CableMode接入技術(shù)培訓(xùn)班講義(權(quán)威實(shí)用)

CableModem接入技術(shù)成都電子科技大學(xué)唐明光2003.12.9簡(jiǎn)化的系統(tǒng)組成

家庭用戶端電視計(jì)算機(jī)分配器CableModemTXRX視頻信號(hào)

干線放大器

延長(zhǎng)放大器分支分配器光纖同軸電纜分路器/合路器電纜調(diào)制解調(diào)器終端系統(tǒng)應(yīng)用層表示層會(huì)晤層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層ISO的開(kāi)放互聯(lián)模型802.2802.3802.5FDDIEthernetIEEE和ANSI標(biāo)準(zhǔn)MAC地址SAP（服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)）地址IP地址協(xié)議號(hào)端口號(hào)地址應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層TelnetFTPDNSTFTPTCPUDPIPICMPDODTCP/IP標(biāo)準(zhǔn)族網(wǎng)絡(luò)接口層IGMP幾種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型發(fā)送端應(yīng)用層表示層會(huì)話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層接收端DATADATADATADATADATADATADATABITSAHPHSHTHNHDHDT數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議應(yīng)用層協(xié)議表示層協(xié)議會(huì)話層協(xié)議傳輸層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議各層之間如何工作應(yīng)用層表示層會(huì)話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層DOCSIS的介紹美國(guó)四大有線電視機(jī)構(gòu)TimeWarner、TCI、Cox、Comcast所發(fā)起的多媒體電纜網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)（MCNS）制定的技術(shù)規(guī)范，該規(guī)范得到了Cisco、3Com、Intel、Motorola、NEC等諸多廠商的支持1998年3月，DOCSIS規(guī)范被國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）所采納，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為ITU-Tj.112，從而DOCSIS成為HFC網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，2002年12月，國(guó)際電信聯(lián)盟采用了DOCSIS2.0標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為ITU-Tj.122電纜傳輸數(shù)據(jù)接口規(guī)范在參考結(jié)構(gòu)上進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)范DOCSIS1.0射頻接口規(guī)范1.0操作支持系統(tǒng)接口(OSSI)1.0基線加密接口規(guī)范(BPI)CM終端系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口規(guī)范CM到用戶端設(shè)備接口(CMCI)電纜電話回傳接口規(guī)范測(cè)試方法1.0DOCSIS1.1射頻接口規(guī)范1.1操作支持系統(tǒng)接口(OSSI)1.1基線加密接口規(guī)范+(BPI+)CM終端系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口規(guī)范CM到用戶端設(shè)備接口(CMCI)DOCSIS1.1CMCI測(cè)試方法DOCSIS1.1RFI測(cè)試方法DOCSIS2.0現(xiàn)在還在繼續(xù)完善，產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)用DOCSIS的不同版本什么是Eruo

Docsis在CM產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中一直存在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)的競(jìng)爭(zhēng)，目前美國(guó)的DOCSIS標(biāo)準(zhǔn)被國(guó)際電信聯(lián)盟采納在電視制式上美國(guó)使用的是NTSC，帶寬是6MHZ，歐洲和中國(guó)使用的是PAL，帶寬是8MHZ，2000年CableLabs發(fā)表了EuroDOCSIS1.1歐洲規(guī)范，其系統(tǒng)在頻道劃分、頻道帶寬、信道參數(shù)的規(guī)定上完全兼容歐洲標(biāo)準(zhǔn)究竟各個(gè)版本間有什么區(qū)別呢DOCSIS1.0實(shí)現(xiàn)了在有線電視網(wǎng)上傳輸雙向信號(hào)，1.0的產(chǎn)品在數(shù)百個(gè)有線電視網(wǎng)上使用DOCSIS1.1對(duì)1.0的最大改進(jìn)是增加了QOS服務(wù)保證，使得在有線網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)VoIP有了保證，CableLabs專門成立了PacketCable工作組進(jìn)行這方面研究，目前在北美有線網(wǎng)中電纜電話已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用DOCSIS2.0對(duì)1.1的改進(jìn)全部是在物理層，上行使用了S-CDMA和A-TDMA技術(shù)，使上行的數(shù)據(jù)速率提高到了30Mbit/s，1.0是5M，1.1是10M。采用S-CDMA技術(shù)可以降低對(duì)上行信號(hào)的載噪比要求，對(duì)付噪聲比較有效（當(dāng)然是以降低數(shù)據(jù)速率為代價(jià)）版本重點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)/服務(wù)DOCSIS1.0(5Mbpsu/s)被普遍應(yīng)用

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

高速數(shù)據(jù)

互聯(lián)網(wǎng)接入DOCSIS1.1(10Mbpsu/s)

QoS更好的帶寬利用效率

預(yù)均衡

增強(qiáng)的操作系統(tǒng)支持接口增強(qiáng)的安全性

服務(wù)分等級(jí)

雙倍速率更低的運(yùn)營(yíng)成本DOCSIS2.0“高級(jí)物理層”(30Mbpsu/s)

上行使用了S-CDMA

或者A-TDMA

上下速率對(duì)稱更高的上行速率DOCSIS不同版本總結(jié)Internet骨干網(wǎng)本地服務(wù)設(shè)備LANCMTS網(wǎng)絡(luò)終端調(diào)制解調(diào)混合器分路器光發(fā)光收光節(jié)點(diǎn)安全和接入控制器前端CPE數(shù)字電視信號(hào)上行信號(hào)電纜網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程服務(wù)設(shè)備操作支持服務(wù)器HFC網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)CM下行=>54MHz上行=<42MHzCableModem到CPE接口(CMCI)電纜調(diào)制解調(diào)器射頻端接口操作支持接口系統(tǒng)(OSSI)基線加密系統(tǒng)(BPI)電纜調(diào)制解調(diào)器終端系統(tǒng)上行RF信號(hào)接口電纜調(diào)制解調(diào)器終端系統(tǒng)下行RF信號(hào)接口CM終端系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口(CMTS-NSI)DOCSIS的參考模型通用的應(yīng)用層協(xié)議通用的傳輸層協(xié)議通用的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議DOCSIS專門定義的協(xié)議DHCPTFTPSNMPSMTPTODHTTPFTPTelnet物理層UDPTCP下行傳輸匯聚子層(MPEG-2)IP協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路加密媒質(zhì)接入控制DOCSIS協(xié)議模型DOCSIS協(xié)議棧OSIStackData-Over-CableInterfaceSpecificationsCMTS-NSIInterfaceto/fromWANPHYLayerDataLinkLayerForwardingIP802.2/DIXLLCLinkSecurityDOCSISMACCablePMDCMCIInterfaceto/fromCustomerPremisesEquipmentU/STDMA(minislots)D/STDM(MPEG)CableTransmissionNetworkCableModemTerminationSystemCableModem(EthernetCMCI)PhysicalDataLinkNetworkTransportHigherLayers802.310Base-T802.2/DIXLLC802.1dBridgingIP802.2/DIXLLCLinkSecurityDOCSISMACCablePMDIP802.3/DIXMACU/STDMA(minislots)D/STDM(MPEG)TCP/UDPApplicationsDOCSISControlMessagesTCP/UDPTCP/UDPApplicationsManagementonlyDataDHCPTFTPSNMPSecurityMgmtApplicationsDHCPTFTPSNMPSecurityMgmtIP究竟DOCSIS制定了什么IP協(xié)議現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展得很成熟了，被大量地應(yīng)用，DOCSIS在網(wǎng)絡(luò)層上完全采用了IP協(xié)議，這樣可以很好地和支持IP協(xié)議的設(shè)備兼容在數(shù)據(jù)鏈路層上分了三個(gè)子層，邏輯鏈路控制子層、邏輯鏈路安全子層和介質(zhì)訪問(wèn)控制子層，邏輯鏈路控制子層采用了以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，DOCSIS制定了邏輯鏈路安全子層、介質(zhì)訪問(wèn)控制子層（MAC）的協(xié)議DOCSIS在物理層上定義了兩個(gè)子層，下行傳輸匯聚子層，任務(wù)是將以太網(wǎng)幀封裝成MPEG2包在HFC網(wǎng)絡(luò)上傳輸，物理媒體子層，定義CM和CMTS的互操作性，制定了物理層傳輸?shù)腡DMA和S-CDMA標(biāo)準(zhǔn)DOCSIS標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)（1）內(nèi)部和IP完全兼容（2）和DVB傳輸格式兼容（3）支持QoS擴(kuò)展（4）建立在廣電網(wǎng)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施上，分?jǐn)偟慕ㄔO(shè)和維護(hù)成本低，有利于長(zhǎng)期經(jīng)營(yíng)通過(guò)Cable

Modem系統(tǒng)，用戶可以在有線電視網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)、IP電話、視頻會(huì)議、視頻點(diǎn)播、遠(yuǎn)程教育、網(wǎng)絡(luò)游戲等功能，采用Cable

Modem在有線電視網(wǎng)上建立數(shù)據(jù)平臺(tái)是適合有線電視行業(yè)特點(diǎn)的物理層(L1)數(shù)據(jù)鏈路層(L2)網(wǎng)絡(luò)層(L3)光纖,電纜,

光節(jié)點(diǎn),放大器CM/CMTSCMTS/路由器HFC網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備一個(gè)基本的CM系統(tǒng)有什么要實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的CM系統(tǒng)僅僅有CM和CMTS是不夠的，還需要一些輔助設(shè)備在CM和CMTS通信的時(shí)候，都要對(duì)每個(gè)CM和CM所帶的CPE都需要分配一個(gè)IP地址作為網(wǎng)絡(luò)上的唯一標(biāo)識(shí)，因此需要DHCP服務(wù)器為每個(gè)設(shè)備分配一個(gè)IP地址CM在獲得IP地址后，僅僅是能夠在網(wǎng)絡(luò)中唯一標(biāo)識(shí)了，為了能夠正常運(yùn)行，還要一些配置文件，這些配置包括分配的帶寬、優(yōu)先權(quán)、SNMP的設(shè)置、提供的服務(wù)類型等等，所有的這些都必須從TFTP服務(wù)器上獲得CM會(huì)保存一部分日志信息，例如加電時(shí)間，工作的頻率點(diǎn)，通信中發(fā)生的錯(cuò)誤等等，這些日志文件需要時(shí)間標(biāo)記，這樣好對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行診斷，這就需要一個(gè)TOD服務(wù)器，當(dāng)然這個(gè)服務(wù)器不是必須的一個(gè)基本的CM系統(tǒng)圖廣域網(wǎng)地址池選項(xiàng)CM配置文件CM配置文件CM配置文件第三層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)第二層網(wǎng)絡(luò)第三層網(wǎng)絡(luò)第三層網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號(hào)的損傷無(wú)損傷隨機(jī)噪聲相位噪聲單一回波(45DEG.)調(diào)制后的數(shù)字信號(hào)頻譜圖，相同的頻率帶寬內(nèi)能夠承載的比特率和調(diào)制的方式有關(guān)FSK–效率最低，但抗干擾能力最好QPSK–效率更高可靠信較好QAM–效率很高可靠信較低數(shù)字信號(hào)頻譜圖什么是TDMATDMA的意思是時(shí)分多址，由頭端設(shè)備CMTS和用戶端設(shè)備CM組成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)傳輸和交換通道CMTS與CM間分上下行兩個(gè)通道進(jìn)行通信，下行通道的帶寬為6M，采用64QAM或者256QAM的調(diào)制方式，下行通道的頻段通常都安排在550MHZ--750MHZ上，數(shù)據(jù)速率最大為42.7Mbps，一個(gè)CMTS最多能管管理2000個(gè)CM，這些CM都共享這一下行通道，即CMTS以廣播形式（一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)）通過(guò)下行通道發(fā)送多址數(shù)據(jù)信息每個(gè)CM都擁有一唯一的地址碼，CM通過(guò)下行信號(hào)中的地址碼與自己的地址碼進(jìn)行判別是否是自己的信息，也就是說(shuō)，每個(gè)CM都偵聽(tīng)下行傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)包，只有地址碼與之匹配的CM才能接收。即所謂多址控制。這有點(diǎn)象郵遞員送信，每封信（數(shù)據(jù)包）都有一個(gè)用戶住址（地址碼），郵遞員就是根據(jù)這個(gè)住址準(zhǔn)確地將信送到用戶（CM）的手中。上行信道的傳送圖中可以看出CM1和CM2工作在24-25.2MHz頻段上，CM1和CM2通過(guò)時(shí)分多址方式共享這一頻段，CM3、CM4和CM5工作在34-35.2MHz頻段上，這3個(gè)CM也通過(guò)時(shí)分方式共享這一頻段

CMTSCM2CM1CM3CM4CM524-25.2MHz34-35.2MHz什么是A-TDMAA-TDMA的全稱是高級(jí)時(shí)分多址，由博通（broadcom)公司和德州儀器公司（TI）共同制定，相比原來(lái)的TDMA，它主要使用了：增強(qiáng)的FEC（前向糾錯(cuò)），使用了更強(qiáng)的里德-所羅門編碼，可以糾正更多的錯(cuò)誤侵入消除技術(shù)，提供了剔除窄帶侵入噪聲的能力，從而提高穩(wěn)健性，使運(yùn)營(yíng)商可以充分利用通常被認(rèn)為是不可用的上行信道中的頻率。脈沖噪聲緩解技術(shù)，降低了系統(tǒng)相對(duì)于侵入噪聲的脆弱性預(yù)均衡技術(shù)，提高上行通道的效率，最大化該信道內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)傳輸率A-TDMA有什么優(yōu)點(diǎn)由于系統(tǒng)的抗噪聲能力強(qiáng)了，因此可以使用更高的調(diào)制技術(shù)在1.0中上行使用的是QPSK調(diào)制，每個(gè)上行頻道最大帶寬3.2MHZ，最大上行速率是5Mbit/s在1.1中，由于使用了一些抗噪聲技術(shù)，上行可以使用16QAM技術(shù)，最大上行速率提高到了10Mbit/s在A-TDMA中，上行的調(diào)制方式可以使用64QAM，同時(shí)上行頻道最大帶寬6.4MHZ，最大上行速率30Mbit/s，為什么發(fā)展CDMA在某些信道中由于噪聲比較強(qiáng)或者信號(hào)衰減比較大，例如有線電視網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)，為了克服噪聲問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出了擴(kuò)頻技術(shù)，擴(kuò)頻技術(shù)有兩種主要方法：一種是跳頻技術(shù)，即信號(hào)占用的頻率寬度是固定的，但是設(shè)置了好幾個(gè)頻率信道，發(fā)送信號(hào)時(shí)根據(jù)不同信道的噪聲采用不同的信道，即發(fā)送信號(hào)的中心頻率點(diǎn)在不停地跳動(dòng)，這種技術(shù)使用在軍用無(wú)線通信和藍(lán)牙技術(shù)中一種是直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，即把每個(gè)信號(hào)的脈沖寬度展寬，脈沖寬度展寬后信號(hào)的抗噪聲能力得到加強(qiáng)，但是占用的頻率也拓寬了，這種技術(shù)的典型代表是CDMA什么是CDMACDMA的全稱是碼分多址，是最早由軍方開(kāi)發(fā)的，用以抵抗噪聲、增強(qiáng)安全性并降低干擾影響的傳輸技術(shù)。CDMA的每一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)在發(fā)射機(jī)端與偽隨機(jī)序列碼(碼片序列)相乘，從而“擴(kuò)展”到較寬的頻譜之上，在接收端，同樣的偽隨機(jī)序列碼被用來(lái)檢取出原始信號(hào)。在多個(gè)數(shù)據(jù)流同時(shí)傳輸時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)流分別用它們各自的偽隨機(jī)序列碼相乘。由于許多個(gè)用戶共享同一頻譜，各用戶通過(guò)不同的偽隨機(jī)序列碼區(qū)分并使干擾最小

CDMA的原理框圖擴(kuò)頻調(diào)制信息比特發(fā)送擴(kuò)頻序列載波解擴(kuò)解調(diào)擴(kuò)頻序列同步載波同步信息比特接收f(shuō)bfcf0G＝fc/fb擴(kuò)頻增益CDMA調(diào)制的頻譜圖f0fcfb2fc窄帶干擾信號(hào)干擾擴(kuò)頻調(diào)制接收解擴(kuò)CDMA序列示意圖000110111100100001101000110100011011110010101110111001011100101110010111001011100101110010信息碼地址碼發(fā)送碼000ππ0πππ00000ππ0000ππ0000ππ0000ππ0發(fā)端已調(diào)信號(hào)π0πππ0101110111001011100101110010111001011100101110010信息碼地址碼解擴(kuò)信號(hào)000ππ0πππ00000ππ0000ππ0000ππ0000ππ0接收已調(diào)信號(hào)什么是S-CDMAS-CDMA的意思是同步碼分多址，普通CDMA雖然抗干擾能力很好，但是頻譜利用效率很低S-CDMA在有線電視網(wǎng)中的使用了一套相位對(duì)齊的正交碼以維持同步，減少并發(fā)用戶之間的干擾。S-CDMA對(duì)多個(gè)用戶進(jìn)行同步處理來(lái)共享同一上行信道，這樣就使得多個(gè)調(diào)制解調(diào)器能夠同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)提高了頻譜利用效率。S-CDMA的優(yōu)點(diǎn)S-CDMA帶來(lái)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是干擾信號(hào)頻譜在CDMA解調(diào)的時(shí)候被展寬了，因此信號(hào)抗脈沖噪聲的能力也增強(qiáng)了。第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是對(duì)時(shí)間同步的嚴(yán)格要求降低了每次發(fā)送對(duì)前導(dǎo)數(shù)據(jù)的要求，從而增加了對(duì)回傳通路的使用效率。雖然數(shù)據(jù)吞吐量與64QAMA-TDMA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量相當(dāng)，S-CDMA實(shí)際上采用的是128QAM，額外的數(shù)據(jù)用于TCM（格子編碼）。與增強(qiáng)的前向糾錯(cuò)(FEC)配合使用，獲得了對(duì)加性高斯噪聲(AwGN)的抵抗性能。究竟S-CDMA帶來(lái)了什么CDMA技術(shù)是以擴(kuò)頻來(lái)提高抗噪聲性能，表面上看是降低了頻譜利用效率，但是伴隨抗噪聲能力的提高，可以采用更高效的調(diào)制技術(shù)1.0使用的是QPSK，1.1最高可用16QAM，A-TDMA最高可用64QAM，S-CDMA最高可用128QAM，S-CDMA在6.4MHZ的上行頻率內(nèi)最高的數(shù)據(jù)速率為30Mbit/s，這樣S-CDMA的上行頻譜利用效率是1.1上行標(biāo)準(zhǔn)的1.5倍S-CDMA和A-TDMA的比較在2.0標(biāo)準(zhǔn)中，下行信道和1.1標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有變化，仍然是采用TDMA方式，最高采用256QAM調(diào)制，下行最高速率為42Mbit/s在2.0標(biāo)準(zhǔn)中，上行信道同時(shí)采用了S-CDMA和A-TDMA兩種調(diào)制方式在最大上行數(shù)據(jù)速率方面，兩者是一樣的，都是在上行信號(hào)的載噪比為25db時(shí)最大數(shù)據(jù)速率30Mbit/s在信號(hào)載噪比低于25db的時(shí)候，A-TDMA可能會(huì)通信中斷，S-CDMA可以降低數(shù)據(jù)速率來(lái)維持通信不中斷在兼容性方面，雖然S-CDMA廠家宣布S-CDMA可以完全和TDMA兼容，但是使用A-TDMA可以使原有的1.1/1.0CM獲得A-TDMA中的預(yù)均衡，增強(qiáng)FEC，入侵過(guò)濾等優(yōu)點(diǎn)，獲得更好的抗噪聲能力，S-CDMA則強(qiáng)制CMTS在S-CDMA和TDMA兩種工作模式中不停切換S-CDMA和TDMA共存示意圖M2DOCSIS1.x(TDMA)DOCSIS2.0(S-CDMA)M1M3M4M5M6CMTS1234

561246MapMessageTaM1M2M3NullM1M2NullNullNullTbtimeM4M6TDMAS-CDMAM4M5M6S-CDMA和A-TDMA的比較由美國(guó)有線電視實(shí)驗(yàn)室（CableLabs）和其他單位進(jìn)行的測(cè)試和分析表明，S-CDMA技術(shù)最適合于低振幅、伴隨小數(shù)據(jù)包、持續(xù)時(shí)間適中的脈沖；A-TDMA技術(shù)最適合于高振幅、持續(xù)時(shí)間短的脈沖。DOCSIS2.0CMTS輸出口特性符號(hào)率

64QAM5.056941Msym/sec

18%

均方根升余弦整形參數(shù)值中心頻率91to857MHz±30kHz1輸出電平50~61dBmV調(diào)制方式64QAMand256QAM256QAM5.360537Msym/sec下行帶寬6MHz頻率響應(yīng)64QAM256QAM12%均方根升余弦整形輸出反射損耗>14dBCMTS端的接收電平

符號(hào)速率

(kHz)接收范圍

(dBmV)16016to+1432013to+1764010to+2012807to+2325604to+2651201to+29DOCSIS2.0CM輸出口電氣特性

參數(shù)值頻率5to42MHz發(fā)射電平(一個(gè)頻道)TDMA: +8to+54dBmV(32QAM,64QAM) +8to+55dBmV(8QAM,16QAM) +8to+58dBmV(QPSK)S-CDMA: +8to+53dBmV(所有調(diào)制方式)調(diào)制方式QPSK,8QAM,16QAM,32QAM,64QAM,and128QAM符號(hào)率

TDMA:160,320,640,1

280,2

560and5

120ksymbol/sS-CDMA:1

280,2

560and5

120ksymbol/s帶寬TDMA:200,400,800,1

600,3

200and6

400kHzS-CDMA:1

600