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持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,大大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,其优点是可以支持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,可以支持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指导下,一直支持以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)对服务类型的支持
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,来支持不同的服务类型,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。
摘自《赛迪网》
|