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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流HFC网络技术.精品文档.第一章 HFC网络概述1.1 HFC网络1.1.1 HFC网络的概念和发展HFC是Hybird Fiber Coax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。
2、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
3、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。1.1.2 HFC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
4、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
5、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 （CABLE MODEM TERMINATION SYSTEM）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
6、.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
7、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
8、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
9、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。1.1.3 HFC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
10、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8M
11、Hz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（CABLE MODEM）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，
12、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
13、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87860MHz，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30.342MbS或42.884MbS。上行通道的频率范围为565MHz，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3205120kbs或64010240kbs。一个6MHz带宽的下行数
14、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5002000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40Mbs/1000=40kbs。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
15、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40kbs-40Mbs。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
16、跳频到干扰较小的通道，而用户察觉不到跳频的过程。1.2 HFC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
17、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
18、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（Hybrid Fiber Coax ）。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542MHz；欧洲和亚洲通常采用中分割方式，即，上行频谱范围为565MHz。网络发展的同
19、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Cable Labs发起组织MCNS（Multimedia Cable Network System，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Cable Modem产品具有充分的互操作性。目前CableLabs组织制定的MCNS DOCSIS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
20、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MCNS DOCSIS，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（Data Over Cable Service Interface Specification），设备供应商开始开发原型样机；MCNS DOCSIS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DOCSIS V1.1，兼容1.0标准，增加服务质量保证QoS（Quality of Service），
21、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Cable Modem产品。这时，国际权威组织Cable Labs开始进行兼容性测试。1999年起有厂商通过Cable Labs Certified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
22、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ITU J.83-B，占用6MHz带宽，EuroDOCSIS符合ITU J.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542MHz，EuroDOCSIS采用中分割565MHz，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
23、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DOCSIS V1.XEuroDOCSISDVB-RCC下行调制方式64/256QAM64/256QAM64/256QAM，Out of Band，为QPSK数据率30/42Mbit/s6MHz42/56Mbit/s8MHz42/56Mbit/s8MHz编码方式ITU J.83B FECITU J.83A FECITU J.83A FE
24、C上行调制方式QPSK/16QAMQPSK/16QAMQPSK上行数据率320k/640k/1.28M/2.56M/5.12M/10.24Mbit/s320k/640k/1.28M/2.56M/5.12M/ 10.24Mbit/s1.5/3/6Mbit/s频谱范围542MHz565MHz565MHz承载数据可变长度IP，QoS可变长度IP，QoSATM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
25、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（Cable Modem Termination System）、上变频器、网管/操作支持系统OSS （Operation Support System）和电缆调制解调器CM（Cable Modem）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（OSS Server）：网管/ 操作支持系统（OSS）服务器提供系统和
26、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2-1 HFC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/
27、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（Cable Modem）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
28、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
29、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）；
30、IP （ Internet Protocol）层，负责寻找传送报文的路径；传输层，包括TCP （Transmission Control Protocol，传输控制协议）和UDP（User Datagram Protocol，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（Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议），动态配置主机IP地址的DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，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
31、。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2-3 CMTS和CM的协议栈图2-3中，可以把Transparent Bridging（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
32、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， MA
33、5201应用层支持ToD（Time of Date，时间日期协议）、SNMP（Simple Network Management Protocol）简单网络管理协议、TFTP（Trivial File-Transfer Protocol，简单文件传输协议）、Telnet等四种协议，分别用于获取时间日期、网络管理、文件传输、远程登录；传输层支持TCP和UDP；IP层支持IP、ICMP（Internet Control Message Protocol，网间网控制报文协议）、ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）等；网络接口层支持Ethernet II、SN
34、AP、IEEE802.2、DOCSIS Cable MAC；物理连接线支持10M/100M兼容双绞线以及Cable同轴电缆。2.3 物理层调制解调技术普通数字设备处理的是基带数字信号，基带数字信号经过一些编码处理后可以直接在光纤或者电缆上传送，比如我们熟知的SDH网和以太网传输的就是数字信号，在数字网络中传输多路信号时通常采用时分复用的方式。由于数字基带信号中有丰富的频谱分量，且均位于低频段，不宜在有线电视这种频分复用的模拟网络上传送。实际上，利用HFC网构造通信网的基础技术就是数字调制技术，即通过改变射频载波的相位、频率或者幅度，使射频的带通信号携带了丰富的二进制信息。或者简单地说，数字调制
35、技术就是二进制数字信号和模拟带通信号的一个转换技术。数字调制也称为“键控”，常用的调制方法包括：幅移键控（ASK），频移键控（FSK），相移键控（PSK）及它们的改进与变形。 其中由于相移键控（多相相移键控）具有较高的频谱利用率，较强的抗干扰性能而在通信系统中得到了广泛地应用，成为一种主要的调制方式。特别是四相相移键控QPSK，下面就以QPSK为例来建立数字调制的基本概念。QPSK是一种恒定包络的数字调制，这就意味着调制载波的相位随着调制信号的1或0而改变，而它的幅度是不发生变化的。四相相移键控有四种不同的调制相位，每一种相位对应着不同的输入，分别为：00、01、10、11。表2-1是一个QP
36、SK的可能的相位对应表；表2-1 QPSK的相位对应表二进制输入QPSK输出相位 Q I 0 0 0 1 1 0 1 1 135 45 135 45图2-4是QPSK的调制输出相位与时间的关系：图2-4 QPSK的调制输出相位与时间的关系用调制信号的矢量端点分布图来表示调制情况的图称为星座图。 星座图中定义了一种调制技术的两个基本参数：1) 调制信号相对于载波的幅度和相位的变化，星座点到原点的距离表示调制信号的幅度，星座点相对于水平正半轴的旋转角度表示调制信号相对于载波的相位变化；2) 星座点与调制数字比特之间的对应关系，称为“映射”，即，每个星座点对应多个比特的二进制信息。一种调制技术的特性
37、可以由信号分布和映射关系来完全定义，也就可以由星座图来完全表现。QPSK调制方式的星座图，如图2-5所示：图2-5 QPSK调制方式的星座图QPSK调制只利用了载波的相位，所以它的星座点只分布在半径相同的圆周上。为了进一步增加传输信号的数据率，提高频谱的利用率。HFC数据接入系统中还采用了正交幅度调制（QAM）。QAM是对载波的振幅和相位同时进行数字调制的一种复合调制方式。例如，图2-6是64QAM的星座图：图2-6 64QAM的星座图64QAM的星座图中有64个星座点，每个星座点映射了6个比特，同时这些星座点也对应了载波的64种幅度和相位的不同组合。在调制解调的过程中，就是根据星座图来对载波
38、信号和信息数据比特来进行转换的。相似的，M-QAM即正交幅度调制中载波矢量的端点个数为M。其中M可以等于4,16,32,64,128等等。M-QAM的调制方式可以调制（log2M）个比特。当M=4时，4QAM和QPSK的星座图相同。M-QAM同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下，QAM星座图中可以容纳更多的星座点，可实现更高的调制效率和频带利用率。各种不同的调制方式具有不同的抗干扰性能。调制方式的抗干扰性可由相邻星座点之间的最小距离来衡量，最小距离越大，抵抗噪声等干扰的能力越强。 QAM调制的星座点之间的最小距离小于PSK方式，所以其抗干扰性不如PSK方式。比如
39、，要同样达到107误码率，256QAM方式要求的信噪比要远高于QPSK方式。各种调制方式与误码率之间的对应关系见图2-7： 图2-7 调制方式和误码率在HFC数据接入系统中，上行信道的噪声干扰较为严重，所以采用了抗干扰性能较强的QPSK或16QAM作为其调制方式；下行信道的传输环境比较理想，数据传输的需求也相对较大，所以可以采用调制效率较高的64QAM或256QAM调制方式。表2-2表示了在HFC系统中采用的各种调制方式与传送的数据率的对应关系： 表2-2 数据调制方式和速率对照表调制方式频率范围带宽符号率数据速率 净载 速率QAM-256 8b/Sym50-860MHz6MHz5.36MSp
40、s42.88Mbit/s约38Mbit/s50-860MHz8MHz6.952MSps55.62Mbit/s约51Mbit/sQAM-64 6b/Sym50-860MHz6MHz5.057MSps30.34Mbit/s约27Mbit/s50-860MHz8MHz6.952MSps41.7Mbit/s约36Mbit/sQAM-16 4b/Sym5-42MHz0.2MHz0.16MSps0.64Mbit/s约0.5Mbit/s5-42MHz0.4MHz0.32MSps1.28Mbit/s约1.1Mbit/s5-42MHz0.8MHz0.64MSps2.56Mbit/s约2.3Mbit/s5-42M
41、Hz1.6MHz1.28MSps5.12Mbit/s约4.6Mbit/s5-42MHz3.2MHz2.56MSps10.24Mbit/s约9Mbit/sQPSK 2b/Sym5-42MHz0.2MHz0.16MSps0.64Mbit/s约0.288Mbit/s5-42MHz0.4MHz0.32MSps1.28Mbit/s约0.575Mbit/s5-42MHz0.8MHz0.64MSps2.56Mbit/s约1.15Mbit/s5-42MHz1.6MHz1.28MSps5.12Mbit/s约2.3Mbit/s5-42MHz3.2MHz2.56MSps10.24Mbit/s约4.6Mbit/s2.
42、4 HFC MAC技术MAC层（Medium Access Control Layer的缩写，称为媒体访问控制层）属于上面所讲的网络接口层的一个子层（另外二个子层是逻辑链路控制子层简写为LLC 和物理层）。如果把物理层比作铁路，则MAC层就是使用和管理铁路的调度系统。尽管每个火车站的大小和位置不一样，但是他们管理和使用铁路的方法大同小异，都是在防止火车碰撞和出轨的前提下，尽量提高铁路/火车的利用率。不同的接入方式有不同的MAC协议。HFC接入使用ITU-T J.112（即DOCSIS 1.0）规定的媒体访问控制协议。链路是网络中经常使用的一个概念，分为物理链路和逻辑链路。如果以上面的铁路系统为
43、例，物理链路就是物理上存在的铁路，它连接在各个火车站之间；逻辑链路是一个抽象概念。可以从两个方面理解。其一，比如从深圳到哈尔滨没有直接的一条铁路相连，但是通过中间换车，还是能够到达的。我们可以认为深圳和哈尔滨之间存在一条逻辑上的铁路，即逻辑链路；其二是深圳到广州之间在一段时间之内发出了多列火车，尽管深圳和广州之间只存在一条物理链路，但是可以认为他们之间存在多条逻辑链路。管理这种逻辑链路的协议层就是链路层。无论管理帧还是数据帧，在网络中实际上都是报文或者包。只不过在网络接口层一般叫做帧，在IP层以上一般叫做包或者报文。 还是以1.2.2节的公司员工工作联络为例。A的申请书可以看作管理帧，因为它的
44、用途是要求B配合他的工作的；在B配合A的工作过程中，他们之间交换的文件可以看作数据帧，因为它是纯粹的工作内容文档。 理解了以上概念，HFC MAC协议就不难理解了。它的作用，笼统地讲，就是负责在Cable链路层建立一个CMTS和CM之间的双向传输通道，为在Cable上传输数据作准备； 需要指出的是，下行MAC帧都是以MPEG-2帧形式传送的，并且和以太网一样，发送形式是广播的（一点对多点）。上行帧是一般的Cable MAC帧格式，而且是点对点的。通过CMTS和CM之间传输的Cable MAC管理帧，一方面为CM向CMTS传送数据分配上行传输带宽，即上行带宽；另一方面实现对CM的管理和维护。下面
45、分别讲述这两个方面。2.4.1 带宽分配按照DOCSIS协议，下行（从CMTS发到CM）数据打包成MPEG码流发送，随到随发。只要CMTS能够处理过来，没有其他限制。而上行（从CM发到CMTS）数据必须等待CM从CMTS申请到带宽之后，才能发送。CMTS管理上行带宽的方法称为TDMA，即时分复用。原理是，把CMTS的管理的整个上行通道的带宽看作很多上行发送机会，不同的发送机会就是不同的时间段。CM只要申请到一个发送机会，它就可以发送自己的数据帧，不用担心和其他CM发送的数据碰撞或冲突（当然，前提是一个CMTS下面接入的所有CM的发送时钟要同步）。实际上，为了达到带宽分配的目的，DOCSIS M
46、AC使用了如下几种类型的MAC管理帧。它们的名称和作用如下：SYNC：为了上行发送时各个CM的时钟基本同步。CMTS周期性地向CM广播SYNC帧，以便CM更新本地时钟。这种更新使得接收到该帧的CM强制性地将时钟设置到SYNC规定的同一时刻。简单地理解，同步的过程相当于一个“对表”的过程，铁路系统各个站点的时间都应该是准确的北京时间，否则可能出现撞车现象。UCD：是一种上行通道的描述报文。它是一个上行通道的“名片”，其中描述该上行通道的物理参数。每一个上行通道都有这样一张“名片”，而且周期性地向CM广播。CM可以根据“名片”选取某个通道作为自己的上行通道。RNG（又称作测距）：实际上，SYNC帧
47、只能让同一CMTS下挂的所有CM强制性地同步到同一时刻。但是SYNC对不同的CM，在Cable线路上传输时间、CM接收处理时间都不同。因此SYNC帧实际到达不同的CM的时刻是不同的，但是CM却强制性地设置成SYNC帧规定的同一时刻，这样引入了一些误差。实际上，除了时间之外，发送频率、功率都存在误差。为了校准这些误差，需要CM作RANGING。RANGING有两种，一种是初始RANGING，只是在CM上线之初进行的；另一种是周期RANGING，由CM周期性地向CMTS申请，CMTS响应。MAP：它是描述某个上行通道的带宽分配情况。CM根据需要请求上行带宽，CMTS分配带宽（即上面说的“传输机会”），通过MAP报文在下行通道发送。对于某些必须保证的带宽（即不用CM申请的带宽），例如初始RANGING和周期RANGING，CMTS需要周期性地自动分配并且下发到CM。REQ：它是CM的带宽申请帧。需要往CMTS发送数据帧时，用于申请上行带宽。2.4.2 CM的管理和维护