HFC网络中的宽带传输技术

HFC 网络中的宽带传输技术

曾清海 唐明光 邱 昆 成都电子科技大学光纤重点实验室

[摘要]本文首先详细论述了HFC 系统之后对两种重要的HFC 宽带接入协议IEEE802.14和MCNS 的DOCSIS 1.1进行了比较并得出了一些有益的结论1 H FC 的一般结构

HFC 网络由光纤和同轴电缆混合组成以分支和树型拓扑为特点在树根处CMTS 从CMTS 到邻近使用光纤在光纤的末端是光节点起光/电转换的作用同轴电缆作为馈电线从光节点连到每个用户每个光节点下接500-2000户HFC 网络中的CMTS 在系统中起类似交换/路由中心的作用CMTS 是HFC 网络对外通信的出口它可以与PBX 放在一起也可以置于计算机中心以便于连线CMTS 到最远用户的距离最大约80km HFC 网络比纯

粹的光网络具有更高的可靠性和更低的费用投入普通的全同轴线要升级到HFC 需要更换CATV 网中最后一段的放大器单向---

双向通过HFC 网络可实现宽带业务Cable 电话Internet 及Web 在线浏览聊天室交互游戏居家办公应用的局域网仿真和桌面会议等的接入这种传输结构的优点是可以灵活地给各个以太网分配一个或一组CM 当通信量改变了后只需增减CM 的数目

图1 HFC 网络的结构系统中

同轴电缆的整个通信带宽被分成上下行两个频带通常上行使用5-42MHz 的频带下行使用45-750MHz 甚至高达1000MHz 的频带上

下行频带又划分成很多信道这些信道既可传数字信号也可传模拟信号上行信道宽为1-2MHz 容量为2-10Mb/s 下行信道宽为6MHz 容量为30-40Mb/s 不同信道使用不同的调制技术使用不同调制技术的CM 可以提供不同的吞吐量QPR 正交局部响应在3MHz 频带内提供6Mb/s 的速率QPSK 正交频移键控在6MHz 的频带空间内提供10Mb/s 的速率64-QAM 正交幅度调制在6MHz 的信道内提供27Mb/s 的速率目前的CM 设备主要用于Internet 和各种以太

网的接入

图2 HFC 频谱结构

2 H FC 传输技术

HFC 采用射频调制的方式实现宽带传输传输由CMTS 集中控制下行采用广播的形式上行方向共享传输媒体采用FDMA/TDMA 接入方式下行模拟视频采用傍路的形式送往标准电视机数字信号则须经过CM 适配后才传给PC 等数字设备或以太网上行数字信号

也是先经过CM 的适配处理后再送入同轴电缆的CM 对数字信号进行调制解调同步等处理

在上行方向由于共享传输媒体必须采用适当的措施以防止上行数据冲突首先

FDMA 技术的使用既增加了上行方向的容量又避免了冲突但是如果将一个信道既频道提供给单个链接则会浪费信道内的通信容量因此对各个信道采用TDMA 技术

将信道划分成时隙上行帧由DS(Data Slots) 和CS(Contention Slots) 两种时隙组成它们的数量由CMTS 决定在 CM 处采用哪个频道哪个/哪些时隙完全由CMTS 集中控制为了各CM 能准确地将数据送入规定的时隙必须测距和同步而CMTS 如何进行上行带宽动态分配需要各CM 随时上报带宽申请信息带宽申请信息使用CS 上传由于CS 是多个CM 竞争使用的所以上传的带宽申请信息可能发生冲突而失败失败后必须采用某种策略进行重发直到成功或最终抛弃相应数据

HFC 网络提供双向宽带业务可采用两种传输方式ATM 传输和IP 传输为此出现了两类相关标准IEEE802.4和MCNS IEEE802.14支持ATM 传输MCNS 支持IP 传输3 I EEE802.14与MCNS 的比较

1994年5月很多家致力于制定Cable 数据通信国际标准的商家组成了IEEE802.14CATV 的MAC 和Phy 协议工作组该工作组的最初目的是要在1995年10月向IEEE 的LAN/MAN 标准协会递交Cable Modem 的MAC 和Phy 层标准随后IEEE802.14工作组制定了HFC 网络进行ATM 信元传输的Phy 层和MAC 层协议在1997年3月由多家电缆厂商组成的MCNS 伙伴公司发布了Cable Modemd 的 DOCSIS Data-Over-Cable System Interface Specifical 协议该协议首先获得了SCTE(Cable 电信工程师协会)数据标准分组的认可最后于1998年3月被批准作为ITU 的一项新建议IEEE802.14选用ATM 传输作为其缺省的解决方案因为它能提供视频话音和数据业务综合传送的QoS 相反MCNS 使用一种更适合不定长IP 包传输的方案以降低 CM 的费用和复杂度

Phy 层协议定义电缆的电气特性诸如调制技术星座符号速率和频率使用等此外还有在端系统物理层上的扰码前向纠错(FEC)测距和同步等在Phy 层上IEEE802.14 与MCNS 的定义相似见图3

方向

IEEE802.14MCNS 下行64/256QAM 支持ITU’S J.83的附件A B C

只支持ITU’S J.83的附件B 北美标准

上行

QPSK 16QAM QPSK 16QAM 图3 IEEE802.14 与MCNS 的调制方式

虽然IEEE802.14和MCNS 标准的MAC 层协议有很多相似的功能要求但从根本上看是不一样的该层协议定义高层业务流映射和上行信道访问策略它包括竞争时隙的接入和冲突处理等另外在两种标准中消息格式管理和安全层起始比特位的定义也不相同

IEEE802.14的MAC-PDU 是在每个ATM 信元前加1字节开销而MCNS 的MAC-PDU 是在IP 分组或1个或多个ATM 信元前加6个字节甚至更多开销两种MAC-PDU 格式如下

1 byter

MAC ATM 信元

a IEEE802.14的MAC-PDU

个或多个ATM

b MCNS的MAC-PDU

图4 IEEE802.14和MCNS的MAC-PDU

MAC协议仲裁CM与CMTS之间的信息流使上行发送不会引起冲突上行带宽申请信息碰撞后的处理采用CRP协议碰撞处理协议CRP协议使用的碰撞处理算法很多主要有以下两种tree-based算法和p坚持算法IEEE802.14 工作组选用了前者因为它的接入时延变化小符合ATM传输的QoS要求MCNS采用后者因为它吞吐量大且算法简单

tree-based 算法最主要的特点是为各CS分配一个请求号RQ某个请求只能竞争使用特

定RQ号的那一类CS这样既保证了公平性又降低了冲突的几率而p坚持算法是在申请信息冲突后逐步增大后退窗口以减小冲突的可能性所谓p坚持是指冲突后的申请在调整过的后退窗口时间段内以概率p任选一个时刻重发申请有此可知它们的下行帧结构也应该不一样至于上行帧结构它完全由CMTS决定

IEEE802.14的下行帧格式如下图

ATBi Feedback Grant Data

图5 IEEE802.14的帧格式

ATBi规定在下一上行帧中能够上发的新请求以数据到达CM的时间进行限制

Feedback返回前一上行帧的各CS使用情况内容为成功或一个RQ号指示在哪一组CS中重新发该失败请求

Grant指定下一上行帧微时隙的使用规则

MCNS的下行帧结构如下图采用后退窗口来控制对上行信道的接入

Ack时间最小窗口最大窗口Grant确认Data

图6 MCNS的帧格式

Ack时间

最小窗口station初始上发请求的最长等待时间失败后加大再失败再加大直到

最大16次失败则扔掉相应MAC-PDU

最大窗口station每次上发请求的最长等待时间

数据grant规定下一上行帧的微时隙使用规则

确认说明请求已经收到但需等待以后的Data grant

IEEE802.14和MCNS各有各的优缺点IEEE802.14方案对ATM业务具有较低的平均延时和延时变化但对IP业务由于要拆装包而吞吐量不高相反MCNS标准对IP业务是一种很具吸引力的方案但是它需要更优良的机制以支持更好的QoS

4 总结

基带传输的容量受限一般为155Mb/s或622Mb/s相比之下射频宽带技术通过对

频带的分配可以进行多种语音数据和视频的传输这种新的有效的网络结构可避免在未来对现成数据网络的升级而进行重新布线由于使用模拟方式所以不需要任何终端接口设备任何标准的电视机都行在这种强大的传输媒体上可以同时传80多路双向的视频信号模拟和数字设备可以共享其上的容量只有长距离的连接才需要对信号进行压缩和数字化以保证信号通过公用网的质量现已有多家厂商开发了支持IEEE802.14或MCNS标准的CM 和CMTS设备随着大容量CM的开发成功和性能价格比趋于合理HFC技术将在宽带综合接入方面取得非常广泛的应用