CMTS+CM技术实现有线电视网络双向传输原理

摘要：用cmts+cm技术实现宽带接入是有线电视的主流方向。本文对其传输的原理、技术指标、改造注意事项及综合性能进行了分析。

关键词：CMTS+CM；有线电视；双向传输；原理

中图分类号：TP393 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)15-30697-02

The Principle of Cable Network Two-way Transmission Based on CMTS & CM

GUI Song

(China Cable Network Co.Ltd. Wuhu Branch,Wuhu 241004,China)

Abstract:It’s becoming the essential direction to have breadth's taking to connectinto cable TV with carrying out the technique ofCMTS+CM. This text analyses the delivering principle, technique index sign, reformation regulation and comprehensive function of the technique on using CMTS+CM

Key words:CMTS+CM；Cable TV；Two-way Transmission；Principle

1 概述

开展增值业务是有线电视网络未来发展运营中的重要工作之一，其中宽带接入业务也将作为工作重点。有线电视网拥有最后一公里接入的优越条件，其独特优势是当地其他电信运行商所不具备的，因此，应当充分利用这种优势，争取能够在宽带数据接入市场中占有一席之地，从而获得更多的收益。目前，广电常见的接入网改造方式包括CMTS、EPON和MAS等，虽然它们在成本、施工和协议等方面各有千秋，但最终的目的无非就是改变广电现有单向网络为双向网络。几年来，通过基于DOCSIS接入标准的Cable Modem接入方式开展宽带接入业务是广电所选用的主流方向，它是基于广电技术体系发展起来的技术模式，在HFC完成双向改造的基础上，就可以开展广电的宽带上网业务，是最直接的实现方式。随着DOCSIS3.0的出现，以及IPQAM的广泛应用，增加下行带宽，同时优化上行带宽，将大大降低带宽的成本，为多业务的融合扫清了接入障碍，成为有线运营商建网的主要方式之一。但是由于各地有线电视网络质量的参差不齐，施工工艺差等原因，漏斗噪声等网络问题和改造双向网所需的昂贵设备投入都是限制宽带接入业务的因素之一。

2 CMTS+CM技术原理简介

CMTS改造方式能够充分利用有线电视的同轴电缆分配网络，利用入户率最高的接入网线路资源，而不需要在用户家中重新布线，实现与有线电视共缆传输，是最符合广电技术体制的解决方案。

图1 CMTS+CM示意图

Cable Modem系统包括前端设备CMTS和用户端设备Cable Modem（CM），两设备通过双向HFC网络连接。其中CMTS是连接有线电视HFC网络和IP数据网络，使用DOCSIS协议，配合CPMS(Cable Provisioning Management System )终端管理服务器，通过终端CM实现Internet网络接入以及本地IP数据业务接入的设备。

Cable Modem的通信和普通Modem一样，是数据信号在模拟信道上交互传输的过程，但也存在差异，普通Modem的传输介质在用户与访问服务器之间是独立的，即用户独享传输介质，而Cable Modem的传输介质是HFC网，将数据信号调制到某个传输带宽与有线电视信号共享介质；另外，Cable Modem的结构较普通Modem复杂，它由调制解调器、调谐器、加/解密模块、桥接器、网络接口卡、以太网集线器等组成，它无须拨号上网，不占用电话线，可提供随时在线连接的全天候服务。目前Cable Modem产品有欧、美两大标准体系，DOCSIS是北美标准，DVB/DAVIC是欧洲标准。欧、美两大标准体系的频道划分、频道带宽及信道参数等方面的规定，都存在较大差异，因而互不兼容。北美标准是基于IP的数据传输系统，侧重于对系统接口的规范，具有灵活的高速数据传输优势；欧洲标准是基于ATM的数据传输系统，侧重于DVB交互信道的规范，具有实时视频传输优势。

Cable Modem的工作过程是：以DOCSIS标准为例，Cable Modem的技术实现一般是从87 MHZ―860MHZ电视频道中分离出一条6MHZ的信道用于下行传送数据。通常下行数据采用64QAM（正交调幅）调制方式或256QAM调制方式。上行数据一般通过5 MHZ―65 MHZ之间的一段频谱进行传送，为了有效抑制上行噪音积累，一般选用QPSK调制（QPSK比64QAM更适合噪音环境，但速率较低）。CMTS与 CM的通信过程为：CMTS从外界网络接收的数据帧封装在MPEG―TS帧中，通过下行数据调制（频带调制）后与有线电视模拟信号混合输出RF信号到HFC网络，CMTS同时接收上行接收机输出的信号，并将数据信号转换成以太网帧给数据转换模块。用户端的Cable Modem的基本功能就是将用户计算机输出的上行数字信号调制成5 ―65 MHZ射频信号进入HFC网的上行通道，同时，CM还将下行的RF信号解调为数字信号送给用户计算机。

3 上下行通道技术指标

频谱的分布主要有两种标准：

3.1 上行通道的载波频率与带宽

在5--42/65MHz的频段内，可任选一个固有噪声小、突发噪声少的频带作为上行载波。但一般选择在20MHz以上，最好能选择在40MHZ以上，因为20MHz以下一般噪声较大。

按照DOCSIS协议标准，上行载波的频率带宽有5种：200KHz、400KHz、800KHz、1600KHz、3200 KHz，可根据噪声和速率要求选择，频率带宽越宽，速率会越大，但同时也有可能会引入更多的噪声。

3.2 上下行通道的调制方式

HFC网络本质上是传输射频载波信号的模拟网络，模拟信号是以频分复用的方式传输的，数字/数据信号必须经过数字载波调制才能在HFC网络中传输。常用的调制方式有多值正交幅度调制MQAM(其中M=2a，当a=2，3，4，5，6，8时，分别对应QPSK，8QAM，16QAM，32QAM，64QAM，256QAM)

上行通道和下行通道的调制方式有所不同：

上行通道用QPSK、16QAM，DOCSIS 2.0增加了8QAM、32QAM、64QAM三种上行调制方式

下行通道用64QAM、256QAM

如下表所示，不同的调制方式对信噪比的要求不同，频谱带宽越高，调制方式越高，对信噪比的要求就越高。

3.3 传输速率

上行通道传输速率

上行通道的传输速率可以用以下公式计算：速率(Mb/s)＝0.8×带宽×log2M。

其中带宽为上行通道载波的带宽，单位MHz，取值为0.2，0.4，0.8，1.6，3.2，6.4，M为QAM调制的等级，对16QAM来说是16，对64QAM来说是64，QPSK取值4。

例如：对带宽6.4MHz，调制方式QPSK的上行通道来说，速率＝0.8×6.4×log24=10.24Mb/s；当线路质量非常好的时候，基于DOCSIS2.0协议版本，可以采用6.4MHz的带宽，64QAM的调制方式，则速率=0.8×6.4×log264=30.72Mb/s，当然在实际情况中，要实现这么高的上行传输速率，则需要非常大的投入来进行双向改造，而施工工艺则是重要的工程指标。

下行通道传输速率：

基于欧标DOCSIS1.1，当调制方式为64QAM时，总物理下行带宽为：6.952 M sym/sec × 6bits/sym = 41.71 Mbps。除掉线路开销，有效比特率约为36 Mbps。 当调制方式为256QAM时，总物理下行带宽为：6.952 M sym/sec × 8bits/sym = 55.61 Mbps。除掉线路开销，有效比特率约为52 Mbps

基于美标DOCSIS1.1，当调制方式为64QAM时，总物理下行带宽为：5.05694 M sym/sec × 6bits/sym = 30.34 Mbps。除掉线路开销，有效比特率约为27 Mbps。当调制方式为256QAM时，总物理下行带宽为：5.360537 M sym/sec × 8bits/sym = 42.88 Mbps。除掉线路开销，有效比特率约为39 Mbps

3.4 总结

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Cable Modem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。

综上所述，建设一个稳定可靠的Cable Modem系统，最重要的前提就是提供一个质量较好的双向网络。

5 双向改造

由于传统有线电视网络是单向网络，为实现双向数据通讯，需要对网络进行双向改造，双向改造是给传统的单向有线电视网络增加上行通道的过程，双向改造的好坏直接影响到日后开展数据传输业务的效果。

相对于上行通道，前端就是用户，因此必须减少来自于用户端的各种噪声。上行通道的信号是从用户端进入上行回传系统，同时也将自身引入的各种噪声送入上行信道，汇集到一起向前端传送，因此，从同轴分配网各用户到光节点，上行通道形成一个“漏斗”，将上行通道的噪声带到光节点，然后通过光纤上行信道，并和光纤信道的噪声一起，一同传至前端。上行通道的噪声比下行通道的噪声复杂得多，严重得多。上行通道的噪声主要有下列三种：

热噪声：由有源器件(放大器和接收机)产生，源自电子无规则热运动。

光纤链路噪声：由回传激光器、光纤和前端接受机产生。

侵入噪声：是最主要的噪声，主要来自不连续的窄带干扰如短波广播、无线寻呼、业余无线频段、太阳黑子等以及宽频谱干扰如电弧、开关切换、电子点火装置和家用电器，另外分支分配器屏蔽不良或接头脱落、用户盒打开、线路匹配不好和接地不好、没接匹配负载等都会引入侵入噪声。

上行通道侵入噪声特点：

噪声分布与频率有关：在5－20MHZ，主要是短波干扰，可超过60dB，20MHZ以上一般只有30dB。

在晚上家电使用高峰时噪声最严重，白天和午夜维持在一个相对较低的水平。

还与网络光节点的规模有关，光节点带的用户数越多，侵入机会越多，也与网络所用器材质量(如屏蔽性)有关。

主要是从用户家到分支分配器之间、分支分配器到前端之间侵入。

为降低上行通道侵入噪声，通常采取以下措施：

减少每个光节点覆盖的用户数，建议不超过500户。

减少同轴电缆的长度，从光节点引出的同轴电缆只能作分配线，不能再作为干线。

选择屏蔽性能好的网络器材，如铝管屏蔽物理发泡电缆或网状四层屏蔽物理发泡电缆，入户线可用铝箔高密度编织物理发泡电缆，选用背面后盖焊接的分支器和铝锌合金压铸终端盒，保证低频段具有良好的屏蔽性能。

提高网络的施工质量。如电缆弯曲半径要严格按照厂家规定，否则屏蔽系数下降；不用的分支分配端口要用75欧电阻终接；F头要用专用压接钳压接；网络各种接头要紧固；接地要好。

对非双向用户端装高通滤波器，隔离上行频段的信号。

靠近电视机的3－4M电缆可盘成直径15CM(约5－6圈)之盘，可有效降低脉冲噪声，对入侵噪声也有抑制作用。

由此可以看出，为有效降低上行通道的噪声，必须提高施工工艺，选择质量性能好的器材。

6 综合分析

6.1 物理网络结构

CMTS+CM模式下双向HFC网络拓扑是星树形或总线型结构。树型结构网络噪声汇集较强，而且不同用户回传到光节点的链路衰减较难控制到同一值，因此最好的网络拓朴为星型结构。

6.2 稳定性

以前由于CMTS+CM采用星树形／总线型结构,存在用户汇聚噪声的问题，但随着网络改造的进行，光节点得到合理拆分，施工工艺也不断提高，减少了回传噪声的影响。理论上，如果将一个光节点下的单向用户20MHz以下部分进行阻断，CMTS上行通道在40MHz到65MHz之间进行调制，均可提高信噪比，数据传输可得到保证。实

际操作中，由于施工标准的不统一，还是会出现某些不确定的问题。

6.3 性能（传输速率）

按照Docsis标准计算，CMTS下行通道带宽为8MHz，调制方式为64QAM或者256QAM，最大数据速率为36或者52Mbps。上行通道带宽为3.2MHz，调制方式为QPSK或者64QAM，数据速率为20Mbps～60Mbps。在保证用户带宽的情况下（同时在线比例1：3）每CMTS可发展300-400宽带用户，每户平均速率接近500 kbps。这个速率表面上看起来和现在电信推广的ADSL的速率一样，但由于采用共享机制，而且绝大部分的用户只是在浏览网页、收发邮件、网上聊天，占用带宽的较少，因此，实际应用中用户能够分配到的实际带宽远远大于平均带宽。

6.4 安全性

有一种模糊的认识认为CMTS所采用的双向HFC是共享型的网络，安全性差。实际情况并非如此,早在1999年的DOCSIS 1.1标准大大增强了双向HFC网络的QoS，使CATV网络能够提供较高质量的服务。在DOCSIS标准中，双向HFC实际上是一个物理层的结构，同一个CMTS卡的用户共享一条总线，是在HFC这个物理层上承载IP数据流，在RF-MAC层上，CM和CMTS之间要通过3个步骤的握手过程，进行注册认证后才能通信，因此双向HFC的网络数据安全性能够满足家庭用户要求，对少数安全性要求高的用户可以采用加密方式。

6.5 系统运行维护

CMTS的双向HFC在网络设计和施工中要求比较高，双向HFC一定要严把施工工艺。如果施工工艺不好，日后维护工作量就大；施工质量良好，日后的维护量就少。同时在把双向搞好了后，对传统的电视业务质量也是一个大的提高，可以省去很多维护工作。

6.6 光纤的问题

传统的模拟电视广播业务是单向的，因此从分前端到光节点，只需要使用一根物理光纤。而宽带业务在光缆部分需要两根物理光纤作为双向通道。CMTS系统的下行信号是与模拟电视信号一并混入大网的，因此下行通道不需额外占用光纤资源，只需增加一根物理光纤作为回传通道。

6.7 业务推广及适用范围

单纯从技术角度来看，CMTS+CM的方案是适合广电自身体制的，技术标准及产品比较成熟，可直接利用现有的有线电视网络，但Cable Modem系统在初期需要一个较长的建设周期（网络双向改造及系统平台搭建），由于双向改造需要一个过程，因此初期无法在全网覆盖范围内推广业务。不过在双向改造及系统建设完成后，Cable Modem的技术成熟性，可扩展性等一系列优势也随之显现出来。此外，由于一个CMTS初期可以覆盖多个光节点，可以随着用户的增加再进行拆分，因此在系统投资上也可以做到分部实施。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。