流聲調(diào)制(HumModulation)：交流調(diào)制是由于50Hz交流電源經(jīng)過供電設備耦合到信號的包絡產(chǎn)生的幅度調(diào)制。

·微反射(MicroreFlections)：微反射發(fā)生在傳輸媒質(zhì)的不連續(xù)處，導致部分信號能量被反射。

·侵入噪聲(IngressNoise)：侵入噪聲是不希望出現(xiàn)的窄帶噪聲，它是外部窄帶射頻(RF)信號進入或泄漏到電纜分配系統(tǒng)中的結果。進入的薄弱點通常是用戶下引線和不合適的連接器、松散的連接、破裂的屏蔽層、不良的設備接地措施以及用戶家中屏蔽不良的射頻振蕩器。由于上行傳輸位于網(wǎng)絡通頻帶的最低頻率位置，因此噪聲在干線上疊加在一起。

侵入噪聲的來源包括大多數(shù)符合FCC的射頻功率電平的噪聲，例如，吹風機、電力線干擾、霓虹燈、電動機、車輛點火、垃圾處理、洗衣機、附近經(jīng)過的飛機、高壓線、電力系統(tǒng)、大氣噪聲、不良的電觸點、任何露天的射頻傳輸(如民用波段(CB))和業(yè)余無線電傳輸、有泄漏的電視機和計算機、民防系統(tǒng)、飛機導航廣播、國際短波和調(diào)幅(AM)廣播裝置。

·共路失真(CommonPathDistortion)：是由電纜設施中的無源器件和腐蝕連接器的非線性造成的。

·熱噪聲：白噪聲是由75Ω終端阻抗的隨機熱噪聲(電纜和其它網(wǎng)絡設備內(nèi)的電子運動)產(chǎn)生的。

·沖擊噪聲／突發(fā)噪聲：突發(fā)噪聲和沖擊噪聲相似，只是突發(fā)噪聲持續(xù)時間更長。它是雙向電纜系統(tǒng)的主要問題，也是最主要的峰值噪聲源。沖擊噪聲主要是由50Hz的高壓線和其它電器及大量靜電放電引起的，例如閃電雷擊、交流電機啟動、車輛點火系統(tǒng)、電視、廣播和家用電器(如洗衣機)。松動的連接器也會產(chǎn)生沖擊噪聲。沖擊噪聲又分為電暈噪聲(Coronanoise)和間隙噪聲(Gapnoise)。

·電暈噪聲：電暈噪聲由高壓線周圍空氣的電離作用產(chǎn)生。溫度和濕度對這種噪聲的產(chǎn)生起重要作用。

·間隙噪聲：間隙噪聲是由于絕緣體破裂或已腐蝕的連接器發(fā)生接觸而產(chǎn)生的。這樣的故障容易造成100kV線路的放電。其它的噪聲源包括汽車點火和使用電動機的家用電器。這種放電或電弧具有很短的持續(xù)時間(微秒級)及尖銳的上升和下降時間。

·相位噪聲和頻率偏移：相位噪聲和頻率偏移產(chǎn)生于頻率堆疊復用設備(FrequencystackingMultiplexer)中的本地振蕩器，該設備用于某些回傳通路系統(tǒng)。

·不理想的設備響應：電纜線路設備包括一些線性濾波單元，主要是分隔上行頻率和下行頻率的雙工濾波器。

·非線性：非線性來源于放大器中的限幅效應、光纖節(jié)點的激光發(fā)射機和頭端的激光接收機。

5.6.3下行方向的噪聲特性

有幾種噪聲源可以損害下行通信，這些噪聲源是加性的。另外系統(tǒng)某些固有的因素(系統(tǒng)特性的不理想)也會導致信噪比的下降。概括如下。光傳輸系統(tǒng)噪聲：主要來源是光接收機的高斯噪聲、激光器的相對強度噪聲、光/電轉換的散彈噪聲，以及由激光器的非線性和激光器的瞬時驅動電流擺動到門限電流以下所產(chǎn)生的削波干擾。當模、數(shù)頻道共存且頻道數(shù)很多時，削波引起的噪聲將起決定作用。

設備響應:頻率響應的不理想具體表現(xiàn)為“傾斜”和“波紋”。傾斜是幅度隨著頻率的線性變化，是網(wǎng)絡中各部件頻率響應的近似。波紋是位于傾斜頂部的許多按正弦規(guī)律變化的振幅變化的總和，是對網(wǎng)絡中微反射效應的一種測度。調(diào)幅/調(diào)頻交流聲調(diào)制(AM／FMHumModulation)：調(diào)幅/調(diào)頻交流聲調(diào)制是由于交流電通過供電設備耦合到信號包絡或由于頻偏而產(chǎn)生的幅度/頻率調(diào)制。

熱噪聲和互調(diào)：熱噪聲以高斯白噪聲作為它的模型，但其功率由相對于設備輸出的功率來確定。互調(diào)是由于系統(tǒng)的非線性而造成的，會導致在其它通路產(chǎn)生組合頻率。

信道浪涌(ChannelSurfing)：信道浪涌引起微反射，時而出現(xiàn)時而消失。5.6.4抑制噪聲的方法

有很多方法可以抑制或避免噪聲侵入到HFC網(wǎng)絡內(nèi)，這些方法并不互相排斥，它們可以結合起來改善網(wǎng)絡的性能。雖然總體來說，噪聲使上行通路的性能受到的影響更大，但不論是上行通路還是下行通路，其網(wǎng)絡性能都受到影響。

下面介紹幾種抑制噪聲的方法。對于不同的設備，通常應采用不同的抑噪方法。

·在反方向合理地調(diào)整放大器。

·線纜設備安裝或更新的一個重要方面是確保系統(tǒng)在機械和電氣方面都密封良好，否則一定會在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生可觀的侵入噪聲或脈沖噪聲。

·電氣方面，所有供電設備和電纜設備都必須適當接地。在氣候干旱和／或多巖石的情況下，要做到良好的電接地比較困難。

·侵入噪聲幾乎70％都來源于下引線和用戶家中。用戶下引線有時使用質(zhì)量低劣的同軸線。放射狀裂紋以及屏蔽箔片的裂縫是主要的泄漏源，并會因此引入噪聲。使用老化、劣質(zhì)的連線或者連接松動時，也會造成系統(tǒng)泄漏。提高網(wǎng)絡性能的一種有效方法是對住宅同軸線路進行適當升級，添加優(yōu)質(zhì)的連接器并進行良好接地，但是這樣做成本較高。

·減小通路帶寬會增強系統(tǒng)的健壯性，因為它減小了群遲延失真，并允許使用更高階的調(diào)制方法(指頻帶利用率更高的調(diào)制方式)。這種方法在某些地區(qū)因經(jīng)濟原因而不太可行。

·頻率靈活的CableModem(在多頻載波中)是一種用于減小(避開)噪聲損害的方法，這種方法只選擇那些在返回路徑上噪聲最小的載波頻率，這意味著部分返回路徑頻譜被標注為不可用。良好的頻率靈活系統(tǒng)可以很好地避免噪聲。這種方法如果被充分使用，那么交互式業(yè)務將需要越來越多的上行帶寬。如果噪聲源是窄帶而不是寬帶，那么副載波頻率的靈活性是最合適的。侵入噪聲是唯一滿足這些準則的一種噪聲。頻率靈活性不是解決脈沖噪聲或放大器噪聲的有效策略，因為從本質(zhì)上來說這類噪聲是寬帶的。

5.7

CableModem相關技術標準

5.7.1

DOCSIS簡介及其發(fā)展歷程

DOCSIS是一個基于一些國際標準(IEEE802，ITU-J83，J112，IETF)的體系，它的全稱是“在線纜上提供數(shù)據(jù)業(yè)務的接口規(guī)范”(Data-Over-CableServiceInterfaceSpecifications)，這個標準適用于在混合光纖/同軸網(wǎng)絡上進行雙向IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娎|調(diào)制解調(diào)器(CableModem)。

1994年11月，IEEE計算機協(xié)會LAN/MAN標準委員會宣布成立802.14Cable-V協(xié)議工作組，目的是制定適于在CATV系統(tǒng)上傳送雙向綜合業(yè)務的標準，包括傳送數(shù)據(jù)、語音和視頻業(yè)務的標準，特別是要制定CableModem的訪問控制子層和物理層標準。

1995年11月，美國的有線電視經(jīng)營商MSOsComcast、Cox、TCI(nowAT&T)及TimeWarner形成了有限的合作伙伴關系，稱為多媒體有線電視網(wǎng)絡系統(tǒng)伙伴有限公司，簡稱MCNS，研究他們自己的有線電視調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)標準，MediaOneGroup、RogersCablesystems和CableTelevisionLaboratoriesInc隨后也主動在開始的協(xié)議上簽了字，他們的目的是建立一整套協(xié)議，以在HFC網(wǎng)絡上進行高速雙向數(shù)據(jù)傳輸，給用戶提供Internet等服務，同時使各個廠家的CableModem產(chǎn)品具有充分的互操作性。該組織于1997年3月頒布了HFC網(wǎng)多媒體電纜網(wǎng)絡中電纜數(shù)據(jù)業(yè)務接口標準(DOCSIS1.0)。MCNSDOCSIS于1998年3月初被ITU通過，成為國際標準ITU-TJ.112B。

1999年4月，有線電視實驗室發(fā)表了第二代的標準，叫做DOCSIS1.1，功能比以前增強了許多，例如改進了QoS和以硬件為基礎的數(shù)據(jù)包的容量，支持IP電話，具有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸速率。簡而言之，DOCSIS提供了高的寬帶、高質(zhì)量的聲音和商業(yè)級的數(shù)據(jù)服務，并通過網(wǎng)絡共享有線電視調(diào)制解調(diào)器提供多媒體服務。

DOCSIS2.0于2001年12月公布。DOCSIS2.0的主要改進是大大提高了上行信道速率，可達到30Mb/s，基本和下行速率達到對稱。而以前的1.0和1.1版本上行速率為10Mb/s，下行速率為56Mb/s(均為峰值)。改進的部分主要是在物理層，鏈路層以上仍然和以太網(wǎng)相似，為IEEE802

LLC。DOCSIS2.0引入了新的S-CDMA(同步碼分多址)調(diào)制技術，同舊的A-TDMA(靈敏時分多址)技術相比，新技術更有利于在惡劣的噪聲和干擾以及低帶寬環(huán)境下有效地傳輸數(shù)據(jù)，并能支持更多的用戶，同時也能更好地支持業(yè)務質(zhì)量。DOCSIS2.0同時包含了S-CDMA和A-TDMA兩種調(diào)制方式，以保證同舊有設施的兼容性。

S-CDMA允許多個CableModem同時傳輸數(shù)據(jù)，因此能獲得高的接入速率。這些CableModem必須在相位和頻率上進行同步，以保證各個數(shù)據(jù)流維持相互正交，互不干擾，同步時鐘則由頭端設備來提供。為了維持和TDMA設備在MAC層的兼容性，原有的時間幀仍然保留，不過由一維變?yōu)槎S，S-CDMA的幀就成了時間幀的矩陣，矩陣的一個方向是時間，另一個方向是碼字。一條通道內(nèi)可分配128個相互正交的碼字，每個時間幀使用兩個碼字，這樣就允許64個CableModem同時進行傳輸。S-CDMA還包括了前向錯誤修正功能，一定程度上可避免重傳，這在視頻等實時業(yè)務中是有用的。此外，S-CDMA還設置了一些優(yōu)化參數(shù)，以獲得更好的傳輸性能。采用DOCSIS技術方案，通常幾百個用戶可以共享一個6MHz(或8MHz)的下行信道和一個或幾個上行信道。該下行信道在電視運營商的頻道規(guī)劃中占據(jù)一個單個的電視發(fā)送頻道，其數(shù)據(jù)傳輸格式與數(shù)字機頂盒MPEG傳輸流調(diào)制(64QAM或256QAM)格式兼容，可以提供達40Mb/s的速率。在DOCSIS1.0和DOCSIS1.1中，上行信道帶寬可達3.2MHz，可以提供每個信道10Mb/s的速率。在DOCSIS2.0中，上行信道帶寬可達6.4MHz，可以提供每個信道30Mb/s的速率。規(guī)范中安排了媒體接入層(MAC)來協(xié)調(diào)上行帶寬的共享接入。雖然有線電視電纜網(wǎng)的媒體對于各個用戶是共享的，但是DOCSIS技術采用加密的技術來保障每個用戶的數(shù)據(jù)的安全性，而且DOCSIS1.1和DOCSIS2.0版本的技術規(guī)范還提供了更多的工具，以保證合法的用戶安全、可靠地獲得高速的數(shù)據(jù)通信業(yè)務。

DOCSIS3.0采用了新的頻道綁定(ChannelBonding)、MQos等技術，同時還提供對IPV6的支持。DOCSIS3.0支持下行160Mb/s、上行120Mb/s的傳輸速率。DOCSIS3.0標準向下兼容DOCSIS1.1和DOCSIS2.0。實現(xiàn)綁定的方式是把4個6MHz的頻道綁定在一起，將其作為一個邏輯通道來看待。綁定頻道的數(shù)目最少為4個，而且在下行方向和上行方向均進行頻道綁定。這樣，頻道綁定就為有線電視運營商提供了一種靈活的方法來增加它們?yōu)橛脩籼峁┑纳闲泻拖滦型掏铝浚蛊鋽?shù)據(jù)速率可達幾百兆比特/秒，并且有達到千兆比特/秒的潛力，可以為各個電纜調(diào)制解調(diào)器用戶提供更高的峰值傳輸能力，通過統(tǒng)計多路(StatisticalMultiplexing)實現(xiàn)對頻道容量更有效的利用。然而，不管DOCSIS3.0要綁定多少個頻道，都要與其所有過去的版本相兼容。老式的調(diào)制解調(diào)器仍然可以在DOCSIS3.0頻道綁定的方案下工作，DOCSIS3.0調(diào)制解調(diào)器也將和老式的DOCSISCMTS單元相兼容。DOCSIS3.0還將提供對IPv6的支持，以獲得高級的網(wǎng)絡能力。使用這種又稱為下一代互聯(lián)網(wǎng)的IPv6協(xié)議，將會大大擴展地址空間，為IP設備提供實際上無限的地址。IPv6還支持設備的移動性(mobility)，并具有自動配置能力。DOCSIS3.0這個新版本將為電視運營商提供具有足夠寬的帶寬范圍、基于IP的娛樂級質(zhì)量的媒體業(yè)務。5.7.2

DOCSIS的主要優(yōu)點

1.端到端的標準

端對端規(guī)范：從運行支持系統(tǒng)(OSS)、管理接口、數(shù)據(jù)接口，直至媒質(zhì)訪問控制和物理層都提供了完整的業(yè)務規(guī)范。

2.靈活性

DOCSIS有廣泛的媒質(zhì)訪問和物理層上行傳輸流參數(shù)，并對多種有線系統(tǒng)下工作的健壯性和適應性有廣泛的控制。

3.性能

上行傳輸流具有高速符號率(10Mb/s@2.56Ms/s，16QAM)，下行速率更高。

4.效率

本地IP對ATMAAL-5的協(xié)議轉換層使DOCSIS非常適合于IP傳輸。

5.安全

BaselinePrivacy和BaselinePrivacy+對傳輸?shù)膬?nèi)容提供了很好的安全保障，也提供了很強的系統(tǒng)認證，從而有效地保護了內(nèi)容和業(yè)務不被非法使用。5.7.3

Euro-DOCSIS簡介及其與DOCSIS的比較

Euro-DOCSIS是標準DOCSIS的變異，它允許在歐洲的有線系統(tǒng)上運行Data-over-Cable的業(yè)務。歐洲現(xiàn)在所用的模擬視頻標準是PAL(PhaseAlternatingLine)，這種標準采用8MHz的頻道寬度，即每個電視頻道之間相隔8MHz的頻率范圍，歐洲應用的數(shù)字視頻系統(tǒng)需要和PAL兼容，因此需要運行在8MHz的頻寬規(guī)劃下，這不同于采用6M頻道寬度的北美視頻標準。歐洲數(shù)字視頻標準組定義了一個物理層標準，這個標準不同于北美的數(shù)字視頻系統(tǒng)(DAVIC/DVBvsAnnexB/Digicypher)使用的標準。Euro-DOCSIS標準采用了現(xiàn)有的歐洲數(shù)字視頻系統(tǒng)物理層的標準，并且結合了所有標準DOCSIS協(xié)議和MAC層的特性。表5-5列舉了DOCSIS和Euro-DOCSIS之間的主要區(qū)別。從表中可以看出，Euro-DOCSIS和DOCSIS之間的大部分區(qū)別在于下行傳輸流物理層的不同，在上行傳輸流上的差別僅僅是分配給上行傳輸流的頻率范圍不同，Euro-DOCSIS有更寬一點的頻譜。因此，Euro-DOCSISCableModem和DOCSISCableModem的硬件設計稍有不同，F(xiàn)irmware可以僅有很小的差別。表5-5

DOCSIS和Euro-DOCSIS間的主要區(qū)別5.7.4

Euro-DOCSIS與DVB-RC的區(qū)別

在DVB廣播系統(tǒng)中，也可以實現(xiàn)交互式業(yè)務。DVB制定了在有線電視系統(tǒng)中實現(xiàn)交互式業(yè)務的標準DVB-RC

(DigitalVideoBroadcasting(DVB)InteractionchannelforCATV)，按照這個標準，CATV的架構也能支持ReturnChannel(RC)的實現(xiàn)，從而支持交互業(yè)務。

在DVB-RC的系統(tǒng)模型中，在業(yè)務提供商和終端用戶間建立了兩個通道，一個是廣播通道，一個是交互通道。

廣播通道是單向的，從業(yè)務商到用戶，傳送視頻、音頻和數(shù)據(jù)，它可以包含一個前向交互通道；而交互通道是雙向的，它又由返回交互通路和前向交互通路組成。返回交互通路(ReturnInteractionpath)是從用戶端到業(yè)務提供商的，它用來向業(yè)務提供商發(fā)送請求或回答業(yè)務提供商的問題，這是一個窄帶的通道，也就是通常所說的返回通道。

前向交互通路(ForwardInteractionpath)是從業(yè)務提供商到用戶的，它被業(yè)務提供商用來給用戶提供某些類型的信息和任何其它交互業(yè)務所必需的通信。前向交互通路可以嵌入在廣播通道中。

表5-6對DVB-RC和DOCSIS做了一些概括的對比。由表中可以看出，Euro-DOCSIS與DVB-RC之間有較大的區(qū)別。表5-6

DVB-RC/DOCSIS的比較下面從其它方面比較一下DVB-RC與Euro-DOCSIS。

(1)與ATM相比，在具有變長數(shù)據(jù)包的QoS的支持下，DOCSIS1.1有更好的粒度(8或16對比53字節(jié))，能支持完全恒速比特率、可變比特率、可用比特率的QoS類型，并且有內(nèi)置的、對這些無ATM管理開銷的特性的第二層支持。

(2)在IP傳輸?shù)男阅芊矫?，DOCSIS直接支持TCP/IP，而DVB-RC必須把每一個數(shù)據(jù)包封裝在ATMAAL-5信元里并承受分割和重組的管理開銷，最常見的上行數(shù)據(jù)流IP包(64字節(jié))需要兩個ATM信元，這會產(chǎn)生30%的效率損失(64/128=50%對比64/80=80%)。目前DOCSIS能夠提供10Mb/s的上行傳輸速率，假如有更先進的物理層在對稱業(yè)務上，也許可以達到30Mb/s以上的速率。

由于DVB-RC被限制在DQPSK，并且由于它具有非常原始的符號率鎖定調(diào)速，因此它根本就不能升級到16QAM。每赫茲更多的比特總是代表更好的性能。

(3)在交互式機頂盒的支持下，一個2～3Mb/s的帶外(Out-of-Band)頻道是不適合交互式數(shù)據(jù)業(yè)務的，然而CableModem卻可以10Base-T(10Mb/s)、USB(12Mb/s)與個人計算機相連。CableModem的下行帶寬是被多個用戶共享的，一般實際的配置率是1∶8。

用于基于DOCSIS的Opencable機頂盒的雙QAM結構被廣泛地認為是傳統(tǒng)機頂盒加上真正的數(shù)據(jù)交互能力的最好解決方案，許多QAM接收器不斷地集成其它成本幾乎不計的功能，將來新的Tuner架構也會使成本下降。

(4)在對VOIP的支持上，DOCSIS1.1是特別設計為支持QoS和語音的，而DOCSIS/Euro-DOCSIS是DOCSIS1.1的基礎。

DVB-RC也可以支持VOIP，但是語音要先進入ATM，再進入AAL-5，然后到IP，最后才回到語音。

ATM沒有像DOCSIS那樣提供良好的帶寬分配粒度，因而有更高的抖動，而更高的抖動則意味著更長的衰竭緩沖區(qū)、更高的延遲以及更壞的回波。總體來說，將DVB-RC與Euro-DOCSIS作對比，可以得出以下結論：Euro-DOCSIS有更好的性能，DVB-RC的上行符號率比較低，沒有相當于16QAM的下行比特率，由于采用ATM信元交換而降低了效率。DVB-RC的TCP/IP傳輸由于AAL-5而顯得比較低效。在對機頂盒的支持上，第二個QAM頻道提供了非常高的、無與倫比的帶外性能。Euro-DOCSIS具有硬件的集成安全性。在DVB-RC中，MAC和PHY的靈活性受到了極大的限制。5.8有線電視接口數(shù)據(jù)規(guī)范(DOCSIS)協(xié)議

本節(jié)將要說明DOCSIS協(xié)議的下行和上行物理(PHY)層及媒質(zhì)接入控制(MAC)層的工作原理，然后討論媒質(zhì)接入控制(MAC)層的格式、特性和工作原理，特別是業(yè)務的質(zhì)量和上行數(shù)據(jù)包的拆分，最后分析CM和CM終端系統(tǒng)(CMTS)之間的相互作用。另外，在本節(jié)中將回顧不同的隨機接入和競爭分辨的方法。

本節(jié)所稱的DOCSIS是指DOCSIS3.0，由于DOCSIS3.0向下兼容DOCSIS2.0和DOCSIS1.0，因此以下內(nèi)容覆蓋了DOCSIS現(xiàn)有的各個版本。5.8.1

DOCSIS通信協(xié)議

CM(CableModem)的主要功能是在有線電視的前端和用戶之間透明傳輸IP包。在客戶端稱為CM，在網(wǎng)絡端稱為CMTS(CM系統(tǒng)頭端設備，也稱為終端設備)。由于在IP之上還有某些管理功能，因此在RF接口上定義的DOCSIS協(xié)議棧如圖5-12所示。圖5-12

RF接口的DOCSIS通信協(xié)議棧

CM和CMTS使用類似于IEEE802標準定義的IP和LLC(邏輯鏈路控制)主機的工作方式，通過同軸電纜網(wǎng)絡進行通信。物理(PHY)層包括與物理媒質(zhì)(PMD)有關的子層和下行傳輸匯聚(TC)子層。PHY層上的數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)包括以下3個子層：①媒質(zhì)接入控制(MAC)子層；②鏈路安全(LinkSecurity)子層；③邏輯鏈路控制(LLC/DIX)子層。MAC定義的規(guī)程和參數(shù)使CM和CMTS能夠相互作用，以便下行和上行信道能夠支持各種業(yè)務。鏈路安全子層提供IP包傳輸所需的安全性。網(wǎng)絡層協(xié)議工作在LLC子層之上，目前是IPv4，今后會過渡到IPv6。在網(wǎng)絡層中，CM和CMTS都必須支持在DIX鏈路層成幀之上的IP和ARP(地址解析協(xié)議)包。在網(wǎng)絡層之上，存在各種網(wǎng)絡管理和運行的協(xié)議，具體包括：

(1)用于網(wǎng)絡管理的簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議(SNMP)；

(2)小文件傳輸協(xié)議(TFFP)是一個文件傳送協(xié)議，它可以用來下載軟件，為遠端配置信息；

(3)動態(tài)主機配置協(xié)議(DHCP)用來分配IP地址，并且把配置信息傳送到TCP／IP網(wǎng)絡的主機；

(4)時間協(xié)議，它用來獲得時間。圖5-13是通過CM和CMTS進行的數(shù)據(jù)傳送過程示意圖。通過CMTS進行的數(shù)據(jù)傳送可能是透明的橋接，或利用網(wǎng)絡層傳送(路由或IP交換)。數(shù)據(jù)穿過CM是在鏈路層透明橋接的，傳送方式類似于ISO/IEC10038，但DOCSIS做了一些修改，這些修改允許支持多種網(wǎng)絡層。圖5-13通過CM和CMTS進行數(shù)據(jù)的傳送應該指出，在MAC層，上行和下行信道之間的數(shù)據(jù)傳送與傳統(tǒng)的局域網(wǎng)(LAN)傳送不同，因為上行信道是在共享媒質(zhì)上進行點到點的傳輸，而下行信道是在共享媒質(zhì)上進行點到多點的傳輸。另外上行信道的RF特性和下行信道的也有很大的不同。

CM對于住宅用戶可以支持IEEE802.1D生成樹(STP)協(xié)議(DOCSIS做了一些修改)，對于商業(yè)用戶則必須支持。CM和CMTS都必須具備過濾802.1D的BPDU(BridgeProtocolDataUnit)報文的能力。

數(shù)據(jù)轉發(fā)的詳情可參閱有關協(xié)議。5.8.2下行物理層

DOCSIS協(xié)議標準規(guī)定了HFC有線電視網(wǎng)絡上用戶的CM和電纜調(diào)制解調(diào)器終端系統(tǒng)(CMTS)之間進行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)程和指標。用于下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄OCSIS協(xié)議棧的PHY層可以分為以下兩個子層：

(1)PMD子層(下行和上行)；

(2)下行TC子層，它夾在PMD子層和MAC層之間，只用于下行的數(shù)據(jù)傳輸。該子層提供在下行物理層的比特流上附加諸如數(shù)字視頻(DigitalVideo)之類業(yè)務的能力。

下面將討論這些子層的技術規(guī)范。下行PMD子層規(guī)定了CM和CMTS的RF傳輸參數(shù)。規(guī)定下行PMD的傳輸參數(shù)是為了滿足ITU-T建議J.83附件B關于低時延視頻應用的規(guī)定。CMTS的頻率規(guī)劃遵循HRC(HarmonicRelatedCarrier)、IRC(IncrementalRelatedCarrier)標準，或遵循按照［EIAS542］制定的北美頻率規(guī)劃STD(StandardNorthAmericanFrequencyPlans)標準，基本原理是留出一個頻率間隙(42～91MHz)，以減小由于非線性失真和上行到下行頻帶的寄生噪聲泄露引起的潛在的性能劣化。表5-7總結了DOCSIS標準的CMTSRF輸出參數(shù)。在表5-7中，帶內(nèi)總的寄生和噪聲的指標包括所有的離散寄生噪聲、干擾峰、AWGN和不希望得到的下行QAM發(fā)射機的產(chǎn)物。為了減小相鄰信道干擾對QAM傳輸信道的影響，信道外的寄生噪聲的相對幅度從－58dBc減小到－65dBc，這取決于寄生噪聲的頻率位置。表5-7

DOCSIS標準的CMTSRF輸出參數(shù)5.8.3上行物理層

上行PMD子層使用FDMA/TDMA(簡稱TDMA模式)或FDMA/TDMA/S-CDMA(簡稱S-CDMA模式)突發(fā)模式，提供六種調(diào)制速率和多種調(diào)制格式。

FDMA(FrequencyDivisionMultipleAccess)的含義是在上行頻帶中分配了多個RF頻道，CM使用其中的一個(DOCSIS1.0、DOCSIS2.0)或多個頻道(DOCSIS3.0)，并且使用的頻道可以重新配置。TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)意味著上行傳送具有突發(fā)的性質(zhì)，給定的RF頻道由多個CM通過動態(tài)指配時隙實現(xiàn)共享。S-CDMA(SynchronousCodeDivisionMultipleAccess)指的是多個CM各自使用不同的正交編碼在同一時隙、同一頻道上傳輸上行數(shù)據(jù)。CM使用TDMA還是使用S-CDMA，由CMTS通過MAC消息完成配置。

上行數(shù)據(jù)在突發(fā)方式下，采用多種調(diào)制格式。DOCSIS1.1僅支持QPSK和16QAM；DOCSIS2.0支持QPSK、8QAM、16QAM、32QAM和64QAM；DOCSIS3.0在DOCSIS2.0的基礎上增加了128QAM。

上行突發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送的各種信號處理流程如圖5-14所示。它包括R-S(Reed-Solomon)編碼、交織(僅對TDMA)、擾碼、附加前導幀、符號映射、發(fā)送均衡、整形濾波、射頻正交調(diào)制，對于S-CDMA還有TCM編碼、成幀和擴頻。圖5-14上行突發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送的信號處理流程

R-S編碼處理有多種選擇。GF(256)上的R-S碼可以從T=1到T=10中選擇，也可以不用R-S編碼。T的值根據(jù)來自CMTS的上行信道描述符來配置。

R-S的生成多項式為

g(x)=(X+a0)(X+a1)…(X+a2T+1)

其中本原元素a是0x02。在GF(256)上的R-S碼的本原多項式為

p(X)=X8+X4+X3+X2+1

上行CM發(fā)射機能夠提供的碼字的長度范圍是從18個字節(jié)(對于T=1的情況是16個信息字節(jié)加上兩個校驗字節(jié))到最大255個字節(jié)。未編碼的字長可以短到一個字節(jié)。

R-S編碼器的輸入串行比特流來自CM的MAC層，在R-S編碼器中，它被映射進R-S符號中。來自MAC的字節(jié)轉換成串行數(shù)據(jù)流的順序是自LSB至MSB。數(shù)據(jù)流的第一個比特映射進第一個R-S符號的MSB。從編碼器出來的第一個R-S符號的MSB在進入擾碼器之前映射進串行數(shù)據(jù)流的第一個比特。

在比特到符號的映射之前，符號被擾碼，以保證所有的星座點的概率相等。圖5-15是采用線性移位寄存器的擾碼器的結構。擾碼器生成的多項式為

g(X)=X15+X14+1

圖5-15上行CM發(fā)射機擾碼器的結構擾碼器的工作過程如下：首先，在每個突發(fā)開始之前，擾碼器的寄存器被清空，并且加載種子值。然后擾碼器輸出的第一個比特利用種子值與突發(fā)數(shù)據(jù)串的第一個比特進行異或計算。擾碼器輸出的第一個比特是緊跟在前導后的第一個符號的MSB。擾碼器的種子值根據(jù)來自CMTS的上行信道描述符(UpstreamChannelDescriptor，UCD)進行設置。在R-S編碼、交織(僅對TDMA)、擾碼、TCM編碼(僅對S-CDMA)塊之后附加一個預先設計好的、長度可編程的前導符號，并且前導符號的長度是調(diào)制符號的整數(shù)倍。對于DOCSIS2.0或DOCSIS3.0，前導使用QPSK0或QPSK1星座，長度最大為1024個比特(768個QPSK)。對于DOCSIS1.x，前導使用QPSK0或16QAM星座，長度最大為1024個比特(512個QPSK或256個QAM符號)。前導圖案的第一個比特也是進入符號映射器的第一個比特，由被稱為前導值偏置(PreambleValueOffset，PVO)的變量指定。前導符號的長度和數(shù)值也是根據(jù)CMTS發(fā)送的UCD消息進行配置的。上行CM發(fā)射機接下來的組成部分是符號映射器、預均衡器、SRRC脈沖整形濾波器和調(diào)制器。通常，上行傳輸特性被分成信道參數(shù)、突發(fā)波形屬性和特殊的用戶參數(shù)3個部分。信道參數(shù)包括調(diào)制后的符號速率、中心頻率、1536比特的前導字符串和S-CDMA信道參數(shù)(對于DOCSIS3.0)。下面概括一下DOCSIS標準規(guī)定的CM的上行傳輸特性。

1.上行信道的頻譜參數(shù)和指標

上行信道的頻譜與所允許的符號速率、信道的中心頻率、整形濾波器的特性有關。表5-8是DOCSIS1.x～3.0規(guī)定的不同的符號速率和對應的上行信道的最大帶寬。上行的頻譜通過奈奎斯特SRRC脈沖整形濾波器(Nyquistsquare-rootraised-cosinepulse-shapingfilter)進行整形，滾降因子a為25％。

信道的最大帶寬由下式給出：

信道最大帶寬=符號速率×(1+a)表5-8上行符號速率和信道的最大帶寬

2.突發(fā)波形

為了成功傳送上行數(shù)據(jù)包，CM每個突發(fā)的產(chǎn)生都必須在合適的時間，這個時間以“小時隙(mini-slot)”為單位，由CMTS授予，并通過MAP(帶寬分配映像)消息提供給CM。所有突發(fā)波形的屬性都是由CMTS通過UCD(上行信道描述符)中的突發(fā)描述符規(guī)定的，再經(jīng)由MAP給定。表5-9和表5-10總結了突發(fā)波形的屬性(共性)和對用戶敏感的突發(fā)參數(shù)(個性)。表5-9

DOCSIS的突發(fā)波形屬性表5-10

DOCSIS3.0對用戶敏感的突發(fā)參數(shù)對用戶敏感的參數(shù)可隨每一個用戶的具體情況而變，即使在同一個信道上使用同一種突發(fā)類型的另一個用戶，其參數(shù)也可能不一樣，例如功率電平。

CM的測距過程可以提供正確的定時偏移，使傳送的數(shù)據(jù)包沿正確的小時隙邊界排列。因為CM和CMTS之間的定時延時基本上是固定的，所以任何額外的時延都被CMTS認為是傳送數(shù)據(jù)包的防衛(wèi)時間，以保持上行TDMA傳輸?shù)耐?。?-10中的測距偏移參數(shù)是指CM的上行幀時間基準和CMTS的上行幀時間基準之間的偏差，它大約為信號在CM和CMTS之間傳輸一個來回所引入的時間增量，在TDMA和S-CDMA方式下需要這個參數(shù)完成上行傳送的同步。CMTS根據(jù)一個或多個突發(fā)的成功接收(經(jīng)過糾錯和校驗)向CM提供該偏移量的反饋校正。這里，負反饋意味著偏移量的減少。CMTS在測距響應MAC(RangingResponseMAC)消息中向CM發(fā)送定時校正命令，作為CM執(zhí)行的結果，新的定時在CM中生效。圖5-16是上行CM發(fā)射機預均衡器的結構。上行CM發(fā)射機中的自適應預均衡也稱為預編碼，是消除傳輸信道中線性失真影響的好方法。預均衡器有兩種工作模式，即DOCSIS1.1模式和DOCSIS2.0模式。DOCSIS1.1模式支持以符號周期T為間隔的預均衡器結構，抽頭數(shù)為8，也可以支持每個符號采1、2或4個樣點(即采樣周期為T、T/2或T/4)，同時預均衡器的長度也可以超過8個符號。對于DOCSIS2.0模式，預均衡器的結構為以符號周期T為采樣周期，抽頭數(shù)為24。在CMTS中，上行信道的特性通過突發(fā)接收機得到，它利用測距響應消息(RNG-RSP)為CM發(fā)射機發(fā)送更新的預均衡器參數(shù)。搜索響應消息(RNG-RSP)作為CMTS對于CM的接收測距請求(RNG-REQ)的應答。圖5-16上行CM發(fā)射機預均衡器的結構在CM發(fā)出初始的RNG-REQ之前，或者上行信道頻率或符號速率發(fā)生了變化時，CM都必須把預均衡器的系數(shù)初始化為默認的設置，即除了第一個抽頭的實數(shù)系數(shù)(即F1，RNG-RSP中的參數(shù))外，其余所有的系數(shù)都是零。一旦CM的位置發(fā)生變化，將由CM(而不是由CMTS)來補償時延(測距偏移)，這是由于要將預均衡器系數(shù)的主抽頭的位置從原先的位置移向新的位置，而CMTS只是發(fā)出時延值。然后，預均衡器的系數(shù)通過隨后的測距過程(單次初始測距和周期性測距)被更新。在DOCSIS1.1的預均衡器模式中，在進行周期性的測距期間，CMTS不得改變主抽頭的位置，也不得指令CM加載發(fā)送預均衡器的系數(shù)。在DOCSIS2.0的預均衡器模式中，在單次初始測距和周期性測距過程中，CMTS可以改變主抽頭的位置。在每個RNG-RSP中可以包含均衡器的系數(shù)，但是一般情況下它們只出現(xiàn)在CMTS確認信道響應有很大變化的時候。RNG-RSP中均衡器系數(shù)變化的頻率由CMTS決定。CM必須把預均衡器的系數(shù)歸一化，以保證正確的操作(如沒有溢出或裁切)。CM不得因均衡器系數(shù)的更新造成的增益(或損耗)而改變它的目標發(fā)送功率。

DOCSIS標準要求CM具備在不同的突發(fā)波形之間切換的能力，并且在相繼的突發(fā)波形之間沒有重新配置的時間。但是，如果輸出功率、符號速率、頻率偏移、信道頻率、測距偏移、預均衡器參數(shù)等突發(fā)波形參數(shù)發(fā)生變化，則CMTS必須為CM安排至少96個符號的重新配置時間。

3.脈沖定時

圖5-17是正常的TDMA信道的突發(fā)定時關系。如果符號率為Rs，則符號以Ts=1/Rs為周期出現(xiàn)。由于符號整形濾波器和發(fā)送均衡器的影響，使得符號在時域上向遠離Ts的兩邊擴展，形成了上坡和下坡。在圖中，上、下坡時間都是10個符號，防衛(wèi)帶是8個符號，并且假定沒有定時誤差。可以看出，定時的參考是每個突發(fā)的第一個符號的符號中心。因此，96個符號的重新配置時間的測量是從一個突發(fā)的最后一個符號的中心到下一個突發(fā)的第一個符號的中心。如果CM的輸出功率的變化大于1dB或小于1dB，那么重新配置的時間要在96個符號的基礎上分別加10μs和5μs。需要指出的是，上行CM發(fā)射機的輸出功率在TDMA突發(fā)期間基本上是常數(shù)(變化小于±0.1dB)，需要改變時，CMTS會提供在突發(fā)波形之間的足夠的時間。如果信道的頻率發(fā)生了變化，那么重新配置的時間為96個符號再加上100ms。

圖5-18是CM在最壞情況下的TDMA信道的突發(fā)定時關系。在這個例子中，突發(fā)N晚到了1.5個符號，而接下來的第N+1個突發(fā)早到了1.5個符號，但仍維持著5個符號的間隔。防衛(wèi)帶減少了，它是DOCSIS協(xié)議要求的連續(xù)的突發(fā)之間最短的時間間隔。圖中給出了與8個符號防衛(wèi)帶的對比。圖5-17正常的TDMA信道突發(fā)定時圖5-18最壞情況下的上行TDMA突發(fā)定時

4.上行的寄生功率輸出

由于上行信道的環(huán)境比較惡劣，因此需要改善CM傳輸?shù)谋Ｕ娑?。這個基本原理使DOCSIS標準在不同的頻帶內(nèi)對上行和下行寄生功率電平的限制要比CM傳輸?shù)耐话l(fā)的功率電平要嚴格。工作在給定的符號速率下的CM的傳輸特性會受到其它工作在不同的符號速率下的CM的相鄰信道的寄生發(fā)送的影響。表5-11規(guī)定了在突發(fā)傳輸期間(激活狀態(tài))和突發(fā)之間(空閑狀態(tài))的CM的寄生發(fā)送功率電平。其中的帶內(nèi)寄生發(fā)送包括噪聲、載波泄漏、時鐘線輻射、綜合寄生產(chǎn)物以及其它不希望的發(fā)射產(chǎn)物，但不包括ISI(符號間干擾)。突發(fā)傳輸期間帶內(nèi)寄生發(fā)送的測量帶寬在數(shù)量上等于調(diào)制速率(例如1280kHz、5120kHz)，兩個突發(fā)之間帶內(nèi)寄生發(fā)送的測量帶寬為160kHz。突發(fā)傳輸期間的帶外寄生功率的測量是在相鄰信道的頻率范圍內(nèi)完成的，測量的頻率范圍與相鄰信道的符號速率有關，并且測量的頻率范圍并不是從信道的邊界開始的，而是從信道帶寬的12.5％處開始的。例如，對于200kHz的信道帶寬只有160kHz的噪聲帶寬(即測量帶寬為160kHz)，或在信道頻帶的每一邊有20kHz的額外帶寬。因此帶外突發(fā)期間的寄生測量的范圍是從信道邊界的20kHz開始，直到180kHz。5～42MHz頻帶內(nèi)上行寄生發(fā)射功率的測量帶寬在數(shù)量上也等于調(diào)制速率，其頻帶范圍的下界從220kHz開始，隨著速率的翻番，以20kHz為增量增加。另外，CM必須在TDMA突發(fā)之前、突發(fā)的上坡前和上坡期間、突發(fā)的下坡期間和下坡之后、突發(fā)之后控制它的寄生發(fā)射電平，這是由于它是關于突發(fā)的開和關的瞬態(tài)過渡過程。諸如上行發(fā)送輸出端電壓的改變、發(fā)送器的使能和禁止這類由于開／關動作產(chǎn)生的寄生輸出電平必須小于100mV，并且這類階躍以恒定斜率變化時其時間不能快于2μs，這項要求適用于發(fā)送功率在+55dBmV以上的CM。表5-11

CM的上行寄生發(fā)送的規(guī)范

5.突發(fā)的幀結構

CM既可以工作在固定長度碼字模式下，也可以工作在縮短的最后碼字模式下。前者用于數(shù)據(jù)包的長度等于一個碼字內(nèi)所能容納的信息字節(jié)的數(shù)量的情況，后者則用于數(shù)據(jù)包的長度超過了一個碼字內(nèi)所能容納的信息字節(jié)的數(shù)量但少于兩個碼字能容納的數(shù)量的情況。一個碼字包括FEC奇偶字節(jié)和負荷數(shù)據(jù)字節(jié)，其中信息字節(jié)最少是16個字節(jié)。這兩種模式如圖5-19所示。在固定長度的碼字中，前導從小時隙的邊界開始，并且在所有的數(shù)據(jù)進行編碼之后會出現(xiàn)“1”填充，以滿足每個碼字k個字節(jié)的要求?！?”填充會一直持續(xù)下去，直到突發(fā)結束之前不會再插入額外的固定長度碼字。在縮短的最后碼字模式中，假定k′(k′<k)是突發(fā)信息被分割成完整碼字后的剩余部分，每個完整碼字含有k個突發(fā)數(shù)據(jù)字節(jié)。在縮短的最后碼字中，設k″是剩余的突發(fā)字節(jié)加上“1”填充字節(jié)。在這種模式中，CM用“1”值填充(k″－k′)個字節(jié)，以滿足小時隙的尺度要求，在大多數(shù)情況下，它是下一個小時隙的邊界。對于圖5-19中的模式2，數(shù)據(jù)包的長度滿足下面的關系：

k+k′≤k+k″≤2k

應該指出，如果在附加碼字的“1”填充之后，每個碼字都是k個字節(jié)，在突發(fā)結束前剩余的字節(jié)數(shù)小于16，那么CM不必產(chǎn)生縮短的碼字(考慮到前導、FEC奇偶校驗等)。圖5-19具有靈活突發(fā)長度的幀結構舉例5.8.4下行傳輸匯聚子層

下行傳輸匯聚子層(DownstreamTransmissionConvergrnceSublayer，TC)的目的是在PMD子層和MAC層之間提供通用的接口。DOCSIS要求將下行MAC包封裝在MPEG2傳輸流(MPEG2TransportStream，MPEG-TS)的幀結構內(nèi)向下行傳送。承載DOCSIS數(shù)據(jù)的MPEG數(shù)據(jù)包的格式如圖5-20所示。MPEG-TS幀定義為具有4個字節(jié)字頭的、總長度為188個字節(jié)的幀，其負荷部分為183或184個字節(jié)。4個字節(jié)的MPEG字頭中的13個比特稱為程序標識符(ProgramIdentifier，PID)，用來區(qū)分MPEG負荷的內(nèi)容是承載的DOCSISMAC負荷，還是數(shù)字視頻負荷。MPEG字頭的格式符合MPEG標準，但是它的數(shù)值范圍受到限制，以防止包含了MPEG數(shù)據(jù)包中的適配區(qū)。圖5-20

DOCSIS協(xié)議的MPEG數(shù)據(jù)包的格式字頭中還有一個稱為負荷單元開始指示(PayloadUnitStartIndicator，PUSI)的比特。如果PUSI比特設置了，那么在MPEG字頭之后的第一個字節(jié)稱為指針區(qū)，于是負荷部分的長度為183個字節(jié)。指針區(qū)的存在，指出在這183個字節(jié)的負荷中有一個DOCSISMAC包開始傳送，而指針的值則指出在這個DOCSISMAC包開始前應跳過的字節(jié)數(shù)。如果這個應跳過的字節(jié)數(shù)是上一個DOCSISMAC包的尾部，則在這183個