第6章HFC接入技术
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接入网技术
Cable Modem的系统结构
CMTS: Cable Modem Termination System 头端电缆调解器 CM: Cable Modem 电缆调解器
Internet
Router
CMTS
HFC
C M
接入网技术
系统结构说明
CM:电缆调解器 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 CMTS: 头端设备 连接数据网与HFC 对数据的调制/解调与传输，对所有CM的接入进行控制（认证许可） 给CM分配带宽并进行管理
接入网技术
Cable Modem系统概述
Cable Modem：电缆调制解调器（简称CM） 基于双向HFC的宽带接入技术 频分复用，实现 数据业务和传统CATV业务共存 CATV：典型频段：50—550MHz CM：典型频段：5—42MHz，550—750MHz CM上、下行双向通信 5—42MHz（上行） 550—750MHz（下行） 非对称速率方式 下行 最高42Mbps 上行 最高10M bps(QPSK 最高1.5Mbps) 两种标准 IEEE802.14，基于ATM传输 DOCSIC，基于IP传输
接入网技术
6.1 引言
CATV网络 有线电视运营商最重要、最普及的入户基础设施 最初只使用50—550MHz频段提供单向广播电视业务 但使用新技术，可使用其他剩余频段 在CATV的基础上进行双向HFC改造 保留原有CATV有线电视业务 并可提供交互式数据业务 Cable modem 技术——一种典型的HFC接入技术
接入网技术
CM的MAC层——上行带宽请求与分配
CM与CMTS交互实现 CM向CMTS请求，由CMTS进行分配与管理 专门请求＋捎带请求相结合 CM有数据要发时 CM先向头端CMTS申请带宽（小时隙数量） CMTS给CM指定上行发送小时隙 CM在指定上行时隙内发送 CM在发送数据时有新数据要发时 直接在发送数据时捎带对新数据发送带宽的请求
f3
f4
f5
f6
个人通信
地区 f1（MHz） f2（MHz） f3（MHz） f4（MHz） f5（MHz） f6（MHz） 北美 5 42 88 550 860 1000 欧洲 5 65 110 550 862 1000 中国 5 65 65 550 750 1000 日本 5 48 88 550 860 1000
Collision
Wait until given time
Success
Traffic arrival
Idle
专门的带宽请求＋捎带请求相结合
接入网技术
CM物理层——功能
两种标准的物理层都采用J.83标准 组成：PMD子层、TC子层 PMD子层：物理介质相关子层 分为上行PMD（接收PMD)和下行PMD（发送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格式 PDU的定界 完成同步、测距和功率调整 同步：定期接收头端的广播的参考时钟，并调整本地时钟 测距：均衡时延（各CM到CMTS距离不等），避免时隙重叠 功率调整：为了使 各CM到CMTS的电平基本相同
接入网技术
带宽请求与分配过程（自学）
Contend minislot to send request，wait ACK
Ready
Collision resolution
Wait for grant
Data PDU transmission with piggyback
Traffic arrival
接入网技术
CM协议参考模型
CMTS MAC
ATM
LLC
其他
接收
发送PMD
CM MAC
MAC层
PHY层
下行
上行
CMTS
CM
TC子层
接收PMD
发送PMD
TC子层
ATM
LLC
其他
模型包括: 物理层和MAC层 承载的高层数据主要为两种 ATM信元（802.14标准） LLC PDU（ DOCSIC标准）
f
上行信道
PDU
PDU
Request PDU
去头端
t
miniSlot
Data PDU
PDU
Manage PDU
接入网技术
CM的MAC层——MAC协议环境
共享介质 同一服务区的用户共享带宽 需要介质访问控制（MAC）技术 无法实现载波侦听（CSMA） 收发信道完全分开 很难实现分布式协调控制 CMTS集中仲裁 CMTS对多个CM进行集中控制
接入网技术
6.2 CATV网络
CATV——传统的有线电视网络 CATV的特点 为特定的业务设计 将广播视频业务传送到家而优化设计 通信方式：单向（下行）、广播式 介质：同轴电缆或以同轴电缆为基础 广播业务使用频段：50～550MHz 复用技术：FDM 模拟传输方式
接入网技术
组成 网络组成：头端、干线网、配线网、下引线 设备组成：头端设备、放大器、分配器、分支器 拓扑结构：树状、鱼骨状结构（分支结构）
接入网技术
Cable Modem工作原理
每个CM都有一个ID（48位，制造商定）。 CM的接收器能调谐到所有m个下行信道的任何一个接收数据 CM能在所有1～n个上行信道中的任何一个发送数据
头端 CMTS
m信道
n信道
下行
上行
1
1
Cable Modem＃1
Cable Modem＃2
Cable Modem＃x
CATV网络的系统结构
视频信号 接收机
合路 器
信号分配器
分支器
配线网
头端
干线网
单向放大器
15km
下引线
主配线
接入网技术
系统结构说明
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，最终送到千家万户 干线（网） 连接头端和信号分配点之间的电缆与设备 （信号分配器、同轴缆、放大器、分支器） 距离一般为15km 信号分配器：将干线信号分成几路，覆盖更大范围 配线：连接信号分配点与分支器，中间有放大器 分支器：用户的接入点 下引线（引入线）：用户接入线缆 放大器：对信号放大，使信号能达到更大的范围
接入网技术
双向的HFC网络结构
光纤到服务区结构（FSA) 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
头端
电话网
因特网
双向 放大器
视频 信号
光纤
同轴缆
服务区
光纤 干线网
光节点
500～2000用户
配线网
下引线
接入网技术
结构说明
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） 接入到PSTN、Internet 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 配线网和下引线 完全同CATV（放大器除外） 配线网的拓扑结构为树形
接入网技术
CM技术物理层——调制技术
选择何种调制技术主要从信道利用率和抗干扰性能考虑 Cable Modem的调制方式为QAM和QPSK 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
接入网技术
CM技术物理层——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） 带宽请求PDU：Request PDU(miniPDU)，占1个minislot 数据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
上行
接入网技术
Cable Modem工作过程描述
加电初始化 与头端CMTS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 预约带宽传送数据 CM向CMTS申请带宽，由CMTS分配 CM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
接入网技术
CM的MAC层——功能
CM接入的合法性认证 上行信道竞争的冲突分解 CM带宽的请求、分配与管理 MAC层最核心技术
接入网技术
CM的MAC层——运行机制
上行总带宽由许多小时隙（minslot）表示 minslot为一个最小带宽单位 上行带宽预约请求，无竞争传送数据 请求带宽发生冲突时，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
接入网技术
双向HFC的优势
取消主干上的放大器，提高信号质量和可靠性。 在主干上采用光纤，提高了容量，为宽带接入奠定了基础。 为双向交互式通信提供了网络条件。 通过Cable Modem可实现全业务通信（数、话、图）
接入网技术
HFC的频谱划分
上行信道
CATV业务
数字下行
f
f1
下行信道
数字上行
f2
接入网技术
HFC网络特点及面临的问题
特点 共享介质、点到多点结构 上行信道多干扰环境 面临问题 上行信道的分配问题（需要MAC协议） 上行信道多干扰（各种噪声） 安全性问题 可靠性问题（单点故障） 供电问题（户外设备供电）
接入网技术
6.4 Cable Modem
系统概述 系统结构 工作原理 协议模型 物理层 MAC层
接入网技术
CM的MAC层—— 上行带宽请求与分配
带宽请求与分配过程描述 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 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） 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）
接入网技术
教学重点与要求
教学重点 介绍CATV网络的结构及局限性 介绍双向HFC网络的结构以及网络环境 重点强调Cable Modem技术： 接入结构、工作原理、技术要点、技术标准 要求 了解CATV网络的结构及局限性 掌握HFC网络的结构以及特点 掌握Cable Modem接入结构、工作原理及技术要点 了解Cable Modem技术标准及发展趋势
接入网技术
CATV网络的局限性
业务单一：视频 单向通信：只能下行通信，不能双向交互 网络结构脆弱：鱼骨形结构，只要一个地方或设备故障，可能导致中断对众多用户的服务 传统的CATV已不能满足现代业务（交互式、综合业务）的要求，双向改造势在必行
接入网技术
6.3 HFC网络
HFC ：Hybrid Fiber Coax 混合的光纤同轴电缆 在原有CATV基础上进行双向改造 干线部分：光传输系统代替CATV中的同轴电缆 用户分配网：仍保留同轴电缆网络结构，但放大 器改成双向的 可提供业务 保留原有CATV单向电视广播业务 利用剩余频带提供宽带数据业务
Request PDU
去头端
Data PDU
Manage PDU
占多个时隙
占1个时隙
占多个时隙
CM
接入网技术
CM物理层——上行信道划分
上行信道划分：FDMA+TDMA 每个小时隙是上行信道带宽的基本单位 Request PDU:用于CM请求上行带宽，含CM ID，所需时隙数等 Data PDU：ATM信元（802.14 标准）或LLC PDU（DOCSIS) Manage PDU：用于测距、功率调整等
Cable Modem的系统结构
CMTS: Cable Modem Termination System 头端电缆调解器 CM: Cable Modem 电缆调解器
Internet
Router
CMTS
HFC
C M
接入网技术
系统结构说明
CM:电缆调解器 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 CMTS: 头端设备 连接数据网与HFC 对数据的调制/解调与传输，对所有CM的接入进行控制（认证许可） 给CM分配带宽并进行管理
接入网技术
Cable Modem系统概述
Cable Modem：电缆调制解调器（简称CM） 基于双向HFC的宽带接入技术 频分复用，实现 数据业务和传统CATV业务共存 CATV：典型频段：50—550MHz CM：典型频段：5—42MHz，550—750MHz CM上、下行双向通信 5—42MHz（上行） 550—750MHz（下行） 非对称速率方式 下行 最高42Mbps 上行 最高10M bps(QPSK 最高1.5Mbps) 两种标准 IEEE802.14，基于ATM传输 DOCSIC，基于IP传输
接入网技术
6.1 引言
CATV网络 有线电视运营商最重要、最普及的入户基础设施 最初只使用50—550MHz频段提供单向广播电视业务 但使用新技术，可使用其他剩余频段 在CATV的基础上进行双向HFC改造 保留原有CATV有线电视业务 并可提供交互式数据业务 Cable modem 技术——一种典型的HFC接入技术
接入网技术
CM的MAC层——上行带宽请求与分配
CM与CMTS交互实现 CM向CMTS请求，由CMTS进行分配与管理 专门请求＋捎带请求相结合 CM有数据要发时 CM先向头端CMTS申请带宽（小时隙数量） CMTS给CM指定上行发送小时隙 CM在指定上行时隙内发送 CM在发送数据时有新数据要发时 直接在发送数据时捎带对新数据发送带宽的请求
f3
f4
f5
f6
个人通信
地区 f1（MHz） f2（MHz） f3（MHz） f4（MHz） f5（MHz） f6（MHz） 北美 5 42 88 550 860 1000 欧洲 5 65 110 550 862 1000 中国 5 65 65 550 750 1000 日本 5 48 88 550 860 1000
Collision
Wait until given time
Success
Traffic arrival
Idle
专门的带宽请求＋捎带请求相结合
接入网技术
CM物理层——功能
两种标准的物理层都采用J.83标准 组成：PMD子层、TC子层 PMD子层：物理介质相关子层 分为上行PMD（接收PMD)和下行PMD（发送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格式 PDU的定界 完成同步、测距和功率调整 同步：定期接收头端的广播的参考时钟，并调整本地时钟 测距：均衡时延（各CM到CMTS距离不等），避免时隙重叠 功率调整：为了使 各CM到CMTS的电平基本相同
接入网技术
带宽请求与分配过程（自学）
Contend minislot to send request，wait ACK
Ready
Collision resolution
Wait for grant
Data PDU transmission with piggyback
Traffic arrival
接入网技术
CM协议参考模型
CMTS MAC
ATM
LLC
其他
接收
发送PMD
CM MAC
MAC层
PHY层
下行
上行
CMTS
CM
TC子层
接收PMD
发送PMD
TC子层
ATM
LLC
其他
模型包括: 物理层和MAC层 承载的高层数据主要为两种 ATM信元（802.14标准） LLC PDU（ DOCSIC标准）
f
上行信道
PDU
PDU
Request PDU
去头端
t
miniSlot
Data PDU
PDU
Manage PDU
接入网技术
CM的MAC层——MAC协议环境
共享介质 同一服务区的用户共享带宽 需要介质访问控制（MAC）技术 无法实现载波侦听（CSMA） 收发信道完全分开 很难实现分布式协调控制 CMTS集中仲裁 CMTS对多个CM进行集中控制
接入网技术
6.2 CATV网络
CATV——传统的有线电视网络 CATV的特点 为特定的业务设计 将广播视频业务传送到家而优化设计 通信方式：单向（下行）、广播式 介质：同轴电缆或以同轴电缆为基础 广播业务使用频段：50～550MHz 复用技术：FDM 模拟传输方式
接入网技术
组成 网络组成：头端、干线网、配线网、下引线 设备组成：头端设备、放大器、分配器、分支器 拓扑结构：树状、鱼骨状结构（分支结构）
接入网技术
Cable Modem工作原理
每个CM都有一个ID（48位，制造商定）。 CM的接收器能调谐到所有m个下行信道的任何一个接收数据 CM能在所有1～n个上行信道中的任何一个发送数据
头端 CMTS
m信道
n信道
下行
上行
1
1
Cable Modem＃1
Cable Modem＃2
Cable Modem＃x
CATV网络的系统结构
视频信号 接收机
合路 器
信号分配器
分支器
配线网
头端
干线网
单向放大器
15km
下引线
主配线
接入网技术
系统结构说明
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，最终送到千家万户 干线（网） 连接头端和信号分配点之间的电缆与设备 （信号分配器、同轴缆、放大器、分支器） 距离一般为15km 信号分配器：将干线信号分成几路，覆盖更大范围 配线：连接信号分配点与分支器，中间有放大器 分支器：用户的接入点 下引线（引入线）：用户接入线缆 放大器：对信号放大，使信号能达到更大的范围
接入网技术
双向的HFC网络结构
光纤到服务区结构（FSA) 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
头端
电话网
因特网
双向 放大器
视频 信号
光纤
同轴缆
服务区
光纤 干线网
光节点
500～2000用户
配线网
下引线
接入网技术
结构说明
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） 接入到PSTN、Internet 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 配线网和下引线 完全同CATV（放大器除外） 配线网的拓扑结构为树形
接入网技术
CM技术物理层——调制技术
选择何种调制技术主要从信道利用率和抗干扰性能考虑 Cable Modem的调制方式为QAM和QPSK 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
接入网技术
CM技术物理层——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） 带宽请求PDU：Request PDU(miniPDU)，占1个minislot 数据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
上行
接入网技术
Cable Modem工作过程描述
加电初始化 与头端CMTS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 预约带宽传送数据 CM向CMTS申请带宽，由CMTS分配 CM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
接入网技术
CM的MAC层——功能
CM接入的合法性认证 上行信道竞争的冲突分解 CM带宽的请求、分配与管理 MAC层最核心技术
接入网技术
CM的MAC层——运行机制
上行总带宽由许多小时隙（minslot）表示 minslot为一个最小带宽单位 上行带宽预约请求，无竞争传送数据 请求带宽发生冲突时，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
接入网技术
双向HFC的优势
取消主干上的放大器，提高信号质量和可靠性。 在主干上采用光纤，提高了容量，为宽带接入奠定了基础。 为双向交互式通信提供了网络条件。 通过Cable Modem可实现全业务通信（数、话、图）
接入网技术
HFC的频谱划分
上行信道
CATV业务
数字下行
f
f1
下行信道
数字上行
f2
接入网技术
HFC网络特点及面临的问题
特点 共享介质、点到多点结构 上行信道多干扰环境 面临问题 上行信道的分配问题（需要MAC协议） 上行信道多干扰（各种噪声） 安全性问题 可靠性问题（单点故障） 供电问题（户外设备供电）
接入网技术
6.4 Cable Modem
系统概述 系统结构 工作原理 协议模型 物理层 MAC层
接入网技术
CM的MAC层—— 上行带宽请求与分配
带宽请求与分配过程描述 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 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） 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）
接入网技术
教学重点与要求
教学重点 介绍CATV网络的结构及局限性 介绍双向HFC网络的结构以及网络环境 重点强调Cable Modem技术： 接入结构、工作原理、技术要点、技术标准 要求 了解CATV网络的结构及局限性 掌握HFC网络的结构以及特点 掌握Cable Modem接入结构、工作原理及技术要点 了解Cable Modem技术标准及发展趋势
接入网技术
CATV网络的局限性
业务单一：视频 单向通信：只能下行通信，不能双向交互 网络结构脆弱：鱼骨形结构，只要一个地方或设备故障，可能导致中断对众多用户的服务 传统的CATV已不能满足现代业务（交互式、综合业务）的要求，双向改造势在必行
接入网技术
6.3 HFC网络
HFC ：Hybrid Fiber Coax 混合的光纤同轴电缆 在原有CATV基础上进行双向改造 干线部分：光传输系统代替CATV中的同轴电缆 用户分配网：仍保留同轴电缆网络结构，但放大 器改成双向的 可提供业务 保留原有CATV单向电视广播业务 利用剩余频带提供宽带数据业务
Request PDU
去头端
Data PDU
Manage PDU
占多个时隙
占1个时隙
占多个时隙
CM
接入网技术
CM物理层——上行信道划分
上行信道划分：FDMA+TDMA 每个小时隙是上行信道带宽的基本单位 Request PDU:用于CM请求上行带宽，含CM ID，所需时隙数等 Data PDU：ATM信元（802.14 标准）或LLC PDU（DOCSIS) Manage PDU：用于测距、功率调整等