Cable Modem技术及其应用

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邓永红
     
     
     　　随着信息时代的到来，网络在人们的生活中显得越来越重要。随着全球互联网的迅猛发展，上网人数正以几何级数快速增长，以因特网技术为主导的数据通信在通信业务总量中的比列迅速上升，因特网业务已成为多媒体通信业中发展最为迅速、竞争最为激烈的领域。
     
     　　目前，Internet通过电信拨号的接入速度极其缓慢，一般电话的Modem只能提供几十Kbit/S的传输速率，其速率和带宽不可能很好地支撑多媒体信息等宽带业务。
     
     　　随着多媒体通信的发展，因特网接入宽带化的需求日益迫切。而有线电视网拥有丰富的带宽资源，同时，目前我国有线电视用户已经达到了8000万户，有线电视网络的里程超过了240万公里，中国已经成为世界第一大有线电视用户国。有线电视网络具有巨大的产业开发价值，构筑基于有线电视网的Internet宽带信息网，不仅仅是广大用户的企盼，更是有线电视网实现第二次腾飞的关键所在。
     
     　　我国的城市有线电视网络经过近年来的升级改造，正逐步从传统的同轴电缆网升级到以光纤为主干的双向HFC网，提高了网络传输的可靠性、稳定性，而且扩展了网络的传输带宽。HFC的数字通信系统可通过电缆调制解调器（Cable Modem）系统实现，可以使Internet高速接入，有由窄带向宽带过渡。通过HFC网络可获得高于电话Modem几百倍的接入速度。
     
     一、Cable Modem与普通 Modem的比较
     
     　　Cable Modem的通信和普通Modem一样，是数据信号在模拟信道上交互传输的过程，但也存在差异，普通Modem的传输介质在用户与访问服务器之间是独立的，即用户独享传输介质，而Cable Modem的传输介质是HFC网，将数据信号调制到某个传输带宽与有线电视信号共享介质；另外，Cable Modem的结构较普通Modem复杂，它由调制解调器、调谐器、加/解密模块、桥接器、网络接口卡、以太网集线器等组成，它无须拨号上网，不占用电话线，可提供随时在线连接的全天侯服务。
     
     二、Cable Modem的分类
     
     　　Cable Modem的类型大致可以分为以下几种：
     
     （1）从数据传输方向上有单向和双向Cable Modem之分。
     
     （2）从传输方式上可分为双向对称式传输和非对称式传输。对称式传输速率为2Mbps～4Mbps，最高能达到10Mbps。非对称式传输下行速率理论值为41.7Mbps(Euro DOCSIS V1.1标准 /640AM),上行速率为256kbps～10.24Mbps(Euro DOCSIS V1.1标准)。
     
     （3）从网络通信角度上有同步（共享）和异步（交换）两种方式。同步方式是以IP交换的数据通信为基础的以太网技术，网络用户共享同样的带宽，当用户增加到一定数量时，其速率急剧下降，但采用有关技术可以避免或减少网络拥塞现象。异步方式是基于ATM分组交换技术，其电路实现较前一种复杂，系统造价较前一种高。
     
     （4）从接入角度来看，可分为个人Cable Modem和多用户宽带Cable Modem，宽带Cable Modem是多用户共享方式，可以具有网桥的功能，可以将一个计算机局域网接入。但宽带共享式存在安全性不好等缺点。
     
     （5）从硬件接口角度分，可以分为外置式和内置式。外置式Cable Modem置于PC机外，通过网卡与电脑连接，它提供一个标准的10Base―T/100Base―T以太网接口同用户的PC机或以太网集线器相联，其优点是可以支撑局域网上的多台计算机同时上网，内置式Cable Modem是一块PCI卡，其价格比外置式CM便宜，缺点是只能用在台式电脑上，不能在手提电脑上使用。
     
     （6）从功能上分，可分为数字电视机机顶盒、网络机顶盒和多媒体交互式机顶盒。交互式机顶盒是真正Cable Modem的化身，它综合了前两种机顶盒的所有功能，可以支撑几乎所有的广播和交互式多媒体应用。
     
     三、Cable Modem的标准体系
     
     　　目前Cable Modem产品有欧、美两大标准体系，DOCSIS是北美标准，DVB/DAVIC是欧洲标准。
     
     （1）北美标准体系
     
     　　北美标准体系包括MCNS（多媒体有线电视网络系统）和Cable Labs（有线电视实验室）两大组织。1995年12月，MCNS组织先后发表了MCNS的8个文件，统称为“Data Over Cable射频接口规范”，即后来的DOCSIS标准。1998年有线电视实验室提供了DOCSIS的正式程序以保证各个不同厂商的产品有兼容性。在1998年3月，国际电信联盟接受DOCSIS标准，作为Cable Modem的标准，称为ITU―J.112―《交互式有线电视业务传输系统》。1999年4月有线电视实验室发表了第二代标准，即DOCSIS1.1，其功能比以前有很多改进，2000年又发表了Euro DOCSIS1.1欧洲规范，其系统在频道划分、频道带宽、信道参数的规定上完全兼容欧洲标准。DOCSIS提供了宽带、高质量的语音、商业级的数据服务以及通过网络共享Cable Modem提供的多媒体服务。
     
     （2）欧洲标准体系
     
     　　欧洲标准体系包括DVB（数字视频广播）、DAVIC（数字音视频理事会）以及ECCA（欧洲有线电视运营商联盟）三个组织。DVB和DAVIC组织长期致力于数字视频标准的制订。DVB/DAVIC是DOCSIS标准在欧洲的强有力的挑战者。Euro Cable Labs(欧洲有线电视实验室)在欧洲有线电视联盟的引导下，一直支撑以DVB/DAVIC的为基础的“欧洲调制解调器”1999年5月欧洲有线电视实验室发布了基于DVB/DAVIC的Euro Modem规范，DVB Cable Modem是欧洲经营者的首选。
     
     　　上述两大标准体系的频道划分、频道带宽及信道参数等方面的规定，都存在较大差异，因而互不兼容。北美标准是基于IP的数据传输系统，侧重于对系统接口的规范，具有灵活的高速数据传输优势；欧洲标准是基于ATM的数据传输系统，侧重于DVB交互信道的规范，具有实时视频传输优势。从目前情况看，兼容欧洲标准的Euro DOCSIS1.1标准前景看好，我国信息产业部―CM技术要求（征求意见稿）类似于这一标准。
     
     四、Cable Modem的主要参数
     
     下行频率 54―860MHZ
     
     下行调制方式 64QAM、256QAM
     
     载波带宽 6MHZ
     
     信号速率 64QAM 30.336 Mbps
     
     256QAM 42.884 Mbps
     
     上行频率 5―65 MHZ
     
     上行调制方式 QPSK、16QAM
     
     载波带宽 200―3200KHZ
     
     信号速率 320Kbps―10.24 Mbps
     
     上行误码率 23dBCNR 1*10E―9
     
     下行信号接收电平 -15dBmV―+15dBmV
     
     上行信号发射电平 8dBmV―58dBmV
     
     五、Cable Modem的工作过程
     
     　　以DOCSIS标准为例，Cable Modem的技术实现一般是从87 MHZ―860MHZ电视频道中分离出一条6MHZ的信道用于下行传送数据。通常下行数据采用64QAM（正交调幅）调制方式或256QAM调制方式。上行数据一般通过5 MHZ―65 MHZ之间的一段频谱进行传送，为了有效抑制上行噪音积累，一般选用QPSK调制（QPSK比64QAM更适合噪音环境，但速率较低）。CMTS（Cable Modem的前端设备）与 CM（Cable Modem）的通信过程为：CMTS从外界网络接收的数据帧封装在MPEG―TS帧中，通过下行数据调制（频带调制）后与有线电视模拟信号混合输出RF信号到HFC网络，CMTS同时接收上行接收机输出的信号，并将数据信号转换成以太网帧给数据转换模块。用户端的Cable Modem的基本功能就是将用户计算机输出的上行数字信号调制成5 ―65 MHZ射频信号进入HFC网的上行通道，同时，CM还将下行的RF信号解调为数字信号送给用户计算机。
     
     六、Cable Modem接入在有线电视网络的实现
     
     1．系统结构
     
     　　Cable Modem的前端设备CMTS采用10Base―T，100Base―T等接口通过交换型HUB与外界设备相联，通过路由器与Internet连接，或者可以直接联到本地服务器，享受本地业务。CM（Cable Modem）是用户端设备，放在用户的家中，通过10Base―T接口，与用户计算机相联。
     
     2.上行信道带宽的分配
     
     　　MCNS（多媒体有线电视网络系统）把每个上行信道看成是一个由小时隙（mini-slot）组成的流，CMTS通过控制各个CM对这些小时隙的访问来进行带宽分配。CTMS进行带宽分配地机制是分配映射（MAP）。MAP是一个由CMTS发出的MAC管理报文，它描述了上行信道的小时隙如何使用，如：一个MAP可以把一些时隙分配给一个特定的CM，另外一些时隙用于竞争传输。每个MAP可以描述不同数量的小时隙数，最小为一个小时隙，最大可以持续几十毫秒，所有的MAP描述了全部小时隙的使用方式。MCNS没有定义具体的带宽分配算法，只定义进行带宽请求和分配的协议机制，具体的带宽分配算法可由生产厂商自己实现。
     
     (1）上行信道访问方式
     
     　　CMTS根据带宽分配算法可将一个小时隙定义为预约小时隙或竞争小时隙，因此，CM在通过小时隙向CMTS传输数据时也有预约和竞争两种方式。CM可以通过竞争小时隙进行带宽请求，随后在CMTS为其分配的小时隙中传输数据。当CM使用竞争小时隙传输带宽请求或数据时有可能产生碰撞，若产生碰撞。CM采用截断的二进制指数后退算法进行碰撞解析。
     
     (2）对服务类型的支撑
     
     　　MCNS除了给每个CM分配了一个48比特的物理地址之外，还给每个CM分配了至少一个服务标识（Service ID），服务标识在CMTS与CM之间建立一个映射，CMTS将基于该映射，给CM分配带宽。CMTS通过给CM分配多个标识，来支撑不同的服务类型，每个服务标识对应于一个服务类型。MCNS采用服务类型的方式来实现QoS管理。
     
     3．CM与CMTS的交互
     
     　　CM在加电之后，必须进行初始化，才能进入网络，接收CMTS发送的数据及向CMTS传输数据。CM的初始化是经过与CMTS的一系列交互过程来实现的。Cable Modem的初始化过程如下：
     
     (1）检测RSM：当CM接通电源后，CM首先要确认可移去的安全模块（Removable Security Module, RSM）是否存在于RSM时隙中。
     
     (2）与CMTS建立同步：在初始化或信号丢失时，CM必须与一个下行信道建立同步。CM有一个存储器，其中存放上次的操作参数，CM将首先尝试重新获得存储的那个下行通道，如果尝试失败，CM将连续地对下行信道进行扫描，直到发现一个有效的下行信号。CM与下行信号同步的标准为：与QAM码元定时同步、与FEC帧同步，与MPEG分组同步并能识别下行MAC的SYNC报文。
     
     (3）获得上行信道的传输参数：建立同步之后，CM必须等待一个从CMTS发送出来的上行信道扫描符（UCD），以获得上行信道的传输参数。CMTS周期性地传输UCD给所有的CM，CM必须从其中的信道描述参数中确定它是否可能使用该上行信道。若该信道不适合，那么CM必须等待，直到有一个信道描述符指定的信道适合于它。如在一定的时间内没有找到这样的上行信道，那么CM必须连续扫描，找到另一个下行信道，再重复该过程。在找到一个上行信道后，CM必须从UCD中取出参数，然后等待下一个SYNC报文，并从该报文中取出上行小时隙的时间标记（time stamp），随后它可以按照MAC操作和带宽分配机制在上行信道中传输信息。
     
     (4）校准：CM在获得上行信道的传输参数后，就可以与CMTS进行通信。CMTS会在MAP中给该CM分配一个初始维护的传输机会，用于调整CM传输信号的电平、频率等参数。另外，CMTS还会周期性地给各个CM发周期维护报文，用于对CM进行周期性的校准。
     
     (5）建立IP连接：校准完成后，CM必须使用动态主机配置协议（DHCP），从DHCP服务器上获得分配给它的IP地址，另外DHCP服务器的响应中还必须包括一个包含配置参数文件的文件名，放置这些文件的TFTP服务器的IP地址、时间服务器IP地址等信息。
     
     (6）建立时间：CM与CMTS需要有当前的日期和时间。CM采用IETF定义的RFC868协议从时间服务器中获得当前的日期和时间。RFC868定义了获得时间的两中方式，一种是面向连接的，一种是面向无连接的。MCNS采用无连接的方式从TOD服务器获得CM所需的时间概念。
     
     (7）建立安全机制：如果有RSM模块存在，并且没有安全协定建立，那么CM必须与安全服务器建立安全协议。安全服务器的IP地址可以从DHCP服务器的响应中获得。
     
     (8）传输操作参数：接下来CM必须使用TFTP协议从TFTP服务器上下载配置参数文件，获得所需的各种参数。
     
     　　初始化基本保密机制：在获得配置参数后，若RSM模块没有被检测到，CM将初始化基本保密机智。
     
     　　向CMTS注册：在完成初始化后，CM将使用下载的配置参数向CMTS申请注册，当CM接收到CMTS发出的注册响应后，CM就进入了正常的工作状态。
     
     　　有线电视HFC网络是一个宽带网络，具有实现用户宽带接入的基础。1998年3月，ITU组织接受了MCNS的DOCSIS标准，确定了在HFC网络内进行高速数据通信的规范，为电缆调制解调器（Cable Modem）系统的发展提供了保证。由于在HFC的数据通信系统Cable Modem中采用了IP协议，所以很容易开展基于IP的业务。通过Cable Modem系统，用户可以在有线电视网络内实现国际互联网访问、IP电话、视频会议、视频点播、远程教育、网络游戏等功能。采用Cable Modem在有线电视网上建立数据平台，已成为有线电视事业发展的必然趋势。