江璐 黄如星
1 Cable Modem接入技术
1．1 概述
中国有线电视网络经过十几年的发展，已迅速成长为拥有8000万用户的全国最大的接入网络。接入网直接面向用户，量大面广，在网络基础设施中占有50％以上的份额，那么如何在保护原有投资的基础上建成低运营成本、可扩展且能最大程度适应未来市场变化的接入网呢？有线电视双向HFC网作为网络人户的“最后一公里”十分令人瞩目，其宽带特性可基本满足人们低成本、可升级和弹性过渡的要求。随之推出的Cable Modem也被认为是信息时代有线电视多功能宽带网络接入中最具竞争力的解决方案之一。
1．2 Cable Modem原理
Cable Modem是一种可以通过有线电视网络进行高速数据接入的设备（图1）。它一般有两个接口，一个与有线电视用户端口相连，另一个与计算机或HUB相连。 Cable Modem不仅包含调制解调功能，还包括电视接收调谐、加密解密和协议的适配，它还可能是一个桥接器、路由器、网络控制器或集线器。
Cable Modem系统的性能主要由调制技术、数据率、带宽及频率范围来描述。
有线电视网络具有天然的宽带特性，可以满足各种宽带业务对带宽的要求。在HFC系统中，整个通信带宽被分成上下行两个频带。通常上行使用 5～42 MHz的频带，下行使用 45～750 MHz，甚至高达 1000 MHz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。 Cable Modem要在两个不同的调制方向上接收和发送数据，把上、下行数字信号用不同的调制方式调制在双向传输的某一个频道上，普遍用的调制方法有 QPSK和 64QAM。它提供极快的接入速度，对于每个 6 MHz（或 8 MHz）带宽的下行信道，能配合提供多个上行回传信道，而且在同一网络上可以同时提供多个下行频道，每频道承担部分负荷，下行速率最高可达 36 Mbps；上行信道带宽为1～2 MHz，速率为 2～10 Mbps。使用 Cable Modem下载数据速度极快，下载一部可放映 2小时的 4 GB数据量的 MPEG－2编码高清晰度电影，用 28.8 kbps的 Modem需传13天，用 56 kbps的 Modem需传 7天，用 10 Mbps的速率需传 54分钟，而用 30 Mbps的 Cable Modem仅需18分钟。
Cable Modem使用的是共享访问平台，通常每个频道可供上网的人数设定为最多 2 000人，实际应用为500～1000人。很多人认为，如果某个节点（一个节点相当于 250到500个家庭）的用户同时上网，可能出现争夺带宽的现象。其实，现实往往并非如此。 Cable Modem用户可与从事其他活动的用户共享网络，仅仅当他们在传送或接收数据的瞬间才占用网络带宽，因此，网络带宽是可动态分配的。例如，在一般情况下，一名用户首先下载信息，然后停下来阅读已经下载的信息，这时，另一名用户就可以利用前者的“静止”时间继续享用带宽。
系统还可以通过灵活地分配附加带宽的方法来解决带宽不足，例如再分配一个频段，就能倍增下行速率域是在用户段重新划分物理网络，按照访问频度给用户合理分配带宽甚至提供专线。
Cable Modem属于共享介质系统，与共享以太网属于同一种传输方式。它必须满足计算机网络通信的要求，用标准的10Base－T接口与计算机相连，并将一个标准的局域网经有线电视网进行远程扩展，所以在物理层官必须满足有线电视的电气接口标准。在CATV网络通信的底层采用IEEE802．4令牌总线（Token Bus）通信协议以适应有线电视网络传输延时长和星／树型拓补结构的特点，而网络通信协议则采用端到端的IEEE802．3以太网标准。
1．3 Cable Modem头端控制器
Cable Modem的头端控制器（Cable Modem Termination System，CMTS）是 Cable Modem系统的核心部分，其功能完善程度决定了整个系统的性能。 CMTS的主要功能是用来管理控制Cable Modem以及进行上行和下行数据之间的传输频率转换，提供以太网和有线电视网络的连接，进行数据频率分配。具体包括：射频电平的自动调节，基于IP的数据和射频载波之间的转换，提供对Cable Modem进行管理的SNMP接口，分别在上下行方向提供频带的管理。整个系统通过数据／语音压缩、动态带宽分配、QoS控制等，为集团用户构造三网融合的数据、语音和图像传输的综合解决方案。
头端控制器一般通过10／100Base－T或ATM OC3等接口与上一级骨干网络相连，或直接连到本地服务器享受本地业务。
CMTS与CM的同步及一些权限机制的规定，存放在配置文件中，所以当Cable Modem锁住上下行频道，并且由DHCP服务器得到TFTP及配置文件的相关信息后，就前往TFTP服务器抓取配置文件，然后根据配置文件向CMTS登录注册。
1．4 Cable Modem标准
Cable Modem现有二大竞争标准，即 DOCSIS（电缆系统传输接口数据规范）标准和 DVB／DAVIC（数字视频广播／数字音频视频委员会）标准。MCNS制订的DOCSIS接口标准为在现有的有线网络基础上实现高速数据传输提供了一系列的标准，它采用了以太网和MPEG主流技术，借用MPEG－2技术扩展了数据容量，对视频数据流进行编包分组，使其进入有线电视的模拟网络。 DOCSIS接口标准解决了传统Cable Modem存在的一些问题，还定义了保持本系统正常工作所需的操作支持系统、基本保密系统等。
1.5 QoS
HFC网络提供了有线介质前所未有的带宽和速度，但由于Cable Modem系统使用的是共享介质平台，就要求系统能提供完善的业务质量（QoS廉满足用户对数据传输网的近于苛刻的要求。在这种网络上发展的各种宽带新业务、实时传输业务才能适应未来的发展趋势，成为信息产业和经济发展的必要保证。
在Cable Modem系统中，QoS是由多方面决定的。头端控制器通过各种机制实现带宽的动态分配、射频电平的自动调节、调整网络资源的占用等，以确保通信质量；网管系统可根据用户访问频度及通信量的大小定义多种业务等级并收取相应资费，以保持高的频谱利用率和性能；在网络设计时，应保持网络硬件资源的可扩展性，一旦业务流量增大，要相应增加网络的传输能力以满足需求；此外，限制每个控制器所带的用户数、降低上行回传噪声等，也是实现QoS的有力保障。
保证系统的 QoS，可对业务进行分类，对不同类业务在占用网络资源时，给予不同优先级，并对不同传输质量的业务实行不同收费标准，这就是分层业务级别（CoS）。如区分“网上交易”与“网上聊天”的重要程度，区分费率、网络资源的占用、服务等级等。
2 网络体系结构
2.1 网络拓扑
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。利用现有CATV网络和Cable Modem系统高效可靠地实现地币到县及乡镇的联网，应对网络结构进行整体的考虑。
网络的拓扑结构以星树型为主。在树根处是CMTS，从CMTS到邻近节点使用光纤，在光纤末端的光节点进行光／电转换。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，一般到光节点处的光缆有4芯以上的光纤，其中1芯用于传送下行模拟电视信号和数据，1芯传送上行信号，其余作为备份。HFC网络中的CMTS及网络中心的其它设备，在系统中起交换／路由中心的作用。CMTS是HFC网络对外通信的出口，可以置于网络控制中心。 CMTS到最远用户的距离最大约 80 km。
系统组网主要采用Cable Modem、集线器和路由器等网络设备。其中Cable Modem是基于双向HFC实现计算机联网的关键设备。网络中心一般由Cable Modem头端控制器、各种服务器。网管系统、路由器及各种业务的接入系统等组成，用户通过Cable Modem的调制解调实现数据的交换。
2．2 双向光传输网络（图2）
网络设备的定型和购置可分步完成、逐步扩容，但Cable Modem系统的网络基础设施即双向光缆网络设计改造需要先期完成。CATV光纤传输网络不但要求高质量地传送各种正向宽带RF信号，还要求具有反向回传图像、数据、语音等信号的功能。回传光链路应具有极佳的接收匹配，失真小、灵敏度高，以确保电话、图像、数据信号的高质量传输。
为获得满足要求的载噪比及分配给每个用户更多的频率带宽，一个光节点应覆盖约500个用户。
2.3 上行回传噪声
有线电视系统广泛采用树型网络的拓扑结构，这虽然有利于不行信号的传输，但却容易造成上行噪声的汇聚，即所谓的“漏斗效应”。
CATV网络进行双向改造后，上行路径对入侵的干扰信号非常敏感，这些干扰信号来自电缆所经过的各个站点，干扰源为：来自HFC网的背景噪声和互调干扰、侵入噪声、脉冲噪声。在网络设计时，应考虑抑制或降低噪声，如使用性能指标高的部件（包括连接器、分支分配器、电缆等）；也可以考虑使用滤波器，返回路径降噪器在对上行路径进行降噪的同时，可对回路衰减进行均衡。
在选择数据通道时，应采用与已用的电视频道相互干扰影响少的频道作为下行数据通信的通道。上行通道应根据厂商提供的性能参数指标结合实际情况，选择一个上行主通道和若干备用的跳频通道。在COM21 公司的Cable Modem系统中，为减少系统的上行噪声漏斗效应，加入了回传通道复用器（RPM），它是一个高速的多端口射频开关，使多路信号合成后送到头端以达到抑制叠加噪声的效果。
2.4 与骨干网的连接
在网络中心与上一级骨干网相连，可实现因特网的接入、上一级广播电视节目的下传、本地节目的回传等功能，做到资源共享，优势互补。
Cable Modem的头端控制器除连接本地信号上、下行的接口外，一般有多种可选的模块化的广域网接口。根据骨干网所给出的网络接口及其高速率的要求，可选择ATM、SDH、FR、DDN等接入。
2．4.1 SDH/ATM OC－3
SDH骨干网层是网络的基础，具有高速率和大容量；ATM的突出特点是可以灵活地支持现有的和将来可能出现的各种业务，且有 QoS保证，能达到很高的网络资源利用率，是一种既适用于局域网又适用于广域网的网络技术。
广播电视系统的地市接入网与上一级网络的连接，大多是与建立在骨干SDH之上的ATM网接口，因此可利用CMTS中的可选的OC-3 接口直接连至骨干网。
2.4.2 帧中继 FR
帧中继是当今大多数大型数据网络的基础，而且仍将是非常有用的商业业务，它没有ATM的巨大花销，并且正在不断演进，以支持多种服务质量和交换虚拟连接（SVC）。
帧中继采用了虚电路技术，能充分利用网络资源，为用户提供高速率、低延时的突发性数据传送业务。它能提供的最大速率是4.5 Mbps。CMTS可直接通过网桥／路由器接入帧中继网中，以实现专用数据的访问。
2.4．3 DDN
DDN（Digital Data Network，数字数据网）是随着数据通信业务的发展而发展起来的一种新兴网络，它利用数字信道提供永久性电路，以传输数据信号为主，为用户提供专用的数字数据传输通道，为用户建立自己的专用数据网提供条件。
网络控制中心的 CMTS可通过复用器与 DDN节点机相连，并经 V.24，V．35，X．21接口和音频接口及低速用户终端相连，DDN网络管理中心能够对它进行配置、检测、调度和管理。
2．5 建立网络控制中心
在系统的中心节点建立网络控制中心，可提供ISP服务和各种数据（包括政府、广播、影视资料、商务、股票、金融、公交、企事业、农业等）的采集、录入、存储、检索、访问和公共信息的发布。利用Cable Modem系统及上一级骨干网实现多媒体数据的传输交换和采集。
网络中心主干设备由交换机、服务器组（包括大型双机热备份服务器）、大容量磁盘存储设备、网管、对外接入设备等组成。
服务器内部配置Web，FTP，E－mail，DNS等功能服务器。支持中心完成ISP提供的各种因特网服务。建立管理系统完成ISP的计费、代理服务、域名管理、安全保障等工作。服务器依信息容量和交换容量，可选择大中容量的企业级数据服务器。设立防火墙系统，建立内外网络的隔离，以提高整个系统的安全性。
中心对外连接有二路，一路与骨干SDH网互连，另一路通过路由器与国际互联网连接。
3 网络业务需求
该系统应是一个宽带、双向、交互式的多功能综合业务网，可实现以下功能：
1）数据通信：主要实现因特网访问、本地信息查询等数据业务
通过HFC和Cable Modem提供因特网的接入或本地数据信息的共享，是在有线电视网络上开发的增值业务之一。它为用户访问因特网提供了一条高速率。低费用的通道，如图3所示。
该网络可同时实现各站点间的计算机联网、会议电视、可视电话、远程监控等多功能业务，大大推进行业及部门的信息化建设的发展。
数据通道还可提供多媒体信息的传输，如 VOD和 CD－ROM服务器的接入等；用户可通过 Cable Modem交互式地访问远程视频服务器，点播或下载电影、音乐等。VOD系统所提供的丰富的节目源和高质量的图像是家用录像机所无法比拟的。
在数据通信中，可分别对不同用户设置相应的业务等级并收取相应的费用，如为集团用户提供1．5Mbps的速率，为 SOHO应用提供 1Mbps或 200 kbps的速率，而为个人用户提供 200 kbps或 50 kbps的通信速率。定义不同的业务等级仍能为各种需求的用户提供性能保障并保证频谱利用率。
整个接入方案支持客户机／服务器的结构，集团或个人用户的电脑是这个结构中的用户端。用户直接操作用户端的软件来实现与应用服务器的数据通信和服务使用。
2）话音通信：主要实现IP电话业务
有线电视网络见电话的出现为有线电视用户提供了一种可大量节约通信带宽且话费低廉的电话业务。作为未来数据通信战略的一部分，它的迅速发展对传统电话的运营造成了越来越大的冲击。随着因特网技术的发展，人们也逐步认识到，在信息网络领域，数据业务最终将取代语音业务而成为网络系统的主要业务。
在有线网络中，话育信号被打成IP数据包进行传送，用户应选择能提供IP电话业务的Cable Modem接收数字化的语音数据。接入网络既可连接本地PSTN提供市话业务，还可通过因特网与世界各地通话，话费低廉，充分体现了IP电话所带来的极大的优越性，如图4。
3）为政府机关和集团用户建立虚拟局域网（VLAN）
计算机网络的普及和网络宽带化的发展使共享式局域网难以满足多种业务的需求。近年来，虚拟局域网技术得到了广泛的应用，VLAN已成为局域网、城域网和广域网的一项关键应用。虚拟局域网实际上是与位置无关的局域网。从原理上讲，虚拟局域网与传统的集线器和路由器所构成的局域网并没有本质的差异。对于虚拟局域网，由一个站点发送的广播信息帧只能发送到具有虚拟网号的其它站点，而其它虚拟局域网的站点则接收不到该广播信息帧。因此，在同一个VLAN，用户能方便、高效地进行通信，如图5。
虚拟局域网具有如下技术特点：
（1）借助于网络管理软件，轻松地配置和构建逻辑虚拟局域网，大大降低了网络建设成本，减少了网络管理开销；
（2）对广播域范围加以限制，有效降低了网络的广播风暴；
（3）借助于VLAN，网络管理员能限制用户的数量，禁止非法用户访问；
（4）可基于多种策略（如基于端口、MAC地址、IP地址等）将网络中的若于个计算机及服务器设置成某一虚拟局域网，全面提高网络的安全性。
Cable Modem系统提供了模块化的VLAN接入功能，可根据需要增加VLAN数量。
4） VPN
虚拟专用网络（VPN）是远程接入的一次重要观念变革，它的基本概念是利用公共网安全地传输企业内部数据。它主要是针对企业远程接入需要而产生的一种技术，其特点是廉价、安全和方便。利用VPN，连接建立分布在全国甚至世界范围内的企业网成为一种很现实的可能性。利用无处不在的因特网和有线电视网，建立起自己的内部网络，把开放和专用统一起来，这就是VPN的脸力所在。
VPN可以建立在因特网上，也可以建立在网络运营商的IP、帧中继或者ATM基础设施之上。基于VPN业务运行内联网的企业可以像在他们自己的专用网中一样，享受同样的安全性、优先级别、可靠性和可管理性。
VPN适用于在多处设有分支的大公司，例如，银行可以通过VPN将其所有分行联在一起。在有线电视网络中，很容易在本地管理器上建立虚拟专用网（图6）。另外，有线电视网络还可通过专用出口与外界连接。
通过为企业用户提供端到喘的VPN业务，网络运营商可以增加收入，获得利润，也能够使自己在竞争激烈的币场中独树一帜。由于用户和网络运营商一起来满足企业特定的网络需要，因此他们更加忠实可靠，从而减少了用户的流失，拥有了一个更加稳定、更有利可图的用户群。
4 系统管理与安全控制
系统管理与安全控制贯穿于整个网络系统，负责整个系统的协调工作及安全控制。
4.1 网络管理系统
广电网是一个以传输广播电视节目为主兼有各种信息传输的综合网，所开展的应用不是固定的，而是不断增长的，因此必须适当开展网络资源管理、用户管理、计费管理等方面的工作研究，以适合多种业务的开展。
由于有线电视网络属于集中控制管理模式，因此系统网管系统仍集中和自动管理网上所有Cable Modem的参数，如 IP地址、访问数据和服务质量等；有选择地对多个连接到 Cable Modem上的计算机进行参数设置；对整个系统采用的加密算法进行统一管理讲对网络运行状态监控和故障诊断等。网络管理软件可以让管理人员足不出户完成整个网络的配置，又可以通过网络监控等功能完成对用户使用权限的设置。通过网管系统，运营商可以配置安全的虚拟专网，与付费系统接口，监视用户上网情况，诊断噪声特性以及执行其他功能。
4．2 安全控制
Cable Modem系统要求提供全面的安全性。
网管系统对整个系统具有统一的安全机制，但企业用户仍保留其控制他们自己的安全策略。对用户进行身份验证、授与用户访问权限并在网络上跟踪用户活动的权力。
首先用户访问服务器应经过身份验证。授权和计费；其次，用户应对自己的私有数据进行加密，系统保障数据的保密性和完整性。
用户希望保证他们的应用和通信是独立和安全的，具有牢固的安全措施用来保证信息的保密性，例如数据加密、限制对授权用户的访问、在用户连接到网络后对其进行跟踪和实时入侵检查等。
4．3 系统的可靠性和可扩展性
（1）整个系统解决方案应支持多种容错技术。
（2）系统应采用不间断电源来增加系统可靠性。
（3）根据接入网的需求不同，网络中的各个设备都可以替换，数据将由安全技术得到保护；一旦发生故障，任何应用软件可以透明地转移到其他机器上。
（4）方案应可以根据不同的规模进行任意的配置，为加强计算机能力可以增加更多的内存和CPU，甚至可以增加更多的服务器进行负载平衡。
（5）当用户或子网的数量增加时，只需增加CM的头端设备和用户端设备即可完成硬件的扩展。
（6）系统应有最佳的解决方案来满足其业务级别协议中规定的性能要求，减少由于意外部件故障而导致业务中断的危险，应在键路或设备发生故障时提供备用路由。
5 实际应用举例
浙江省萧山市综合业务信息网采用ATM＋Cable Modem作为数据传输平台，实现了全市31个乡镇和城区8个点以及市政府、广电局的数据联网。该系统：能支持多种协议、多种标准；可与多个以太网接口，可与ATM网接口；系统内部可实现ATM交换；能设立多个虚拟局域网（VLAN）；能提供多种服务级别。在Cable Modem系统安装、双向放大器安装以及回传通道光链路建设中，取得了许多实际数据。
6 网络的经营策划
中国有线电视行业基本上是白手起家、滚动发展的，面对目前的产业化改革潮流，运营商所面临的挑战是如何将现有的基础设施转化为一种可迅速带来多重收入的多业务传输介质。网络的运转和网络本身的经营问题将是此网络发展成功与否的关键。
6．1 做好网络运营分析
有线电视网络应是一个运营级的网络，拓展市场、吸引客户是网络发展成长的基础。有线网具有宽带及覆盖面广的优势，无论采用何种组网方式，网络运营商都应对网络资源运用、系统安全保障有明确的分析、判断和决策，并根据网络的实际使用情况作出一定的运营预测；此外，有线电视网络应提供完善的服务，不断满足客户的需求，并要求在最大程度上适应末来的发展。
各地有线电视台情况不同，网络现状差异也较大，为了开展增值业务，要对自己的网络进行全面的评价，切不可盲目照般。在深入调查研究和多方面考察的基础上制定本台开展增值业务的规划和目标，经过有关专家论证，使其更加完善。
6．2 为集团用户上网提供便利
在网络建设完成后，为了让更多普通用户能加入到有线电视的网络上来，要加强大型企事业单位或集团用户（如银行、证券、学校等）的上网需求。为重要的用户提供光纤到大楼的便利条件，价格等方面给用户提供更满意的选择条件。随着信息产业的飞速发展，可以在网络中心开展虚拟主机的业务，让政府部门、机关单位或是企事业单位不但可以连接到网上，还可以在网上亮相，介绍公司或政府的职能，让用户更加了解他们的重要举措，了解他们的方针政策。对于银行或证券部门，用户可以通过网络进行消费或网上证券业务的发展，让用户坐在家里便可以获得更多的信息。对于高等院校也可以开展网上图书馆或远程教育等业务，用户在家里就可以进行交互式地学习。有条件的公司或部门可以自己建立公司或部门的网站，对外发布其相关信息或有价信息，使用户在网络中可以了解更多的知识或信息，进一步感受到信息产业的迅猛发展。
6．3 开展多种网络业务，吸引更多用户上网
为了推动城市信息化进程，有线网除提供多套视频节目（包括数字电视政）外，还应向用户提供因特网连接及各种数字服务，而所花费用能为个人用户所承受，这是目前城市（特别是大城市）的用户热切期待的。因此，首先应将CATV单向网升级为提供多套视频节目及提供双向数据服务的网络，满足用户的需求；然后再在此基础上，扩充前端的服务功能，如增加节目库，实现娱乐节目点播。在CATV双向网中，有了双向数据传输网，配以多种数据服务设备（包括交换、数据处理、数据存储、数据采集设备等等），网络就有可能提供各种各样的数据信息服务。成千上万的暂时没有PC机的用户可以通过电视机（加装机顶盒）上网。网上的应用在这时就显得极为重要。只有更好地方便用户，用户才能更多地加入到有线电视网络上来。
面对新的市场竞争，CATV网络运营商的当务之急是提高市场渗透率，在使用中学习经营，开拓市场。当网络的用户发展到一定的规模，网络的改造扩容便成为下一步要完成的任务。只有这样才能进一步缩短投资回收期，获得稳定的收入，达到以网养网的目的。
摘自 中国CATV
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