Cable Modem是一种通过有线电视网络进行数据高速接入的设备。Cable Modem在两个不同的方向上发送和接收数据，它把上、下行的数字信号用不同的调制方式调制在双向有线电视网的某一个6MHZ/8MHZ带宽的电视频道上。Cable Modem把上行的数字信号转换成模拟射频信号，通过有线电视网传送。接收下行的信号时，Cable Modem把他转换为用户计算机能够识别的数字信号，然后发送给用户计算机。 Cable Modem的传输速率根据调制方式而有所不同，传输距离可以达到100公里以上。系统前端的Cable Modem局端系统(CMTS)能和所有的Cable Modem进行通讯，Cable Modem只能和CMTS进行通讯，如果两个Cable Modem间需要进行通讯，那么必须由CMTS进行转发。 Cable Modem的标准 目前，Cable Modem存在多种不同的标准，其中最主要的一个是由MCNS起草的、已被ITU批准的J.112标准。此外还有DVB/DAVIC EuroModem 、CDLP及IEEE802.14等，IEEE802.14正在制订中。特别是随着Cable Lab的基于MCNS标准的DOCSIS/Euro DOCSIS方案的制定，确定了Cable Modem设备的互操作性，使得Cable Modem规范化和标准化，不同厂商之间的产品可以通用，这样兼容性和互换性就得到了保障，从而有效地降低了成本。现在厂商主要执行的标准是MCNSDOCSIS1.0/1.1。 MCNSDOCSIS标准的主要特征包括更高效的传输速率，频分-时分复用，优化的MAC协议，更高效的上下行调制协议。 MCNSDOCSIS1.0/1.1标准上行采用QPSK、QAM16调制方式，抗干扰性能好，还可以把上行信号更进一步细分xkHZ频带，把上行信号动态转入干净、无噪声的频带，通过现在的HFC网络技术和上行模块设置能够满足抗干扰性的要求。下行主要采用64QAM、256QAM调制方式。 Euro DOCSIS 在DOCSIS1.0/1.1规范基础上提供了适合欧洲的物理层标准。它对于频谱划分、频道带宽、信道参数的规定兼容欧洲标准。它使用的信道带宽是8M，而基于DOCSIS1.0/1.1的Cable Modem使用的信道带宽是6M。 MCNSDOCSIS定义了三种接口：(1)CMTS--NSI接口，是CMTS和数据网络边界(NSI)之间的接口。(2)DOCS-OSSI接口，是CMTS与操作支持系统(OSSI)之间的接口。(3)RF接口。包含CMTS与HFC网络间的上下行射频接口，HFC网络与Cable Modem间的射频接口和安全及接入控制系统接口。 HFC网络数据通信协议 用户数据在HFC网络中进行传输就需要有相应的数据通信协议来保证数据的准确、安全快速传输。HFC网络数据通信协议由网络层、数据链路层、物理层以及各子层协议组成。 网络层采用IP协议。数据链路层由逻辑连接控制层(LLC)、链路安全子层和介质访问子层(MAC)三个子层构成。MAC 和逻辑连接控制层这两个协议层规定了不同信号和用户怎样共享公共带宽。MAC层控制用户信道的分配和竞争，可以支持不同等级的业务。 MAC层的功能是：时间同步;初始测距，维持测距;注册;时隙请求，时隙分配;上行通道实时改变(多点对一点时分复用);安全加密管理和QOS支持。物理层由传输汇聚子层(Trans Conv)和物理介质相关子层(PMD)组成，传输汇聚子层只存在于HFC网下行信道中。物理介质相关子层(PMD)上下行信道特征所有不同，下行信道PMD子层特征是： 64/256QAM及级联的RS和Trellis前向纠错解码。上行信道PMD子层特征为：QPSK或16QAM调制，TDMA(时分复用)技术及可编程的RS块。 Cable Modem的传输模式 Cable Modem有两种传输模式，根据不同的业务、范围、规模和用户选取不同的模式。 对称式传输 在有线电视网里把5~45MHZ(可以扩展为5~65MHZ)作为上行频带，回传可以使用3~6个标准6M/8MHZ频道带宽。50~550MHZ用于传输模拟电视信号，550~750MHZ作为话音、数据和其它交互式数字业务的下行通道，750MHA以上可以用于将来的网络拓展服务。对称式传输是指上/下行信号各占用一个普通频道6M/8M带宽，上下行信号采用不同的调制方法，但用相同传输速率传输的传输模式。通过有线电视网开展IP电话、进行会议电视业务或满足用户特定需求时使用对称式传输技术，开通一个上行通道和一个下行频道。上行的信号经双向滤波器检出，输入给变频器，变频器解出上行信号的中频后调制到下行的频道上，这样就构成了一个逻辑环路，从而实现了有线电视网对称式双向交互的物理链路。 非对称式传输 因为绝大部分时候用户的上行请求的数据量远远小于下行数据量，同时又由于上行频带资源相对下行频道资源而言非常贫乏。所以使用非对称传输技术既能满足绝大部分上行请求，而同时解决了上行通道带宽相对不足的问题。非对称传输技术采用新的调制方法并与频分复用(FDMA)、时分复用(TDMA)等技术配合，大大提高了数据的下行速率，并尽可能地满足大量用户的上行请求，增加了系统的容量。非对称式传输的前端设备比对称式传输的前端设备复杂，它不仅有对称式中的数字交换设备，还必须有一个线缆路由器，通过线缆路由器能够满足网络交换的需要。非对称式传输就比对称式传输的应用范围广，使用非对称式传输可以开展高速数据传送、视频广播、交互式娱乐等服务，能够最大限度地利用可分离频谱，按用户的需求提供相应的带宽。 Cable Modem工作原理 Cable Modem内部结构包括滤波器、调制解调器、(去)交织/FEC模块、数据成帧模块、数据编码模块、网卡、中央处理器、存储器和未知扩展功能模块。在下行链路中，滤波器接收来自HFC网络的射频信号，将信号送到解调器进行解调。解调后的信号经过去交织/FEC模块去交织和纠错后再经过数据成帧，然后通过网卡送入用户计算机。在上行链路中，用户的访问请求先经过MAC处理器进行处理，系统前端接纳申请后，用户计算机产生上行数据，经网卡送入Cable Modem。之后对上行数据进行编码，再经过交织/FEC模块处理。然后解调器对上行数据进行调制，最后通过滤波器送入HFC网。 在系统的前端放置Cable Modem局端设备(CMTS)，Cable Modem置于用户端。CMTS和Cable Modem间能够进行数据包双向传输，HFC网络上的数据通信协议确保数据包的传输。HFC网络是频分复用的，在某一频率上的信道是共享的，CMTS与Cable Modem的通讯是频分复用和时分复用的结合。CMTS直接与本地服务器连接或者通过主干网与远端服务器相连，根据不同用户的要求来安排是基于竞争还是基于专线的服务方式以及提供不同的服务质量，给每个通过Cable Modem上行请求的用户分配带宽，对用户Cable Modem进行授权。Cable Modem与用户的计算机连接，通过HFC网上行信道与CMTS连接，接收CMTS传来的参数，自动地实现对自身的配置。 Cable Modem首先扫描所有下行频率，捕捉CMTS为此Cable Modem发送的下行信息，下行信息中包含CMTS指定的上行频率。然后进行测距，测距后可以实现定时信息的同步和发射功率的控制。当用户发送/接收数据时，Cable Modem在上行通道中发送申请IP地址的请求，前端的DHCP服务器收到请求后，向其返回一个IP地址。确定了上下行频率和IP地址后，就可以通过Cable Modem访问网络。 下行采用广播形式，Cable Modem对数据信号进行调制解调和同步处理等后传送给用户计算机。上行采用FDMA/TDMA接入方式。上行数据信号经过Cable Modem处理后送入HFC网络。FDMA技术的使用不仅能增加上行信道的容量，又能够减弱上行数据的冲突，同时为避免信道资源的浪费，对信道采用TDMA技术，将信道划分成时隙。上下帧由DS(数据时隙)和CS(竞争时隙)两种时隙组成，CMTS集中控制Cable Modem处信道/时隙的选择。进行测距和同步确保Cable Modem能准确地将数据送入指定的时隙。带宽申请信息使用CS时隙上传(CS时隙由多个Cable Modem竞争获取)，CMTS进行上行带宽动态分配。当一个从CMTS到Cable Modem的平台搭建起来后，只需在前端和用户端配置适当的设备。便能在有线电视网上提供IP电话、可视电话、会议电数据广播以及视频点播等增值业务。 前端： 网管服务器。 提供智能化的网络控制与管理。 CMTS。 具备与外部网络的接口，能够进行协议转换，具有分复用和调制解调功能，可以对Cable Modem进行调度管理。 TFTP服务器。 为Cable Modem下载配置文件。 DHCP服务器。 分配Cable Modem的IP地址。 TOD服务器： 为整个系统提供当前时间和日期，同步设备时钟。 终端： Cable Modem。 将数据调制到HFC网络频带中进行传输。接收时进行解调。Cable Modem和多用户Cable Modem，多用户Cable Modem具有网桥的功能，可以将一个计算机局域网接入，但它的安全性较弱。 PC(已安装以太网卡及相应驱动程序)。 HFC网中的6MHZ/8MHZ频带可以同时用来提供数据通讯、普通模拟电视或者普通数字电视。电视和电脑可以同时使用，互不影响。射频信号在用户和前端之间的HFC网络上上行或下行。上行和下行信号共享6MHZ/8MHZ频带，为避免相互干扰调制在不同的载波频率上。 CMTS将数据封装在MPEGTS帧中，以QAM等调制方式将数据调制在有线电视网的一个下行频道上，在用户端Cable Modem将下行RF信号转化为符合以太网卡和相应的驱动程序，就能够实现数据通信。在上行方向，Cable Modem从用户计算机中接收数据包，然后把它们转换成模拟信号，通过HFC网传送给网络前端CMTS设备。CMTS从模拟信号中提取出数据信号，转换成数据包格式，并传送给本地服务器和远程服务器等设备。 通过网管进行配置，可以采用对称或非对称传输模式，满足不同用户需求的QOS，并可提供恒定比特率和可变比特率等业务。 基于S-CDMA(同步码分多址)技术的Cable Modem 因为HFC网络为树型结构，所以用户端的噪声会在系统前端叠加，现有FDMA和TDMA技术容易受窄带噪声干扰，尽管通过HFC网络技术和上行模块进行设置可以抑制窄带干扰，但这不足以从根本上解决干扰性问题。同时HFC网络上行信道资源相对贫乏，这对网络容量有很大的限制。S-CDMA技术的出现可以较完美地解决干扰性和容量问题。S-CDMA应用了调节技术来适应电缆设备的动态噪声特征，他通过减少调制方式产生的干扰和动态地调整任一Cable Modem发射器的功率电平从而增加了系统的稳定性和可靠性。S-CDMA(码分多址)技术是利用相互正交的地址码，对已经被用户信息调制过的载波再次进行调制，使得载波频谱展宽，经过传输后在接收端用本地产生的相同的地址码对载波进行筛选，把地址码与本地地址码一致的信号还原为窄带信号，其它与本地地址码不相关的信号略去。在HFC网络中，每个用户发送的上行信号由于经过的物理线路不同，信号到达前端接收机时会有不同的延时，为保持扩频码的互不相干性，S-CDMA系统通过同步工作机制对前端收到的扩频信号进行同步。在系统前端设立参考时钟，各用户的扩频信号与前端的扩频码不同步时，通过下行信道将信息送回用户端，用户端调整扩频码发生器的相位。获取最佳的同步状态。 S-CDMA技术使用HFC网提供的上、下行对称6MHZ带宽的独立传输通道，在6MHZ带宽中下行的传输速率是14Mbps,使用扩频技术，使上行窄带干扰降低，不影响邻频传输，可与HFC网中其他调制方式的传输共存。在基于S-CDMA技术的系统中，采用并行多码扩频技术来传输用户的数据信息，由每个含有64kbps的多个数据码来组成净负载为14Mbps的数据总容量。每个数据流用自身扩展码进行编码、交织、并扩展到6MHZ。把用户输入的数据信息(串行)经过转换分为多个码流比特率为64kbps的并行数据码流，分别进行扩频调制后相加送入上行通道，在前端解调后转换回原来的串行数据流输出。这样就可以根据用户数据速率的大小，按需分配信道。带宽的使用和分配由前端设备(CMTS等)控制，支持常码率、变码率和待用码率。根据用户的需求不仅可以提供固定带宽，而且其余带宽还可以动态灵活分配运用，这样就可以针对不同用户提供不同种类、不同价位的服务，扩大了服务的层次。 基于S-CDMA技术的Cable Modem对HFC 网络上行信道的噪声和窄带干扰有很强的抑制能力，即使在上行频带中5~20MHZ这个干扰较大的频率范围以及其他Cable Modem无法正常运行的范围内均能运行。基于S-CDMA技术的HFC网络上行通信方案可充分利用整个上行频带，由于采用了多址同步技术，用户之间的多址干扰大大降低，系统容量得到很大提高。但由于现在S-CDMA的标准还没有制定，所以基于S-CDMA的技术的Cable Modem的兼容性较差，系统扩展性不强。 进行生产的厂家很少，市场规模很小，由于无法进行量产导致成本很高，相对于采用MCSNDOCSIS标准和解决兼容性和成本的问题，它一定会得到广泛的应用。 HFC网络通过Cable Modem实现双向功能后就能够支持所有的宽带和窄带业务，如：普通模拟电视、数据广播、数字电视、视频点播、IP电话及数据业务等业务，这样就实现了计算机数据网、通信网和广播电视网这三网的融合，构成了一个完整的信息平台。 |
