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最新HFC网络技术
HFC网络技术
第一章HFC网络概述
1.1HFC网络
1.1.1HFC网络的概念和发展
HFC是HybirdFiberCoax的缩写，及混合光纤同轴网。
光纤同轴混合网是这样一个网络：
在局端有前端设备进行有线电视信号处理和数据信号的桥接，主干线路使用光纤或低损耗同轴电缆传输模拟和数字载波信号，在用户小区使用同轴分配网络分配下行载波信号，汇聚上行数据载波信号。
按流向，HFC网络上存在上行和下行两种信号，下行信号以广播的形式从前端传输到各用户家中，上行信号则是点对点的形式从用户回传到局端。
下行信号也叫正向信号，上行信号也叫反向信号。
HFC网络是从有线电视网络发展而成，在有线电视出现时，网络规模较小，称作共用天线系统，网络线路一般由纯粹的同轴电缆组成。
后来网络规模扩大，由于信号在电缆中得损耗较大，一般要每隔200-300m得距离上加入放大器中继，由于在加入放大器得同时也引入了噪声，经过多级放大器后，信号的载噪比下降到使用户的收视质量不能接受，因此靠纯粹的同轴电缆不能将信号送得太远，后来随着光纤技术的成熟，光纤被引入到有线电视网络，光纤具有损耗小、不受电磁干扰、传输带宽宽等优点。
有线电视网络上原承载的业务一般只有电视和调频广播，这些业务都是单向的，只有从局端（前端）向用户的信号，而没有从用户到前端的信号，用户处于被动接受的位置。
随着数据通信的发展，以及对承载网络的数据传输速率要求越来越高，人们自然想到了有线电视网络，因为有线电视网络在我国已进入了千千万万的用户家中，具有广泛的接入基础，而且网络具有很高的带宽能力，十分有利于开展高速数据接入。
但原HFC网络是单向结构，也就是说信号只能从局端向用户广播，用户不能向局端发送信号，无法实现交互式业务，因此HFC网络需要进行改造，使之具有双向通信能力。
目前我国一些地区的HFC网络已开始进行了网络双向改造并实现了宽带的数据接入。
1.1.2HFC网络结构
有线电视网络上传输的电视和调频广播是模拟信号，行业内人士称承载模拟信号的系统（网络和设备）为A平台，承载数据业务的系统为B平台。
今后这两个平台在同一个HFC网络上面。
HFC网络一般有前端、光传输系统和用户分配网络组成。
图2-1是个典型的HFC网络。
下面分别简单地介绍HFC网络各组成部分。
图1-1典型的HFC网络
1.1.2.1前端
前端一般包括演播室、监控电视墙和设备机房，机房设备完成信号处理和发送，设备大多是19”的宽度。
A平台设备完成电视信号的处理，从各种信号源（天线、地面卫星接受站、录象机、摄象机等）解调出视频和音频信号，然后将音/视频信号调制在某个特定的载波上，这个过程称为频道处理。
被调制的载波占用8MHz的带宽，载波频率有国家标准规定，一路电视信号就是一个频道。
在前端多个这样的不同频率的载波被混合，混合的目的是为了将各信号在同一个网络中复用（频分复用）。
B平台设备指数字网设备，完成数据的交换、路由，还包括HFC网络与数字网的桥接。
在前端的数字设备一般有路由器、交换机、CMTS（CABLEMODEMTERMINATIONSYSTEM）等，还有各种服务器，如DHCP、DNS、WWW等。
为了能利用HFC网络将数据信号传输得更远，需要将数据信号进行调制，以利于在HFC网络上传送，CMTS就是完成桥接功能的设备。
它将下行的数据信号调制在某个空闲的频道载波上，与有线电视模拟信号混合后一同送入HFC网络，广播到每个终端；同时将用户上行的数据载波信号进行解调，还原出数据信号，送入数字网设备处理。
1.1.2.2光传输系统/干线
正向信号（有线电视信号载波和下行的数据载波）在前端混合后送往各小区，如果小区离前端的距离很近，直接用同轴电缆就可以传送，在主干线路上的同轴电缆线路叫作干线。
干线一般采用低损耗电缆，但一般300m左右的距离就需要加入放大器，干线上使用的放大器噪声系数较小。
如果小区离前端较远，如5-30Km，这样的距离传送就需要采用光传输系统。
请注意这里所讲的光传输系统不是指PDH或SDH，而是模拟的光传输系统，模拟光传输系统相对于数字传输系统，要求光端机有较高的发射或接受功率，以保证长距离传输后仍能使信号具有较高的载噪比。
光传输系统的作用是将射频信号（RF）调制到光信号上，在光缆上实现远距离传输，在远端光节点上从光信号中还原出RF信号。
光传输系统中的光发射机一般放置在前端机房，光接收机放置在小区。
对于传输距离特别远的线路，可以在线路中加中继，将光放大后在续传。
有些HFC网络为了节约资金，在光传输系统或主干线下还使用支干线传输，支干线用的同轴电缆一般较主干线同轴电缆稍小，损耗稍大，但成本要低。
反向信号（上行的数据载波信号）的传输路径与正向信号相反。
各用户的上行数据载波信号在远端光节点上汇聚后，调制到激光器上，从反向光发射机传送到前端机房，在前端机房从反向光接收机还原出RF信号，送入CMTS解调。
正向信号和反向信号可以采用空分的形式在不同的光纤上传送，也可以在同一根光纤上采用波分复用的方式传送。
反向光发射机与正向接收机可以构置在同一个机壳中，称之为光站。
光传输系统结构如图1-2。
图1-2光传输系统
1.1.2.3用户分配网络
用户分配网不仅完成正向信号的分配，还完成反向信号的汇聚。
正向信号从前端通过干线（光传输系统或同轴电缆）传送到小区后，需要进行分配，以便小区中各用户都能以合适的接收功率收看电视，从干线末端放大器或光接收机到用户终端盒的网络就是用户分配网，用户分配网就是一个由分支分配起串接起来的一个网络。
如图1-3。
图1-3用户分配网络
各用户的上行数据信号在CM中被调制，上行数据载波信号沿着正向信号相反的路径汇聚到光站上，分支分配器具有互易性，对正向信号起分支分配的作用，对反向信号起混合汇聚的作用。
尽管上行数据载波信号从用户端到光站的线路与下行载波信号从光站到用户的线路相同，但由于下行信号工作在高端频率，上行信号工作在低端频率，在同轴电缆上的损耗不同而使两者在同样的线路上损耗不一致。
1.1.3HFC网络的业务
在原来的有线电视网络上开展的业务只有电视和调频广播，国家标准规定了频道的划分。
不同的电视信号被调制在不同频道的载波上，这些载波混合后以广播的形式送到各家各户。
目前在HFC网络上逐步开展起来的数据业务是交互式业务，不但有从前端送往用户的下行信号，还有从用户上传的上行信号。
数据信号需要被调制到RF载波上才有利于在HFC网络上传输，上、下行载波信号以频分的方式在HFC网络中复用，按照DOCSIS标准，上、下行信号采用低分割的方式，即上行信号的载波频段是5--42MHz，而下行信号的载波频段是65--860MHz，而按照euroDOCSIS标准，上、下行信号采用中分割的方式，即上行信号的载波频段是5-65MHz，下行信号的载波频段是87--860MHz。
我国采用的标准接近euroDOCSIS，但目前网上有许多设备是采用DOCSIS标准。
下行数据被调制在空闲的频道载波上，与模拟电视信号载波一同广播到各家各户，因此数据载波与模拟载波也是频分复用。
下行RF信号频谱（部分）如图1-4。
图中频谱由2个模拟的电视信号频道和一个数据载波组成。
每个模拟频道占8MHz带宽，模拟电视频道频谱低端是图象载波，高端是伴音载波。
2个频道间是数据载波，占6MHz带宽。
图1-4频道频谱
用户的上行数据载波频率由CMTS上的设置决定，在5—42/65MHz的频段内，根据网络的噪声情况，挑选固有噪声小、突发噪声少的频带作为上行通道，CMTS定时下发这些通道的参数，某个CM（CABLEMODEM）上电时随机地选择某各上行通道作为自己数据上行的通路。
在这个上行通路上可以存在多个CM的上行信号，上行通路在时间上被分割成许多段，各个CM分占这些时间段，时间段占的越多上行带宽越宽。
同一通道中不同CM的上行信号是时分复用。
上行RF信号是从千家万户的终端回传，是从多点汇聚到一点，存在噪声累积的问题。
根据一些测试结果，大部分的噪声来自用户家中的电器，其次线路上由于电缆和接头屏蔽不良，也会引入外界噪声，设备本身也会产生噪声。
如果线路设计或或改造不好，回传噪声过大，可能使CMTS不能从噪声中分辨出信号，或者解调出的信号错误较大，引起大误码甚至根本不能解调信号。
由于上、下行通道的特性不一样，上、下行数据信号的调制方式也不一样。
下行通道有载噪比高、下行数据量大的特点，下行数据需要采用较高频谱利用率的调制方式，而抗干扰能力不强调，一般下行数据信号采用256QAM或64QAM的调制方法；而上行通道由于存在漏斗效应，前端噪声累积严重，要求上行数据信号采用抗干扰能力强的的调制方式，一般采用16QAM或QPSK，这两种调制方式频率利用律较低，数据速率小。
系统的主要性能分为上行通道和下行通道两部分。
上、下行数据载波信号采用了不同的调制方式、不同的载波带宽，因而上下行信号的数据传输速率也是不同的。
下行通道的频率范围为87～860MHz，每个通道的带宽为6MHz，采用64QAM或256QAM调制方式，对应的数据传输速率为30.342Mb／S或42.884Mb／S。
上行通道的频率范围为5～65MHz，每个通道的带宽可为200、400、800、1600、3200kHZ，采用QPSK或16QAM调制方式，对应的数据传输速率为320～5120kb／s或640～10240kb／s。
一个6MHz带宽的下行数据载波采用256QAM的调制方式，其数据传输速率可达40Mb/s；而一个3.2MHz带宽的上行数据载波采用16QAM的调制方式只有约10Mb/s的数据速率。
这种非对称的数据传输速率与上网、点播等业务是相适用的。
系统的每一个下行通道可支持500～2000个CableModem用户，工作时每个CableModem用户实时分析下行数据中的地址，通过地址匹配确定数据的接收。
当用户数量较多时，下行数据量增大，每个用户的平均速度下降。
例如，一个下行通道中有1000个用户，平均速度为40Mb／s/1000=40kb／s。
这个速度是指每个用户同时下载数据的情况，实际传输中，系统可以动态地分配带宽，使某个用户在很短的时间内，占用一切可用的带宽完成数据的下载。
因此，平均速度只是一个最小数据。
在前述情况中，每个用户的实际传输速度应为40kb／s--40Mb／s。
在上行通道中，数据传输速率比下行通道低，整个通道被分成多个时间片，每个CableModem根据前端设备提供的参数，确定使用相应的时间片。
上行通道的带宽可根据所需的数据传输速率设定。
在同样的带宽内，QPSK调制的速率比16QAM调制方式低，但其抗干扰性能好，适用于噪声干扰较大的上行通道，而16QAM调制适用于信道质量好且要求高速传输数据的场合。
在CMTS设备中，为了减小上行通道的干扰，一个下行通道一般对应有多个不同频率的上行通道，CMTS根据信道的噪声状况自动跳频到干扰较小的通道，而用户察觉不到跳频的过程。
1.2HFC接入技术的发展
对大多数人来说，对通信网络的直观认识可能就是家里的电话接口和有线电视接口。
确实如此，有线电视网和电话网是连接千家万户的两大网络，但是这两个网络的运行机制却是完全不同，在表1-1中对电话网与有线电视网进行了一个简单的比较，以加深对有线电视网络的认识：
表1-1电话网与有线电视网对比
电话网
有线电视网
传输信号形态
二进制基带信号
射频信号
复用方式
时分
频分
传输方式
点对点双向连接
点对多点单向广播
接入网网络结构
星型，点对点
树型，共享
用户线
双绞线（约1MHz）
同轴电缆，（550/750/860MHz）
我们可以看到，传统的有线电视网是一个单向广播网络，网络中传输经过调制的模拟射频信号，不同的电视频道信号在网络中占用不同的频点来区分开，其用户接入同轴电缆具有远远高于电话线的频谱带宽。
我们同时也可以看到，这时的有线电视网络实际上不是一个真正的通信网络，我们无法在有线电视网上进行话音或者数据的双向通信。
信息技术的发展促使有线电视网向真正的通信网络发展，有线电视网要演化为宽带的通信网，必须解决以下问题：
（1）提高网络传输带宽和传输质量。
旧的有线电视网大多为450/550MHz，每个光节点带非常多的用户，甚至可能为全同轴网络。
（2）网络由单向改造为双向。
（3）在共享的网络上如何实现两点或者多点之间的通信？
这需要一套机制来保证，也就是说，需要一套标准来规定有线电视网络上数据通信的介质访问控制协议。
（4）对于双向宽带数据网上开展的业务，也需要一套标准来规定。
信息技术的高速发展推动了以上问题的解决。
目前几乎全国的有线电视台都正在进行有线电视网络改造，新网络的带宽多为750M/860MHz，与此同时，光节点越来越接近用户，光纤距离变长，同轴距离缩短，这也就是我们通常所说的光纤同轴混合网，即HFC网（HybridFiberCoax）。
与此同时，单向的HFC网被改造为双向HFC网，北美通常采用低分割的频谱划分方式，即，上行频谱范围为5～42MHz；欧洲和亚洲通常采用中分割方式，即，上行频谱范围为5～65MHz。
网络发展的同时，标准的进展也非常迅速。
1995年11月，美国主要的有线电视经营商：
Comcast、Cox、TCI、时代华纳、MediaOne、Rogers以及研究机构CableLabs发起组织MCNS（MultimediaCableNetworkSystem，多媒体电缆网络系统）合作组织，目的是建立一整套协议以在HFC网络上进行高速双向数据传输，为用户提供Internet等服务，同时使各个厂家的CableModem产品具有充分的互操作性。
目前CableLabs组织制定的MCNSDOCSIS标准已经占有绝对的优势。
CableLabs是北美和南美有线电视运营商联合组织的非盈利性联盟，致力于有线电视技术的研究和标准制定。
96年,CableLabs开始制定双向HFC数据通信的标准MCNSDOCSIS，其间，有几个主要的经验丰富的设备供应商和技术提供商参与；该组织于1997年3月颁布了HFC网多媒体电缆网络中电缆数据业务接口标准DOCSIS（DataOverCableServiceInterfaceSpecification），设备供应商开始开发原型样机；MCNSDOCSIS于1998年3月初获得ITU通过，成为国际标准ITU-TJ.112B；99年，CableLabs发布了DOCSISV1.1，兼容1.0标准，增加服务质量保证QoS（QualityofService），以支持IP电话等实时业务。
1998年以来，各大公司纷纷推出自己的CableModem产品。
这时，国际权威组织CableLabs开始进行兼容性测试。
1999年起有厂商通过"CableLabsCertified"证书，获得证书的厂商可以和其它的厂商完成互通性的测试。
DOCSIS标准规定了HFC双向数据通信系统的完整的协议和接口：
HFC数据接入系统系统组成－－前端设备CMTS、用户端设备CM和操作支持系统OSS；CMTS和CM之间基于IP包的物理层和数据链路层通信协议；CMTS的数据网络侧接口；CM的用户侧接口；OSS的网络管理的业务控制机制；HFC数据系统的安全保证机制；HFC数据接入系统的服务质量保证QoS机制。
DOCSIS标准支持北美的有线电视制式NTSC，为了更好地支持亚洲和欧洲的有线电视制式，CableLabs组织又提供EuroDOCSIS标准，这两种标准的运行机制和核心协议完全相同，为了适应不同的有线电视制式特点，区别表现在物理层的两个方面：
（1）下行编码方式和占用带宽：
DOCSIS符合ITUJ.83-B，占用6MHz带宽，EuroDOCSIS符合ITUJ.83-A（同DVB-C），占用8MHz带宽；
（2）上行频谱分割方式，DOCSIS采用低分割5～42MHz，EuroDOCSIS采用中分割5～65MHz，目前中国的有线电视标准采用中分割。
在符合DOCSIS的产品得到广泛应用的同时，欧洲标准组织不甘落后，成立了EuroCableLabs组织，于99年推出EuroModem标准，该标准是在DVB-RCC标准基础上，针对终端的技术要求进行约束和扩展而成。
表1-2对三种标准的主要特点作一个比较：
表1-2三种HFC接口标准的主要特点比较
DOCSISV1.X
EuroDOCSIS
DVB-RCC
下行
调制方式
64/256QAM
64/256QAM
64/256QAM，OutofBand，为QPSK
数据率
30/42Mbit/s@6MHz
42/56Mbit/s@8MHz
42/56Mbit/s@8MHz
编码方式
ITUJ.83BFEC
ITUJ.83AFEC
ITUJ.83AFEC
上行
调制方式
QPSK/16QAM
QPSK/16QAM
QPSK
上行
数据率
320k/640k/1.28M/2.56M/5.12M/10.24Mbit/s
320k/640k/1.28M/
2.56M/5.12M/10.24Mbit/s
1.5/3/6Mbit/s
频谱范围
5~42MHz
5~65MHz
5~65MHz
承载数据
可变长度IP，QoS
可变长度IP，QoS
ATM信元
技术支持
CMTS:
套片方案
CM:
多种单片方案
CMTS:
套片方案
CM:
多种单片方案
无套片支持upstream+downstream+OOB+MAC
市场情况
大规模商用，大量的互通性测试
开始商用
起步
第二章HFC数据接入基本原理
2.1系统基本组成
HFC数据接入系统主要设备包括：
电缆调制解调局端设备CMTS（CableModemTerminationSystem）、上变频器、网管/操作支持系统OSS（OperationSupportSystem）和电缆调制解调器CM（CableModem）等。
CMTS：
HFC网络数据接入局端设备，是数据网络和HFC模拟射频网络的连接设备，主要完成网络数据的转发、协议处理以及射频调制解调等功能。
上变频器：
有线电视网宽带频率变换设备，将CMTS输出的下行中频模拟信号变换到有线电视任一电视频道上。
网管/操作支持系统服务器（OSSServer）：
网管/操作支持系统（OSS）服务器提供系统和网络的设备管理、以及系统运行所需的各种服务器支持（DHCP、TFTP、ToD、LOG服务器）。
网管/操作支持系统（OSS）服务器与本地局域网以100Base-T快速以太网接口连接。
在产品规格中，网管和OSS集成于一体，直接称呼为网管服务器。
CM：
连接HFC网和用户终端，主要完成的功能包括HFC网和用户数据网络（或者数据设备）之间的数据转发、协议处理以及调制解调等功能。
HFC数据接入系统组网如图2-1所示：
图2-1HFC数据接入系统基本组成
CMTS提供双向HFC网络射频接口连接双向HFC网络，通过100Base-T快速以太接口连接到以太网交换机/IP交换机，交换机同时连接服务器组（网管/OSS服务器、本地业务服务器等）构成的数据接入服务平台，并通过路由器作为网络出口连接广域网。
用户端设备CM（CableModem）通过射频接口连接到双向HFC网上，并通过10Base-T连接用户数据网络或者用户电脑。
2.2设备协议栈
在解释Cable接入协议栈之前，需要说清楚什么是协议，什么是协议栈。
协议是网络世界的通用语言。
一个网络往往包括很多种设备，而且可能来自不同的厂家，常见的有路由器、交换机、接入服务器、用户PC等。
如果要让这些设备互相通信，需要定义一套大家都遵守的约定。
这个约定就是协议。
为了形象地说明协议以及协议的处理过程，我们看看一个大公司内部两个部门之间员工的工作联络过程。
假设员工A和B分别属于不同的部门D（A）和D（B）。
公司规定A要想联系B配合工作，必须要通过上级部门一级一级地审批。
公司的这个规定可以看作协议，我们叫做协议P。
这个“协议P”是如何处理的呢？
请看图1-2：
1）A准备申请单，写好申请，提交到A的主管审批。
2）A的主管接收到A的申请以后，决定是否同意，如果同意，则签字并且提交到更上级主管审批。
3）上级主管接收到申请以后，也是决定是否同意，如果同意，则签字并且通知B的主管。
4）B的主管接收到通知以后，根据实际情况，签字确认A的申请。
并且通知B配合A的工作。
图2-2公司内部工作联络过程
这里一级一级地审批和通知过程就是协议P的完整处理过程。
这里我们可以感觉到，协议是有层次的，A和A的主管之间存在协议，A的主管和上级主管之间同样存在协议。
他们之间的协议就是看到申请书就决定是否签字和下一步如何处理。
不同层次的协议专注独立的功能。
例如A的主管专注处理来自下层员工的申请；上级主管专注处理来自A的主管一层的申请。
而且协议是多种多样的，这里协议P只是公司日常运作过程中的工作联络协议。
实际上，协议处理的这种层次结构就是协议栈。
对经常提到的TCP/IP协议（TCP/IP不是一个单独的协议，而是一个协议集合）来说，简单地讲，它将协议栈分为四个层次，从下到上分别为：
网络接口层（具体的物理接口，常用的有10Base-T、100Base-T，ATM等）；IP（InternetProtocol）层，负责寻找传送报文的路径；传输层，包括TCP（TransmissionControlProtocol，传输控制协议）和UDP（UserDatagramProtocol，用户数据报协议）协议，负责管理设备之间的联系；应用层，即具体的网络应用协议，常见的有用于网络管理的SNMP（SimpleNetworkManagementProtocol，简单网络管理协议），动态配置主机IP地址的DHCP（DynamicHostConfigurationProtocol，动态主机配置协议）协议。
更为详细的内容可以参考《TCP/IP原理》的相关内容。
上面例子中间传递的是A的申请书，这个申请书就相当于网络上传输的报文，也称作包。
报文在协议栈中处理的过程就是在报文上添加或删除一些内容，对应上面的工作联络过程就是在申请书上签字确认。
有了协议栈的概念，就可以理解CMTS和CM的协议栈了。
如图2-3所示。
用户的数据就是通过它们的协议栈来处理和传输的。
图2-3CMTS和CM的协议栈
图2-3中，可以把TransparentBridging（透明桥接）和forwarding（转发处理）看作上面例子中的上级主管，他们两侧的协议栈看作不同部门。
假设报文通过CM要传送到CMTS，处理过程如下：
用户报文通过用户终端接口（MA5201上是CM的10M以太网接口）进入CM，从下往上经过透明桥接右侧的协议栈，经过透明桥接转发到CM的Cable侧接口，然后加上Cable一侧的特有报文头（相当于签字过程），按照DOCSIS标准通过上行通道送到CMTS的上行Cable接口（图1-3中表示为电缆网络传输）；CMTS接收到该报文后，从下往上经过CMTS上的转发处理右侧协议栈，逐层剥掉Cable特有报文头，根据转发规则通过前端网络设备接口（MA5201上是100M以太网络接口）送出CMTS；这里比上面例子的协议处理复杂，因为这里的报文处理过程经过了两个协议栈，分别是CM和CMTS。
至于从CMTS发送到CM的报文，和上述过程刚好相反。
作为CMTS，MA5201应用层支持ToD（TimeofDate，时间日期协议
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