Cable Modem在宽带HFC网络中的应用

　　随着信息时代的到来，网络在人们生活中的比重显得越来越重要。网络信息查询、电子商务等等由于互联网的发展，随之应运而生。在国内，接入到互联网的用户迅猛发展，人们沉醉在网络带给他们的方便和快乐之中。然而很快人们已经不再满足简单的信息查询等等窄带业务，他们提出了更高的要求，能否利用网络传输视频图像和多媒体信息呢?但目前电话调制解调器所提供的接入速度只有几十kb/s，无法满足宽带业务的需要。难道目前就无法实现宽带接入，满足人们的需要吗?

　　我国的城市有线电视网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。利用HFC网络大大提高了网络传输的可靠性、稳定性，而且扩展了网络传输带宽。HFC的数字通信系统是通过电缆调制解调器(cable modem)系统实现的，可以使Internet的高速接入，由窄带向宽带过渡。网络爱好者可以通过HFC网络获得高于电话Mordem几百倍的接入速度，真正享受到宽带网络带来的无限喜悦。

1.　系统结构

　　系统结构见图1（见《广播电视信息》2000.11）。CMTS是指Cable Modem前端设备，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，与用户的计算机相联。一般CM有两种类型，外置式和内置式。

2.　系统工作原理

2.1　上行信道带宽的分配

　　MCNS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。CMTS进行带宽分配的基本机制是分配映射(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，例如，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要描述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传输数据式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。另外，CM也可以直接在竞争小时隙中以竞争方式传输数据。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分配一个48比特的物理地址(与局域网络适配器物理地址一样)之外，还给每个Cable Modem分配了至少一个服务标识(ServiceID)，服务标识在CMTS与CM之间建立一个映射，CMTS将基于该映射，给每个CM分配带宽。CMTS通过给CM分配多个服务标识，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。

2.2　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。图2所示为Cable Modem的初始化过程，下面详述该过程。

(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(non volatile storage)，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信道，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描述符(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使用该上行信道。

　　若该信道不合适，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。若在一定的时间内没找到这样的上行信道，那么CM必须继续扫描，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，CM等待一个给所选择的信道的带宽分配映射，然后它可以按照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、时间服务器的IP地址等信息。

(6)建立时间

　　CM和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种方式，一种是面向连接的，一种是面向无连接的。MCNS采用面向无连接的方式从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定。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。
(9)初始化基本保密机制

　　在获得配置(下转第36页)(上接第38页)参数后，若RSM模块没有被检测到，CM将初始化基本保密(Baseline Privacy)机制。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，Cable Modem就进入了正常工作状态。

3.　Cable Modem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 30.336Mbps
　　　　　256QAM 42.884Mbps
上行频率　5―65MHz
上行调制方式　QPSK、16QAM
载波频宽　200―3200kHz
信号速率　320kbps―10.24Mbps
上行误码率　23Db CNR 1＊10E－9
下行信号接收电平　 －15dBmV―＋15dBmV
上行信号发射电平　　8dBmV―58dBmV

4.　结束语

　　在中国，有线电视网络是目前最大的网络。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。二十一世纪的人们通过有线电视网络将享受到宽带业务带给他们的无穷乐趣。

(扬州广播电视局网络中心)