有线电视网络结构和HFC接入基础知识.docx
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有线电视网络结构和HFC接入基础知识
有线电视网络结构和HFC接入基础知识
第1章HFC产生
1.1背景
1.1.1有线电视网络差不多特点
有线电视网和网是连接千家万户的两大网络，然而这两个网络的运行机制却是完全不同，在表1-1中对网与有线电视网进行了一个简单的比较，以加深对有线电视网络的认识：
表1-1网与传统有线电视网对比
网
传统有线电视网
传输信号形状
二进制基带信号
射频信号
复用方式
时分
频分
传输方式
点对点双向连接
点对多点单向广播
接入网网络结构
星型，点对点
树型/星型，共享
用户线
双绞线〔约1MHz〕
同轴电缆，〔450MHz/550/750/860MHz〕
我们能够看到，传统的有线电视网是一个单向广播网络，网络中传输通过调制的模拟射频信号，不同的电视频道信号在网络中占用不同的频点来区分开，其用户接入同轴电缆具有远远高于线的频谱带宽。
依靠于电视制式的不同，有线电视网络也有不同的标准之分，
制式
PAL
NTSC
应用场合
亚洲，欧洲
美洲
下行每个频道带宽
8MHz
6MHz
上行频谱范畴
5～65MHz
5～42MHz
下行频谱范畴
80～860MHz
54～860MHz
1.1.2有线电视网络演进过程
早期的有线电视网络是基于完全的同轴电缆的网络，随着有线电视产业和信息技术的进展，90年代初开始，在中国原有的同轴网络部分传输管道被改造为光纤，速率多为450/550MHz，确实是我们通常所说的光纤同轴混合网，即HFC网〔HybridFiberCoax〕。
到90年代末期，原有的HFC网又掀起了一次改造浪潮，驱动力在于
i.原有HFC网络的老化需要更新
ii.用户数的急剧增加导致网络需要调整
iii.双向高速数据业务的驱动
iv.数字电视的进展对网络提出了更高的要求，交互式数字视频也提出了双向化的需求。
新改造网络的带宽多为750M/860MHz，与此同时，光节点越来越接近用户，光纤距离变长，同轴距离缩短，更重要的是，单向的HFC网络逐步被改造为双向HFC网，同时增加前端CMTS和终端CM，即能够提供宽带接入服务。
1.2现状
目前中国有线电视用户网络覆盖用户差不多超过一亿，其中差不多有约10％的网络进行了双向改造。
目前大中都市典型的单向网络结构：
经改造后小规模开展数据业务时，通常CMTS在总前端，典型组网如下图：
随着数据业务规模增长，数据城域网建设完成，大规模开展数据业务的典型组网：
第2章二、HFC网络技术概要
2.1标准简介
2.1.1概述
网络进展的同时，标准的进展也专门迅速。
CableLabs组织制定的DOCSIS/EuroDOCSIS和PacketCable标准差不多成为事实上的国际标准：
DOCSIS/EuroDOCSIS标准完善地定义了在HFC上进行高速数据通信的机制，同时得到专门成熟的应用。
PacketCable标准定义了基于DOCSIS标准所定义的双向高速HFC数据网开展实时业务的系统框架、协议体系、各个部件接口，基于该标准的业务目前处于规模实验局时期。
中国广电总局标准化所正在制定«HFC数据传输标准»，目前差不多到等待审查时期，估量在今年底前会正式公布，从技术上该标准兼容EuroDOCSIS1.1/1.0。
中国广电标准化所差不多公布上行通道建设标准«HFC网络上行传输物理通道技术规范»，该标准对指导双向改造有技术上的指导作用。
2.1.2DOCSIS/EuroDOCSIS演进和应用情形
1997年，CableLabs公布标准DOCSIS1.0，该版本定义了基于NTSC的有线电视网络的HFC的宽带数据接入的系统框架、通信协议〔重点在MAC层和物理层〕，各个设备的接口，系统的治理爱护接口。
随后，公布了基于PAL制的EuroDOCSIS1.0标准，该标准和DOCSIS1.0的核心完全一样，不同之处只是在于物理层频谱划分方案不同〔参见第一章的说明〕。
2001年，CableLabs公布了DOCSIS1.1/EuroDOCSIS1.1，该标准兼容DOCSIS/EuroDOCSIS1.0，增加定义了完善的QoS保证机制以支撑各种不同传输特点的业务，以及提高HFCMAC传输效率的级联和包头压缩机制。
2002年，在Terayon公司的大力推动下，CableLabs公布了DOCSIS2.0标准，该标准增加定义了上行物理层的SCDMA和ATDMA方式。
然而由于独家技术和作用不明显的缘故，该跟随该标准的厂家专门少，同时应用也不多。
DOCSIS/EuroDOCSIS在全球专门时北美、欧洲、韩国、日本得到广泛的应用，以北美为例，截至2002年底，CM用户差不多达到1300万，是xDSL用户的2倍。
能够说，DOCSIS的数据应用差不多专门成熟。
ResDSL用户数
CM用户数
总用户数
CM比例
美国用户数量
5,451,540
11,265,167
16,716,707
67.39%
加拿大用户数量
1,404,900
1,954,900
3,359,800
58.19%
北美总用户数量
6,856,440
13,220,067
20,076,507
65.85%
2.1.3PACKETCABLE标准演进和应用情形
CableLabs在2001年公布了PacketCable1.0，该标准定义了在DOCSIS1.1网络上传输话音的系统框架、呼叫信令、编解码、QoS机制、安全机制等。
到目前为止，仍旧没有完全符合PacketCable商业VoIP应用，目前大多停留在规模实验局时期，采纳的技术通常是PacketCable的一部分。
下面列举部分海外运营商利用HFC提供VoIP业务的信息：
◆北美TimeWarner：
今年夏天开始fieldtest。
⏹Primaryline，市话＋长途包月＄39.95，目前支持911，没有后备电源，正在考虑线路馈电的可行性
⏹Second-line，基础价格＄9.95，超出呼叫按时收费
◆北美CablevisionSystems：
今年夏天开始fieldtest
⏹Second-line,市话＋长途包月＄34.95
◆北美Comcast：
正在作Primaryline的fieldtest，覆盖18万家庭
◆北美Cox：
刚启动VoIP的fieldtest
◆欧洲callahan：
fieldtest，目前大致有8K用户，采纳DOCSIS1.1和部分PacketCable技术。
2.2回传系统建设〔噪声，回传躁声问题的的抑制，回传带宽的有效利用〕
中国广电差不多公布行业标准«HFC网络上线传输物理通道技术规范»，该标准能够有效指导双向改造。
事实上，由于技术的进展，上行通道噪声问题是能够解决的。
2.3双向数据实现原理――DOCSIS/EuroDOCSIS
2.3.1系统结构
HFC数据接入系统要紧设备包括：
电缆调制解调局端设备CMTS〔CableModemTerminationSystem〕、操作支持系统OSS〔OperationSupportSystem〕和电缆调制解调器CM〔CableModem〕等。
CMTS：
HFC网络数据接入局端设备，是数据网络和HFC模拟射频网络的连接设备，要紧完成网络数据的转发、协议处理以及射频调制解调等功能。
操作支持系统服务器〔OSSServer〕：
OSS服务器提供网络的设备治理和CM的启动配置Provisioning服务器，OSS由DHCP、TFTP、ToD、LOG、SNMP服务器组成
CM：
连接HFC网和用户终端，要紧完成的功能包括HFC网和用户数据网络〔或者数据设备〕之间的数据转发、协议处理以及调制解调等功能。
HFC数据接入系统差不多结构如图所示：
图2-1HFC数据接入系统差不多组成
2.3.2通信协议框架
DOCSIS定义的通信协议是基于IP的，CMTS和CM所支持的协议如下图，在那个协议栈中，核心的部分在于基于HFC的物理层和MAC层通信协议。
CMTS能够作为二层或者三层的转发设备，CM为二层转发设备。
2.3.3物理层技术
利用HFC网构造通信网的基础技术是数字调制技术，即通过改变射频载波的相位、频率或者幅度，使射频的带通信号携带了丰富的二进制信息。
或者简单地说，数字调制技术确实是二进制数字信号和模拟带通信号的一个转换技术。
数字调制也称为〝键控〞，常用的调制方法包括：
幅移键控〔ASK〕，频移键控〔FSK〕，相移键控〔PSK〕及它们的改进与变形。
其中由于相移键控〔多相相移键控〕具有较高的频谱利用率，较强的抗干扰性能而在通信系统中得到了广泛地应用，成为一种要紧的调制方式。
专门是四相相移键控QPSK，下面就以QPSK为例来建立数字调制的差不多概念。
QPSK是一种恒定包络的数字调制，这就意味着调制载波的相位随着调制信号的1或0而改变，而它的幅度是不发生变化的。
四相相移键控有四种不同的调制相位，每一种相位对应着不同的输入，分别为：
00、01、10、11。
表1-3QPSK的可能的相位对应表；
表2-1QPSK的相位对应表
二进制输入
QPSK
QI
00
01
10
11
输出相位
-135
-45
+135
+45
用调制信号的矢量端点分布图来表示调制情形的图称为星座图。
星座图中定义了一种调制技术的两个差不多参数：
（1）调制信号相关于载波的幅度和相位的变化，星座点到原点的距离表示调制信号的幅度，星座点相关于水平正半轴的旋转角度表示调制信号相关于载波的相位变化；
（2）星座点与调制数字比特之间的对应关系，称为〝映射〞，即每个星座点对应多个比特的二进制信息。
一种调制技术的特性能够由信号分布和映射关系来完全定义，也就能够由星座图来完全表现。
QPSK调制方式的星座图，如图1-5所示：
图2-2QPSK调制方式的星座图
QPSK调制只利用了载波的相位，因此它的星座点只分布在半径相同的圆周上。
为了进一步增加传输信号的数据率，提高频谱的利用率。
HFC数据接入系统中还采纳了正交幅度调制〔QAM〕。
QAM是对载波的振幅和相位同时进行数字调制的一种复合调制方式。
例如，图1-6是64QAM的星座图：
图2-364QAM的星座图
64QAM的星座图中有64个星座点，每个星座点映射了6个比特，同时这些星座点也对应了载波的64种幅度和相位的不同组合。
在调制解调的过程中，确实是依照星座图来对载波信号和信息数据比特来进行转换的。
相似的，M-QAM即正交幅度调制中载波矢量的端点个数为M。
其中M能够等于4,16,32,64,128……等等。
M-QAM的调制方式能够调制〔log2M〕个比特。
当M=4时，4QAM和QPSK的星座图相同。
M-QAM同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下，QAM星座图中能够容纳更多的星座点，可实现更高的调制效率和频带利用率。
各种不同的调制方式具有不同的抗干扰性能。
调制方式的抗干扰性可由相邻星座点之间的最小距离来衡量，最小距离越大，抗击噪声等干扰的能力越强。
QAM调制的星座点之间的最小距离小于PSK方式，因此其抗干扰性不如PSK方式。
比如，要同样达到10－7误码率，256QAM方式要求的信噪比要远高于QPSK方式。
各种调制方式与误码率之间的对应关系见图1-7：
图2-4调制方式和误码率
在HFC数据接入系统中，上行信道的噪声干扰较为严峻，因此采纳了抗干扰性能较强的QPSK或16QAM作为其调制方式；下行信道的传输环境比较理想，数据传输的需求也相对较大，因此能够采纳调制效率较高的64QAM或256QAM调制方式。
表1-4表示了在HFC系统中采纳的各种调制方式与传送的数据率的对应关系：
调制方式
带宽
符号率
数据速率
净载速率
下行
QAM-2568b/Sym
6MHz
5.36MSps
42.88Mbit/s
约38Mbit/s
8MHz
6.952MSps
55.62Mbit/s
约51Mbit/s
QAM-646b/Sym
6MHz
5.057MSps
30.34Mbit/s
约27Mbit/s
8MHz
6.952MSps
41.7Mbit/s
约36Mbit/s
上行
QAM-164b/Sym
0.2MHz
0.16MSps
0.64Mbit/s
约0.5Mbit/s
0.4MHz
0.32MSps
1.28Mbit/s
约1.1Mbit/s
0.8MHz
0.64MSps
2.56Mbit/s
约2.3Mbit/s
1.6MHz
1.28MSps
5.12Mbit/s
约4.6Mbit/s
3.2MHz
2.56MSps
10.24Mbit/s
约9Mbit/s
QPSK2b/Sym
0.2MHz
0.16MSps
0.32Mbit/s
约0.288Mbit/s
0.4MHz
0.32MSps
0.64Mbit/s
约0.575Mbit/s
0.8MHz
0.64MSps
1.28Mbit/s
约1.15Mbit/s
1.6MHz
1.28MSps
2.56Mbit/s
约2.3Mbit/s
3.2MHz
2.56MSps
5.12Mbit/s
约4.6Mbit/s
表2-1数据调制方式和速率对比表
我们能够看到，HFC支持多种带宽的上行信号，如此能够给设备提供更多的选择，在不同的噪声环境下采纳不同的带宽。
同时我们能够看到每个上行通道的带宽和传输速率都低于下行通道，在实际产品设计中，CMTS通常设计为1下4上或者1下6上，以取得上下行速率的对称。
2.3.4MAC层技术
由于HFC这种介质的特点，其MAC层技术是专门专门的：
第一看看下行通道：
我们明白有线电视网络是频分复用的网络，同样的，CMTS下行输出信号间或者CMTS输出信号和有线电视信号间是通过不同频谱来区分的。
由于一个CMTS的下行信号会发给多个CM，因此在信道内部那么是采纳时分复用的方式。
因为HFC网络是向下广播的网络，因此下行MAC操纵是专门简单的，CMTS将下行报文打到MPEGII的幀中发送，CM作为二层转发设备，有选择地同意目的地址是该CM的或者该CM所带的CPE的报文。
HFC网络上行通道间通常通过频分或者空分〔星型组网、线路隔离〕的方式来区分，关于同一个信道内部的不同CM间的数据发送，仍旧采纳时分复用的方式，然而由于上行数据，实际上是一种多点到一点的模式，因此多个CM间必须存在调度机制，使多个CM能够有序的发送数据，DOCSIS1.0定义了如此一种模式：
所有上行通道时刻由CMTS统一治理和分配，CMTS和CM存在MAC治理报文。
CM在发送数据之前必须先公共时段发送申请报文，CMTS同意到申请报文后，通过算法调度，将时刻端分配给合适的CM，并将所有上行通道的时刻段分配信息在下行通道广播，CM受到该报文，并在指定的时刻段发送数据，如此CM间就可不能发生发送碰撞的可能了。
的道端SII的基础技术就OCSIS1.0因此公共时段的申请报文发送是存在碰撞可能的，DOCSIS定义了类似于802.3以太的碰撞退避机制。
因此这种申请――分配――发送的机制无法提供QoS保证，因此在DOCSIS1.1标准里又详细定义了QoS保证的机制。
HFC的QoS保证机制基于面向连接的方式，通过CM的配置文件定义特定业务流SF的分类原那么和QoS参数，在适当的时候，CM或者CMTS申请增加该业务流或者激活业务流，一旦该业务流激活，CMTS将自动定时为该CM的SF分配符合QoS参数的时刻段，在适当的时候，CMTS或者CM也能够申请删除该业务流。
举一个例子，假如某个CM需要支持VoIP业务，那么能够在CM配置文件中为该CM配置一个UGS类型的业务流，一旦该业务流激活，CMTS自动每隔10ms为该SF分配一定长度的时刻段，CM将话音包在该时刻段内发送，如此能够在HFC段获得专门接近PSTN的质量保证。
DOCSIS1.1所定义的上行业务流类型包括：
类型
说明
应用举例
UGS
定时分配固定长度时隙
VoIP
UGS－AD
定时分配固定长度时隙，带静音检测
VoIP，支持静音检测
Rt-Polling
定时分配申请时隙
IP视频业务
Nrt-Polling
不定时分配申请时隙
FTP等应用
BestEffort
尽力传送
宽带数据
2.3.5终端启动配置
DOCSIS定义了完善的CM启动配置流程，在那个过程中，CM真正成为一个零配置的设备，因此的运行参数差不多上通过上电启动配置流程动态猎取。
那个定义是HFC网络终端成为能够治理的终端，对HFC接入的规模应用起到了专门重要的作用。
2.3.6CMTS治理
DOCSIS标准还定义了CMTS和CM的SNMP网管MIB。
2.4话音业务实现原理――PacketCable
2.4.1系统结构
PacketCable定义的系统结构如以下图所示，系统中除了DOCSIS1.1所定义的CMTS和CM，还包括呼叫治理服务器CMS〔通常的产品形状确实是SOTFX〕、媒体网关操纵器MGC、媒体网关MG、信令网关SG、一系列服务器组成的OSS服务器和媒体终端适配器MTA〔类似IAD〕。
终端形状通常包括两种：
E－MTA和S－MTA。
所谓EMTA，是将CM和MTA集成在一起的终端设备，所谓S－MTA是指单独的MTA设备。
实际上，迄今为止，PacketCable只是对基于E－MTA的组网作了各个接口的详细定义。
2.4.2呼叫信令
PacketCable定义E－MTA和CMS之间的呼叫信令为NCS，NCS是基于MGCP1.0，针对Cable应用和QoS需要，做了少量的限制和扩展而成。
2.4.3DQoS方案
PacketCable定义了基于DOCSIS1.1实现动态QoS的机制：
CMS内置QoS策略模块GC〔类似于策略服务器〕，CMTS内置Gate模块，在话音信令变化过程中，CMS感知到动态信令状态的变化，并通过COPS接口向CMTS进行基于该业务的QoS授权；E-MTA感知到信令变化后在适当的时候向CMTS发起DOCSIS1.1SF连接增加或者激活申请，CMTS依据CMS授权信息接纳或者拒绝EMTA的申请。
2.4.4EMTA启动配置流程
EMTA启动配置包括两部分：
CM启动配置和MTA启动配置。
CM启动配置流程参见前面DOCSIS的介绍
MTA的启动配置过程见以下图所示，同样的，那个定义是全球最早的针对NGN终端启动流程的详细定义，将对VoIP规模应用起到重要的作用。
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