第03章-HFC与Cable-Modem技术课件

第三章第三章 HFC与与Cable Modem技术技术宽带接入网宽带接入网1本章内容本章内容n传统的有线电视网络传统的有线电视网络CATVn新一代有线电视网络新一代有线电视网络-HFCnCable Modem技术技术nHFC的数字化发展方向的数字化发展方向03-Dec-202本章重点及要求本章重点及要求n本章重点本章重点CATV网络的结构及局限性；双向HFC网络的结构以及网络传输环境；Cable Modem技术n本章要求本章要求掌握HFC的网络结构以及这种结构潜在的问题；掌握Cable Modem接入的结构、工作原理及MAC技术；了解Cable Modem技术标准及发展趋势；03-Dec-203传统的有线电视网络传统的有线电视网络CATV-特点及结构特点及结构nCATV(Community Antenna TeleVision)，共用天线电视，共用天线电视。为特定的业务(单向视频广播业务)而优化设计；通信方式：单向(下行)、广播式；介质：同轴电缆；频带：50550MHz；复用技术：FDM；模拟传输方式。03-Dec-204传统的有线电视网络传统的有线电视网络CATV-网络组成网络组成n头端头端信号的接收与处理中心；接收来自各种信号源的电视信号(卫星、本地)；将接收到的各路信号调制到一个6(8)MHz频道；通过FDM合路器下传到干线，送往千家万户。n干线网干线网连接头端和信号分配点之间的电缆与设备；距离一般为15km。n配线网配线网连接信号分配点之间和用户之间的电缆与设备；包括信号分配器、同轴电缆、放大器、分支器、引入线等；距离一般为13km；03-Dec-205传统的有线电视网络传统的有线电视网络CATV-设备组成设备组成n合路器：合路器：使用使用FDM方式将多路有线电视信号组合；方式将多路有线电视信号组合；n信号分配器：信号分配器：将干线信号分成几路，以覆盖更大范围；将干线信号分成几路，以覆盖更大范围；n分配线：分配线：连接信号分配点与分支器，中间有放大器；连接信号分配点与分支器，中间有放大器；n分支器：分支器：用户的接入点；用户的接入点；n下引线下引线(引入线引入线)：用户接入线缆；用户接入线缆；n放大器：放大器：对信号放大，以传送更远距离。对信号放大，以传送更远距离。03-Dec-206传统的有线电视网络传统的有线电视网络CATV-系统组成系统组成03-Dec-207传统的有线电视网络传统的有线电视网络CATV-CATV网络的局限性网络的局限性n业务单一：业务单一：视频；视频；n单向通信：单向通信：只能下行通信，不能双向交互；只能下行通信，不能双向交互；n网络结构脆弱：网络结构脆弱：树形结构，只要一个地方或设备故障，树形结构，只要一个地方或设备故障，可能中断对众多用户的服务。可能中断对众多用户的服务。传统的传统的CATV已不能满足现代业务已不能满足现代业务(交互式、综合交互式、综合 业务业务)需求，双向改造势在必行。需求，双向改造势在必行。03-Dec-208本章内容本章内容n传统的有线电视网络传统的有线电视网络CATVn新一代有线电视网络新一代有线电视网络-HFCnCable Modem技术技术nHFC的数字化发展方向的数字化发展方向03-Dec-209新一代有线电视网络新一代有线电视网络HFC-概念概念nHFC：Hybrid Fiber Coax，光纤同轴混合。，光纤同轴混合。HFC原来指采用光传输系统代替CATV中的干干干干线线线线传传传传输部分输部分输部分输部分，而用户分配网仍保留同轴电缆网络结构。HFC网是在CATV网络基础上进行改造，利用光纤传输的宽频特性，在保留原有CATV视频业务的同时，用多余的频带传输电话业务、高速数据业务和个人通信业务，构成双向的、综合业务的传输网络。03-Dec-2010新一代有线电视网络新一代有线电视网络HFC-网络结构网络结构 上图是光纤到服务区的结构示意图。每个服务区物理上为一个独立的上图是光纤到服务区的结构示意图。每个服务区物理上为一个独立的子网，不同的服务区可采用相同的频谱，彼此不干扰。子网，不同的服务区可采用相同的频谱，彼此不干扰。HFC双向网络结构03-Dec-2011新一代有线电视网络新一代有线电视网络HFC-网络组成网络组成n头端头端信号的接收与处理中心；接收来自各种信号源的电视信号(卫星、本地)；将接收到的各路电视信号调制到一个6(8)MHz频道；通过FDM合路器下传到干线，送往千家万户。接入到PSTN、Internet。n光纤干线网光纤干线网头端到服务区光节点之间的部分(光纤)；拓扑结构为星形。n配线网和下引线完全同配线网和下引线完全同CATV(放大器除外放大器除外)，拓扑结构为树，拓扑结构为树形。形。03-Dec-2012新一代有线电视网络新一代有线电视网络HFC-对对CATV的改进的改进n主干采用光纤代替同轴电缆和放大器主干采用光纤代替同轴电缆和放大器n引入光节点引入光节点光纤与配线网的接口（光光纤与配线网的接口（光/电变换及反变换）电变换及反变换）n双向放大器代替原有的单向放大器双向放大器代替原有的单向放大器n重建头端重建头端增加接入PSTN的设备（DLC（数字环路载波）或PSTN交换机）增加接入Internet的设备（Router或网关）保留原视频接收机增加话音、数据、视频合路和分离的设备增加光发射器和光接收器增加网络管理设备或接口03-Dec-2013新一代有线电视网络新一代有线电视网络HFC-双向双向HFC的优势的优势n取消主干上的放大器，提高信号质量和可靠性取消主干上的放大器，提高信号质量和可靠性n在主干上采用光纤，提高了容量，为宽带接入奠定在主干上采用光纤，提高了容量，为宽带接入奠定了基础了基础n为双向交互式通信提供了网络条件为双向交互式通信提供了网络条件n通过通过Cable ModemCable Modem可实现全业务通信（数据、话音、可实现全业务通信（数据、话音、图像）图像）03-Dec-2014新一代有线电视网络新一代有线电视网络HFC-HFC的频谱划分的频谱划分03-Dec-2015新一代有线电视网络新一代有线电视网络HFC-HFC存在的问题存在的问题n可靠性问题可靠性问题虽然主干采用光纤后，减少了许多放大器；但配线网仍有一些，一个放大器故障可能会中断一片。n安全性问题安全性问题共享介质存在安全隐患。n供电问题供电问题必须给放大器供电。n操作、管理和维护问题操作、管理和维护问题提供完善的服务、管理和维护，HFC营运者尚需努力。n上下行信道多干扰，会对数据通信产生影响上下行信道多干扰，会对数据通信产生影响03-Dec-2016本章内容本章内容n传统的有线电视网络传统的有线电视网络CATVn新一代有线电视网络新一代有线电视网络-HFCnCable Modem技术技术nHFC的数字化发展方向的数字化发展方向03-Dec-2023Cable Modem技术技术-概述（概述（1/3）n电电缆缆调调制制解解调调器器(Cable Modem)是是一一种种可可通通过过有有线线电电视视(CATV)网络实现高速数据接入网络实现高速数据接入(如接入如接入Internet)的设备。的设备。Cable Modem至少有两个接口，一个用来接墙上的有线电视端口，另一个与计算机相连。Cable Modem简称CM。Cable Modem技术是基于双向HFC网络，使用共享介质方式实现高速数据传输的一种宽带接入技术。采用频分复用的方法实现数据业务和传统的CATV业务共存；采用频分复用的方法实现上、下行双向通信(上行：频分复用时分复用)。03-Dec-2024Cable Modem技术技术-概述（概述（2/3）03-Dec-2025Cable Modem技术技术-概述（概述（3/3）03-Dec-2026Cable Modem技术技术-标准体系标准体系nCable Modem技术有两个标准体系：技术有两个标准体系：IEEE802.14，该体系以ATM为核心。MCNS(多媒体线缆网络系统有限公司)的DOCSIS(Data Over Cable Service Interface Specifications，电缆业务上的数据接口规范)。该体系以IP为核心。目前，DOCSIS标准占主导地位，主流的CM设备都符合DOCSIS规范。03-Dec-2027Cable Modem技术技术-系统结构系统结构nCMTS：Cable Modem Termination System，电缆调制解调器端接系，电缆调制解调器端接系统统头端接入设备；连接数据网与HFC；对数据的进行调制、解调以及其它的一些处理；对所有CM的接入进行管理和控制(授权、认证)；给CM分配带宽并进行管理。nCM，Cable Modem，电缆调制解调器，电缆调制解调器连接用户的PC与HFC网络；对网络和用户数据进行调制/解调，并传输；实现网络与用户数据的双向交互。n配线网和下引线完全同配线网和下引线完全同CATV(放大器除外放大器除外)，拓扑结构为树形。，拓扑结构为树形。03-Dec-2028Cable Modem技术技术-CM技术分类技术分类n电电缆缆调调制制解解调调器器（Cable Modem）是是一一种种可可以以通通过过有有线线电电视视网网络络进行高速数据接入的装置。进行高速数据接入的装置。从传输方式角度来看，可分为双向对称式传输和非对称式传输。从数据传输方向来看，有单向传输和双向传输之分。从网络通信角度来看，Modem可分为同步（共享）和异步（交换）两种方式。从接入角度来看，可分为个人Cable Modem和宽带Cable Modem（多用户），宽带Modem可以具有网桥的功能，可以将一个计算机局域网接入。从接口角度来看，可分为外置式、内置式和交互式机顶盒。03-Dec-2029Cable Modem技术技术-CM工作原理工作原理n工作原理工作原理每个每个CM都有一个都有一个MAC地址地址(48位，制造商给定位，制造商给定)；CM的接收器能调谐到任何一个下行信道接收数据；的接收器能调谐到任何一个下行信道接收数据；CM能在任何一个上行信道上发送数据；能在任何一个上行信道上发送数据；CM发送数据前要向发送数据前要向CMTS申请带宽申请带宽(申请时隙申请时隙)；上行帧为小时隙流格式；上行帧为小时隙流格式；下行帧格式为下行帧格式为MPEG-2，其中可以封装，其中可以封装ATM信元或可变长分组信元或可变长分组。03-Dec-2030Cable Modem技术技术-CM工作流程工作流程n工作过程工作过程CM加电后与头端CMTS取得同步；CM扫描所有下行频道，寻找有效控制信息(广播信息)一般CM首选对上次使用过的频道进行搜索(内存保存)获取上行信道参数并请求注册；CM收到头端发来的上行信道传输参数CM根据参数中指点的上行通路向头端发送注册请求消息注册认可，开始认证、密钥交换、测距、初始化；进行带宽请求与分配；在分配的带宽里上传数据，实现与网络的交互；只要不断电，CM就一直处于在线状态。03-Dec-2031Cable Modem技术技术-CM参考模型（参考模型（1/3）CM参考模型03-Dec-2032Cable Modem技术技术-CM参考模型（参考模型（2/3）n物理层：由物理层：由PMD子层和子层和TC子层构成子层构成PMD，物理介质相关子层分为发送PMD和接收PMD；提供物理接口、信号的调制/解调、比特流同步等。TC子层，传输会聚子层提供与MAC的接口，对MAC帧进行分片与重组；形成在信道上传输的数据(帧)格式；完成PDU的定界；完成同步(定期接收头端广播的参考时钟，并调整本地时钟)、测距(由于各CM到CMTS距离不等，为了避免时隙重叠，为了均衡时延需要进行测距)和功率调整(使各CM到CMTS的电平基本相同)。03-Dec-2033Cable Modem技术技术-CM参考模型（参考模型（3/3）n CM和头端和头端MAC层，完成以下功能层，完成以下功能 CM接入的合法性认证 完成信息处理和流量控制 多个CM信道竞争的冲突分解 各CM带宽的请求、分配与管理03-Dec-2034Cable Modem技术技术-CM物理层技术要点（物理层技术要点（1/6）n调制技术调制技术选择时主要考虑信道利用率和抗干扰能力；Cable Modem的调制方式为QAM（正交振幅调制）和QPSK（正交相移键控调制）；上行：QPSK、16QAM；下行：64QAM、256QAM；QAM的信道利用率比QPSK高，但QPSK的抗干扰性更好。03-Dec-2035Cable Modem技术技术-CM物理层技术要点（物理层技术要点（2/6）n下行帧结构下行帧结构下行帧结构为MPEG-2帧MPEG:Motion Picture Experts Group Compression Algorithm 2（运动图像专家组压缩算法2）一个MPEG帧由头部和载荷组成（共188字节）基于ATM的CM：4字节头部184字节载荷基于IP的CM：4字节头部1字节指针域（可选）183/184字节载荷一个MPEG可封装多个MAC帧一个MAC帧可能被分片，由多个MPEG帧承载03-Dec-2036Cable Modem技术技术-CM物理层技术要点（物理层技术要点（3/6）CM下行帧结构下行帧结构03-Dec-2037Cable Modem技术技术-CM物理层技术要点（物理层技术要点（4/6）n 上行帧结构上行帧结构上行帧结构为小时隙流上行信道承载三种PDU（管理、请求、数据）CM上行帧结构上行帧结构03-Dec-2038Cable Modem技术技术-CM物理层技术要点（物理层技术要点（5/6）n上行信道的时隙划分上行信道的时隙划分上行信道的传输方式：FDMATDMA每个时隙称为minislot每个minislot是上行信道带宽分配的基本单位n上行信道承载的上行信道承载的MAC PDU类型类型信道请求PDU：Request PDU(miniPDU)，占1个minislot数据传输PDU：data PDU，一般占多个minislot管理信息PDU：manage PDU，占多个时隙 不同的PDU在头部由不同的类型表示03-Dec-2039Cable Modem技术技术-CM物理层技术要点（物理层技术要点（6/6）上行帧格式(小时隙流)03-Dec-2040Cable Modem技术技术-CM MAC层技术要点（层技术要点（1/6）n上行信道的带宽请求与分配上行信道的带宽请求与分配带宽的请求与分配由CM与CMTS交互实现CM向CMTS请求，由CMTS分配与管理上行带宽由一些小时隙来表征CMTS可保留一些时隙固定分配给一些特殊的业务和用户将剩下的一些时隙用于一般用户通过竞争上传数据专门的带宽请求捎带请求相结合CM要发送数据时，先向头端CMTS申请带宽，由CMTS根据资源情况进行分配和管理CM在发送数据时有新数据要发，直接在发送数据时捎带对新数据发送带宽的请求03-Dec-2041Cable Modem技术技术-CM MAC层技术要点（层技术要点（2/6）n上行带宽的请求与分配过程上行带宽的请求与分配过程待发数据的CM，从下行信道获取头端对上行带宽分配的广播信息(MAP PDU),从中选取一个空闲的minislot，CM通过上行信道在选取的minslot内发送一个request PUD后等待头端的ACK；如果请求冲突，则按某种算法进行冲突分解，并再次请求；请求成功，会收到正确的ACK，对CM的发送时刻及允许发送的minislot个数（可能与申请的个数相同，也可不同）进行响应；CM根据分配信息，在指定的上行时隙内发送data PDU（发送数据时是不会产生冲突的）；如果发送数据时又有新数据要发，则可采用捎带技术在data PDU中将请求一起发给头端，无需用Request PDU重新申请。03-Dec-2042Cable Modem技术技术-CM MAC层技术要点（层技术要点（3/6）专门的带宽请求捎带请求相结合专门的带宽请求捎带请求相结合03-Dec-2043Cable Modem技术技术-CM MAC层技术要点（层技术要点（4/6）n冲突分解机制冲突分解机制CM系统基于HFC，是一种点到多点结构；上行共享带宽，同时发送会产生冲突；冲突发生在上行带宽请求的过程中，在传输数据时不会发生冲突；CM不能通过硬件检测到冲突的发生；CM根据自己发送请求后，没有定期收到CMTS的ACK，判定冲突可能产生；当请求发生冲突时，必须进行冲突分解。IEEE802.14 采用基于树的分解算法和P坚持DOCSIS采用二进制指数退避算法03-Dec-2044Cable Modem技术技术-CM MAC层技术要点（层技术要点（5/6）nDOCSIC二进制指数退避算法描述二进制指数退避算法描述由头端CMTS通知CM一个退避窗口指数大小，如2,7（以下说明均在此条件下）；首次发送请求时，退避窗口0,22-1，推迟发送的时隙数为窗口中的任何一个数；如首次请求冲突，退避窗口增大1倍，即为0,23-1，意味着再次请求的推迟时隙数07中的任何一个数，最多可推迟7个时隙；依此类推，本例中最大的退避窗口为0,27-1；当退避窗口大于最大值时，抑制保持最大窗口；直到请求成功或冲突达到一个门限值时（一般为16次），CM放弃请求。03-Dec-2045Cable Modem技术技术-CM MAC层技术要点（层技术要点（6/6）n安全与认证机制安全与认证机制 Cable Mpdem系统与其他共享介质一样，存在安全隐患，系统与其他共享介质一样，存在安全隐患，需要采取措施解决需要采取措施解决n措施：措施：ID认证加密认证加密ID：CM的标识（48位MAC地址）CM注册时，向CMTS发送ID号，用于初始认证若ID合法，则进行密钥交换，否则为非法用户CM得到正确的密钥，便可对数据加密03-Dec-2046Cable Modem技术技术-CM 标准及其演进标准及其演进nMCNS：Multimedia Cable network SystemnDOCSIS:Data Over Cable Service Interface Specification03-Dec-2047Cable Modem技术技术-Cable Modem与与ADSL Modem的比较（的比较（1/3）Internet接入接入应用比较应用比较03-Dec-2048Cable Modem技术技术-Cable Modem与与ADSL Modem的比较（的比较（2/3）n接入性能比较接入性能比较通路带宽Cable Modem下行通路一般提供30Mbit/s以内带宽，可以由5002000个用户共享此带宽。ADSL Modem工作在点对点应用中，不可共享带宽，下行带宽可达9Mbit/s吞吐量Cable Modem带宽共享，大量用户同时传输，吞吐量增加，业务受损。ADSL Modem（假设速率为6Mbit/s）只由一个用户专用，有限的上行带宽不能进行视频电话传输。经济性在Cable Modem应用中，连接到一个用户只需要一个Modem，其费用比ADSL低。03-Dec-2049Cable Modem技术技术-Cable Modem与与ADSL Modem的比较（的比较（3/3）业务性能标准的Cable Modem可支持恒定比特率（CBR）、可变比特率（VBR）和可用比特率（ABR）业务。对ABR业务有限制。ADSL Modem也可处理CBR、VBR、ABR业务。对ABR业务无限制。可靠性Cable Modem应用中，CATV采用树型网络，故障影响面大，可靠性小。ADSL Modem采用星型网络，故障影响面小，可靠性高。安全性在Cable Modem应用中，由于共享同媒质环境，有可能会产生严重的有意或无意的线路误用、窃听和业务盗窃现象。因而需要保护线缆，增强加密和认证功能。ADSL Modem不易窃听。03-Dec-2050Cable Modem技术技术-影响影响CM运作的因素运作的因素n放大器的双向问题放大器的双向问题当前具有双向通信能力的光纤/同轴混合（HFC）系统必须使用双向工作的放大器，因而不管是上行方向还是下行方向，有效信号将被滤波后放大。但由于分支和树型拓扑结构，在上行信号的放大过程中，分离器输出变为输入，输入信号和噪声同时被放大；在下行方向，通过分离器的信号和噪声在分离器的输出端同时被衰减。n频率灵活性频率灵活性具有频率灵活性的Cable Modem是指它可以调谐到任意一个上行或下行频率。在上行方向上CM能够在它控制的任意频率上发送信号。在下行方向上，信道内过度的侵入噪声可以通过重新将CM调谐到其它下行频道和相关的上行频道而动态地隔离。具有频率灵活性且超出542MHZ范围的CM更灵活，但费用更高。03-Dec-2053本章内容本章内容n传统的有线电视网络传统的有线电视网络CATVn新一代有线电视网络新一代有线电视网络-HFCnCable Modem技术技术nHFC的数字化发展方向的数字化发展方向03-Dec-2054HFC传输的数字化发展方向传输的数字化发展方向n今天绝大多数有线电视信号采用模拟今天绝大多数有线电视信号采用模拟RF传输传输n数字传输是发展方向数字传输是发展方向n要在要在HFC上实现数字传输，模拟双向放大器必须改成数字中继器上实现数字传输，模拟双向放大器必须改成数字中继器n数字传输的优势数字传输的优势提高抗干扰能力数字信号可压缩，提高系统容量（经压缩后，现有系统可传送500个频道，是原来的610倍）03-Dec-2055 结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日