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1、第 5 章 多媒体通信用户接入 第第 5 章章 多媒体通信用户接入多媒体通信用户接入 5.1 引言引言 5.2 基于基于LAN的接入的接入 5.3 基于交互式电视网的接入基于交互式电视网的接入 5.4 基于电话网的基于电话网的ADSL接入接入 第 5 章 多媒体通信用户接入 5.1 引引 言言 从支持多媒体通信的角度,广域网技术朝着三网融合的方向发展。所谓三网融合,是指基于分组交换的数据网、基于电路交换的电话网以及有线电视网由于业务的需要而相互融合。由于三大网的基础结构不同,各自的应用难以集成。随着数据业务量的发展,大量的话音和视频信息需要在数据网上传输。三网融合就是以宽带IP网络为基础,从网
2、络基础结构上解决数据、话音和视频流的综合传输和资源协调问题,实现各种应用的有机集成,使整个广域网络具有高度的适应性、开放性和可伸缩性。第 5 章 多媒体通信用户接入 目前,宽带IP网络技术已取得重要进展,它是以ATM、SONET、SDH和DWDM等高速网络为基础的,这些网络可以提供高达10 Gb/s的传输速率;通过IP Over ATM、IP Over SONET、IP Over SDH以及IP Over DWDM等技术提供基于IP的集成平台;并且网络还具有多媒体流的融合能力,协调网络资源,保证各种媒体流有条不紊地传输,通过IP v6、RSVP和区分服务等协议支持QoS和特性化服务,以满足应用
3、对网络服务质量的需求。这种宽带IP网络也是下一代Internet(Internet 2)的核心技术。第 5 章 多媒体通信用户接入 5.2 基于基于LAN的接入的接入图 5.1 基于LAN的接入方式 第 5 章 多媒体通信用户接入 5.3 基于交互式电视网的接入基于交互式电视网的接入 图 5.2 ITV网构成 第 5 章 多媒体通信用户接入 传输系统通常采用光纤电缆混合(Hybrid Fiber/Coax,HFC)介质,光纤作为主干线,宽带同轴电缆作为入户线,整个网络带宽上限为8601000 MHz,并且通过多路复用技术将网络信道分成模拟信道和数字信道以及上行信道和下行信道,可以同时传输不同的
4、媒体信息和交互信息。从前端到用户端沿途各个放大器必须是双向的,能够对上行和下行信道的信号同时进行放大,这也是将单向CATV网改造成双向ITV网的关键点之一。HFC的频谱分配如下:5500 MHz用于普通电话业务;500550 MHz用于CATV,可传输6100路PAL制式模拟视频信号;550750 MHz为400路压缩的数字通道;7501000 MHz保留,将来作为个人通信使用。第 5 章 多媒体通信用户接入 用户终端主要有电缆调制解调器(Cable Modem)和机顶盒(Set Top Box),分别适用于不同的应用场合,以满足不同的用户需求。电缆调制解调器主要用于将计算机接入ITV网,它的
5、一端与电视终端盒连接,而另一端则与计算机连接,可为计算机用户提供上行10 Mb/s和下行10 Mb/s的网络带宽。机顶盒提供了模拟视频接口、数字视频接口、电话接口、计算机接口等多种接口,可以用于连接不同的终端设备,既要保证现有的模拟电视机能够正常地收看电视节目,又为其它终端设备接入ITV网提供了双向信道,根据不同的接口,其传输速率是不同的。第 5 章 多媒体通信用户接入 5.3.1 ITV网络协议网络协议 5.3.1.1 网络拓扑结构网络拓扑结构 图5.3 网络结构 第 5 章 多媒体通信用户接入 主干线采用光纤/同轴电缆;馈线采用同轴电缆;入户线采用同轴电缆;从前端到最远用户端的长度为80
6、km;级联放大器的最大数量为410;每条光纤可连接的最大用户数量为5003000。第 5 章 多媒体通信用户接入 5.3.1.2 物理层协议物理层协议 根据实际的有线电视网的频率范围制定ITV网络的频段分配方案。例如,在北美地区,使用50550 MHz的频带传输NTSC制式的模拟电视信号,下行信道频带为550750 MHz,其中包括数字视频广播。上行信道采用较低的传输速率和较窄的频带,以降低误码率;每个子网可使用单独的光纤作为上行信道,并独占整个上行信道带宽,也可以是几个子网共同使用一条光纤作为上行信道,并共享上行信道带宽;传输距离的长短将会对网络性能、光纤和同轴电缆的分布、有源器件的数量以及
7、有源器件所带来的噪声等方面因素产生影响;第 5 章 多媒体通信用户接入 由于ITV是建立在现有的CATV系统基础上的,因此ITV必须与现有CATV系统的设计标准相兼容,如频道空间、系统性能等;用户终端的优劣将直接影响网络系统的性能,家用电器的噪声、元器件的质量、安装过程以及出错恢复过程等将对物理层性能产生直接影响;在开发新的用户终端(如数字式机顶盒)时,要考虑其它家用电器(如电视机、录像机等)将会对物理层造成的影响;物理层应具有一定的容错功能,包括故障诊断、传输控制、差错检验以及故障隔离等;可以灵活地利用闲置的带宽,以提高传输速率。第 5 章 多媒体通信用户接入 5.3.1.3 MAC层协议层
8、协议 MAC层协议定义了在共享介质上用户终端传输数据的方法和规范。有线电视网是一种分布式网络环境,具有上行和下行信道,传输距离长,用户数多,多种业务(视频、音频和数据)并存等特点,MAC层协议能够充分满足基于有线电视网的用户传输需求,提供了如下功能特性:提供面向连接和无连接两种传输服务;面向连接的传输服务具有QoS支持能力,即在建立连接时可指定该连接所需的带宽、延迟、延迟抖动等需求;第 5 章 多媒体通信用户接入 可以根据不同业务类型动态分配带宽,在同一服务级别上平均分配带宽;支持定向、组播(Multicast)和广播(Broadcast)多种传输模式;可以与ATM网络实现互连。定义的MAC协
9、议叫做MLAP(Mac Level Access Protocol),专门用于支持ITV网络。该协议定义了上行和下行信道的信息格式、带宽请求与分配机制、竞争机制和同步机制等。第 5 章 多媒体通信用户接入 1.基本原理基本原理 MLAP对上行信道采用集中式访问控制策略,它规定由前端控制器集中规划、分配和调度上行信道的时间片和带宽。前端控制器采用时分复用机制将上行信道分成若干时间片,这些时间片又分成专用时间片和竞争时间片两大类。专用时间片是动态分配的,每个用户终端都可以申请自己的专用时间片,在专用时间片内,用户终端可以不受任何干扰地传输数据。竞争时间片是预先分配,由所有用户终端共享使用,因此可能
10、会发生冲突。第 5 章 多媒体通信用户接入 当一个用户终端需要发送数据时,首先利用竞争时间片向前端控制器发送带宽请求,要求分配带宽。前端控制器将根据当前接收到的各个用户带宽请求情况来规划上行信道带宽,根据用户的不同业务类型和QoS要求动态地分配各个用户终端的专用时间片。然后通过下行信道将有关上行信道时间片分配信息广播给每个发出请求的用户终端。这样,每个用户终端都可获得自己的专用时间片,并按时间顺序轮流使用专用时间片传输数据,不会发生任何冲突。第 5 章 多媒体通信用户接入 前端控制器在分配上行信道带宽时,可以按业务等级设置相应的优先级,并优先分配高优先级业务的带宽。在相同优先级情况下,则公平地
11、分配带宽。在数据传输过程中,数据将封装在MLAP帧中,MLAP帧长度是可变的,并且在MLAP帧中还可以封装ATM信元,以便与ATM网络相兼容。MLAP通过差错检测和恢复机制来保证数据传输的正确性。第 5 章 多媒体通信用户接入 2.信道访问控制信道访问控制 由于MLAP采用由前端控制器对用户终端使用的上行信道实施集中式控制,因此前端控制器与用户终端之间必须协商和协调上行信道的使用。MLAP以协议原语方式定义了这种协商和协调控制功能,协议原语分成上行信道原语和下行信道原语两大类,用户终端向前端控制器发送有关信息使用上行信道原语,前端控制器向用户终端发送有关信息使用下行信道原语。所有协议原语必须以
12、8位为边界对齐。第 5 章 多媒体通信用户接入 (1)上行信道原语 US.REQ:请求原语,用户终端使用该原语向前端控制器请求专用时间片,该原语在竞争时间片中发送。US.FRAME:数据帧原语,用户终端使用该原语向前端控制器发送数据帧,数据帧一般使用专用时间片发送,因为用户终端请求的时间片都是专用时间片。此外,用户终端可以使用竞争时间片发送US.FRAME,但其中要携带用户的带宽请求。第 5 章 多媒体通信用户接入 (2)下行信道原语 DS.SYNC:同步原语,前端控制器给出的同步标志,用户终端使用该同步标志保持与前端控制器的时间同步。DS.ALLOC:分配原语,前端控制器制定的上行信道时间片
13、分配方案,每个ALLOC原语对应于一个时间片,规定了该时间片的时间位置、由哪些用户来使用以及如何使用等。DS.ACK:应答原语,前端控制器使用该原语对原语给予应答,指出了该原语使用竞争时间片的状态,其中包含了说明是否发生冲突的信息。第 5 章 多媒体通信用户接入 DS.FRAME:数据帧原语,前端控制器使用该原语向用户终端发送数据帧。DS.ACK:应答原语,是对原语的应答,指出了该原语使用竞争时间片的工作状态,其中包含了用于说明是否发生冲突的信息。DS.FRAME:数据传输原语,定义了下行信道的数据帧传输。第 5 章 多媒体通信用户接入 (3)协议原语的使用 用户终端与前端控制器之间通过上述协
14、议原语协商和协调信道的使用,其过程如下:当一个用户终端需要发送数据时,首先利用竞争时间片向前端控制器发送原语,要求分配带宽。前端控制器判断在竞争时间片上是否发生冲突,并使用原语对用户终端的原语进行应答,其中包含了说明是否发生冲突的信息。第 5 章 多媒体通信用户接入 用户终端接收到原语后便知道自己的请求是否被接受,如果没有被接受,则说明发生了冲突,并采用竞争仲裁算法来分解冲突。用户终端延迟一段时间后再发送US.REQ,直至请求被接受。前端控制器使用原语向用户终端广播上行信道时间片分配情况,其中包含了用户终端所使用的专用时间片。用户终端在自己的专用时间片内使用原语向前端控制器发送数据帧。前端控制
15、器使用原语向用户终端发送数据帧 第 5 章 多媒体通信用户接入 5.3.1.4 网络互连网络互连 用户节点之间的通信。通常采用由源节点通过上行信道将信息发送到前端,再由前端通过下行信道定向到目的节点或广播给所有节点。但协议没有定义节点间通信模式。前端节点之间的通信。在大型有线电视网中,可能需要开展多种业务,如电话通信、Internet接入、数据库访问等,这就需要通过前端节点之间的互连来交换信息。前端节点之间的互连可采用SONET或ATM网络来实现。第 5 章 多媒体通信用户接入 5.3.2 用户终端设备用户终端设备 5.3.2.1 机顶盒机顶盒 利用电视机显示服务提供商提供的服务项目菜单,供用
16、户选择。将用户的选择信息传送给服务提供商。为用户提供基本控制功能。例如，在选择收看视频点播(VOD)节目时可以进行快进、快退、暂停和慢放等控制。可以连接电话机、计算机等其它用户终端,提供双向信息交换功能。第 5 章 多媒体通信用户接入 图图 5.4 机顶盒功能结构图机顶盒功能结构图 第 5 章 多媒体通信用户接入 5.3.2.2 电缆调制解调器电缆调制解调器 图5.5 电缆调制解调器功能结构框图 第 5 章 多媒体通信用户接入 电缆调制解调器与电话网中所使用的电话调制解调器有较大的差别:传输介质不同。电缆调制解调器使用同轴电缆与ITV网连接,而电话调制解调器则使用双绞线与电话网连接;载波频率不
17、同。电缆调制解调器的载波工作频率较高,上行信道的载频范围在542 MHz、下行信道的载频范围在550750 MHz。电话调制解调器的载波频率一般为几十kHz左右;功能特性不同。电缆调制解调器除了提供调制解调功能外,还提供ITV网络与计算机之间的数据存储转发功能,相当于一个网桥。电话调制解调器只提供调制解调功能。第 5 章 多媒体通信用户接入 通信协议不同。电缆调制解调器与计算机之间一般使用以太网接口进行连接,通信协议为CSMA/CD协议,与ITVUniLINK协议进行通信。电话调制解调器与计算机之间使用RS232C接口进行连接,通信协议为起止式异步协议,与电话网之间使用ITU-T V系列建议进
18、行通信。通信速率不同。电缆调制解调器下行信道的通信速率高达30 Mb/s,上行信道的通信速率高达10 Mb/s。电话调制解调器的通信速率最高为56 kb/s。第 5 章 多媒体通信用户接入 在电缆调制解调器中,采用了数字调制技术,常用的数字调制技术有4相位调相(QPSK)调制和移键控制相交调幅(M-QAM,M=32,64,128,)调制。在QPSK中,以不同的相位代表不同的二进制码:45代表 11,135代表01,225代表00,315代表10。通过载波的相位变化来传送不同的数据信息,其优点是抗干扰能力强,而缺点是调制效率较低。上、下行信道的最大通信速率均可达到10 Mb/s。在M-QAM中,
19、通过载波的幅值变化来传送不同的数据信息,其优点是调制效率高,而缺点是抗干扰能力较差。下行信道的最大通信速率可达到30 Mb/s,而上行信道的通信速率要低一些,一般在1 Mb/s左右。第 5 章 多媒体通信用户接入 ITV网采用树形网络结构,实际上是总线形网络的一种变形,这意味着很多用户终端要分享有限的带宽。当一条线路上用户激增时,其传输速度将会下降。有关资料表明,电缆调制解调器的实际工作速率为 12 Mb/s,甚至只有400500 kb/s,远达不到它的理论传输速率(10 Mb/s)。尽管如此,也比目前常用的接入方式,如电话调制解调器(56 kb/s)、DDN专线(64 kb/s)和ISDN(
20、128 kb/s)等的接入速率要高得多。在目前光纤到户还不现实的情况下,通过HFC将传统的CATV网改造成双向的ITV网,通过机顶盒或电缆调制解调器将用户终端接入ITV网,是实现家庭有线电视、Internet接入和电话通信三网合一的有效途径。第 5 章 多媒体通信用户接入 5.4 基于电话网的基于电话网的ADSL接入接入 图 5.6 ADSL接入系统示意图 第 5 章 多媒体通信用户接入 为了解决以上问题,ITU于1999年6月批准通过了关于ADSL的国际标准,称为G.Lite标准(标准号为G.992.2),这种ADSL技术称作通用ADSL(Universal ADSL,U-ADSL)。U-ADSL的速率低于ADSL,其下行信道的速率为1.5 Mb/s,上行信道的速率为512 kb/s,但U-ADSL支持即插即用,U-ADSL Modem通过计算机的USB接口与计算机连接,像安装普通模拟Modem一样简单,不需要再安装一个分离器(Splitter),并且性能稳定,价格便宜,能够满足一般用户快速访问Internet的需要。U-ADSL通过牺牲速率换来实用性,并且U-ADSL Modem可以通过更换软件升级为ADSL Modem。