基地Cable的高速Internet接入方案

基地Cable的高速Internet接入方案（郝代春、胡修林、張?zhí)N玉）
摘要  在Internet接入研究中，電纜調(diào)制解調(diào)器（cable modem）是一種先進(jìn)的高速
解決方案。文章介紹了基于cable modem的系統(tǒng)原理和關(guān)鍵技術(shù)，并討論了該領(lǐng)域的
應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞  電纜調(diào)制解調(diào)器（cable modem）   Internet接入  電纜系統(tǒng)傳輸接口數(shù)據(jù)
規(guī)范（DOCSIS）
    目前，Internet在我國的增長速度很快，但與發(fā)達(dá)國家相比，上網(wǎng)人數(shù)和所占的
比例差距還很大。國內(nèi)的家庭上網(wǎng)主要采用普通電話線的modem方式，即通過電信部
門的PSTN接入 Internet主干網(wǎng)。受 POTS交換機(jī) 64kb／s話路的限制，上網(wǎng)最高速率
僅達(dá)到56kb／s。即使采用窄帶  IS－DN的2B＋D終端方式，也只能達(dá)到128kb／s，對
寬帶多媒體業(yè)務(wù)的支持還不能令人滿意。
    由于我國廣電網(wǎng)已擁有全國性的7000萬用戶網(wǎng)絡(luò)資源，初步具備了Internet接入
的條件，成為國內(nèi)業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。與電話網(wǎng)絡(luò)相比，有線電視網(wǎng)的傳輸有以下
優(yōu)勢：
    （1）有線電視能延伸到千家萬戶，它在上海的普及率幾乎已超過傳統(tǒng)電話的普
及率。
    （2）有線電視布線系統(tǒng)比較簡單，屬于共享介質(zhì)一類，即用一條光纖或同軸電
纜延伸到一個(gè)街道里弄甚至居住社區(qū)。
    （3）有線電視的頻帶較寬，如中國有線電視傳輸系統(tǒng)高頻區(qū)（UHF）可達(dá)958MHz。
為了在有線電視網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)信號，已研制開發(fā)出新一代產(chǎn)品：電纜調(diào)制解調(diào)器
（cable modem，CM ）。
1CM系統(tǒng)及Internet接入
    CM的基本原理是：在有線電纜上對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，然后在有線網(wǎng)（cable）的某
個(gè)頻率范圍內(nèi)傳輸；接收方在同一個(gè)頻率范圍內(nèi)，對該已調(diào)信號解調(diào)，解析出數(shù)據(jù)，
再傳送給用戶。事實(shí)上，這種調(diào)制解調(diào)器在物理層上的傳輸機(jī)理與電話線上的調(diào)制
解調(diào)器沒什么不同，同樣也是通過調(diào)頻或調(diào)幅對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼。
    這里需要指出的是，有線電視網(wǎng)是共用傳輸系統(tǒng)（電話在用戶與交換機(jī)之間是
獨(dú)立的），而CM是在有線電視網(wǎng)的某個(gè)傳輸頻率上進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)。由此，我們
可對CM得出下述推論：（1）CM屬于共享介質(zhì)系統(tǒng)，與共享以太網(wǎng)屬于同一種傳輸方
式；（2）CM是在有線電視網(wǎng)上的某段或幾段頻率上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其它頻段仍可用
于有線電視信號傳輸。
    用戶PC發(fā)出的數(shù)字信號經(jīng)電纜調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后，通過光纖主干網(wǎng)傳輸至 CM有
線前端（cable modem termination system，CMTS）的接收部分（Rx），由上行分
配器或?yàn)V波器分配到上行通道，經(jīng)解調(diào)后送入網(wǎng)絡(luò)終端，再通過傳輸前端和交換設(shè)
備接人In－ternet主干網(wǎng)。來自  Internet主干網(wǎng)的所需信息由本地服務(wù)器緩存，
經(jīng)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備送人調(diào)制部分，調(diào)制到射頻后與電視信號在混合器中混合，最后由
發(fā)送裝置（TX）通過光纖主干線送入用戶端的CM。在CM中，一路輸出TV信號，供用
戶收看；另一路將解調(diào)后的數(shù)字信息送人 PC，供用戶上網(wǎng)。CM通過分離的信道，對
上行和下行通信提供網(wǎng)絡(luò)接人。這些信道是非對稱的，下行信道容量和數(shù)據(jù)速率比
上行信道高。
2系統(tǒng)原理和技術(shù)方案
    目前，有兩種CM標(biāo)準(zhǔn)相互競爭，即“電纜系統(tǒng)傳輸接口數(shù)據(jù)規(guī)范”（DOCSIS）
和“數(shù)字視頻廣播／數(shù)字音頻一視頻委員會”（DVD／DAVIC）。DOCSIS是由美國和
加拿大公司作為多媒體電纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（MCNS）聯(lián)合組織的一種倡議推出的。MCNS業(yè)
務(wù)的美國用戶達(dá)85％，加拿大用戶為75%。最近組建的歐洲CM聯(lián)合會也支持DOC－SIS。
參加該組織的公司有Cisco系統(tǒng)、摩托羅拉和3Com等。DVB／DAVIC互通聯(lián)合組織受
到一些大公司支持，如阿爾卡特、休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和湯姆遜等。此外，它還受歐洲電
纜通信協(xié)會技術(shù)分會EuroCable Labs支持。
    目前，DOCSIS CM在美國已廣為應(yīng)用。 CM的成熟商用，依賴于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和大規(guī)
模生產(chǎn)，1998年4月，ITU正式接納DOCSIS為ITU－T的標(biāo)準(zhǔn)。
    DOCSIS規(guī)范中給出的系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)主要由用戶端的CM和位于CATV前端的CMTS兩
大部分組成。通過HFC形態(tài)的CATV網(wǎng)絡(luò)，向用戶宅用設(shè)備（CPE，如 PC機(jī)）提供用
于訪問外部WAN的不對稱透明IP傳輸。在CPE側(cè)，CM一端通過電纜與CMTS相通，另一
端則以10Base－T或USB方式連接各種用戶端設(shè)備。CMTS從功能上可視為一網(wǎng)絡(luò)hub，
一方面利用雙向電纜的FDD／FDMA／TDMA信道與各CM交互；另一方面可用各種標(biāo)準(zhǔn)
的網(wǎng)絡(luò)接口（如100Base－T、1000Base－T、FDDI和ATM）向外部的Internet主干網(wǎng)
轉(zhuǎn)發(fā)IP。為了解決開放式共享電纜上合法用戶信息的安全問題，在DOCSIS中還規(guī)定
了采用DES的數(shù)據(jù)包加密方式：在Headend端增加了安全接人控制器（SAC），在CM
側(cè)還提供IC卡形式的可裝卸安全模塊（RSM）選件。為了適應(yīng)現(xiàn)有的大量單向電纜
網(wǎng)絡(luò)，有效地保護(hù)運(yùn)營商的原有投資利益，MCNS還專門制訂了上行信道采用普通電
話線的cable modem telcoreturn interface標(biāo)準(zhǔn)。
    在CM網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面，介于CMTS與CM之間的電纜網(wǎng)絡(luò)，形態(tài)上基于共享介質(zhì)和樹
型分支的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用基于FDD的雙向模擬傳輸方式。從CMTS到CM的下行方向可
占用50～860M的高頻段，從CM至CMTS的上行方向則分配在5～42M的低端。具體頻道
的占用和配置由CMTS完成，并要與現(xiàn)有的其它電纜業(yè)務(wù)（如視）兼容，下行發(fā)送功
率應(yīng)小于模擬電機(jī)載頻-6—-10dB。每個(gè)方向又以FDMA方式，按6～8MHz（一個(gè)模擬
電視頻道的帶寬）細(xì)分為若干載頻信道。在每個(gè)下行載頻信道上，PDU（Protocol 
Data Unit）向所有CM廣播，CM則依靠packetPDU中目的MAC地址來區(qū)分是否要接收。
由于該網(wǎng)絡(luò)采用點(diǎn)對多點(diǎn)連接方式，同一電纜有為數(shù)眾多的CM，即使劃分為若干載
頻，仍會大量存在PDU沖突，導(dǎo)致該信道的數(shù)據(jù)吞吐量下降。為此，在每個(gè)載頻上，
MCNS運(yùn)用TDMA技術(shù)，從時(shí)間上以2n×6.25ps為單位，分為小時(shí)隙（minislot）。
CMTS根據(jù)各CM所申請的帶寬，為需要上傳 PDU的各 CM動態(tài)分配相關(guān)數(shù)量的小時(shí)隙。
除了處于數(shù)傳狀態(tài)的CM可獨(dú)占帶寬外，其它CM則以CSMA／CD方式共享有限小時(shí)隙，
以完成定時(shí)功率調(diào)整及注冊等初始化工作。因此，DOCSIS上行信道的復(fù)用表現(xiàn)為
FDMA和TD－MA相結(jié)合、動態(tài)獨(dú)占和沖突共享相互補(bǔ)的特點(diǎn)。CMTS作為DOCSIS的集
中點(diǎn)，在TCP／IP之上還附加了多種應(yīng)用層協(xié)議，其中動態(tài)生機(jī)配置協(xié)議（DHCP）
用于為CM動態(tài)分配IP；無效文件轉(zhuǎn)換協(xié)議（TFTP）用于CM上S／W及配置的動態(tài)下
載升級；簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SN MP）用于性能、故障、配置等的管理；安全管理
（SM）用于用戶的合法性檢查。
    由于CM系統(tǒng)基于寬帶同軸電纜，在技術(shù)上具有覆蓋廣和寬帶高效的突出優(yōu)點(diǎn)，
又能與其它業(yè)務(wù)（如電視等）共存，若再采用VoIP集成話音業(yè)務(wù)，應(yīng)該是三網(wǎng)合
一最有效的接入手段。國內(nèi)目前的CATV網(wǎng)大部分興建時(shí)間較早，主要為單向結(jié)構(gòu)。
廣電網(wǎng)作為中國電信在業(yè)務(wù)接入領(lǐng)域最大的潛在競爭對手，也不大可能采用PSTN
上行傳輸?shù)幕旌夏Ｊ絹碇С謹(jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)。若要將廣電網(wǎng)改造為基于HFC的雙向網(wǎng)絡(luò)，
除了要將主干網(wǎng)光纖化外，小區(qū)內(nèi)的干線和分支放大器也要全部更換為雙向放大
器，需要較大的資金投入。同時(shí)，全國范圍的廣電骨干網(wǎng)尚在建設(shè)中，盡管短期
內(nèi)可與吉通的金橋網(wǎng)合作，通過租用專線來解決出口問題，但當(dāng)用戶數(shù)太多時(shí)，
出口仍會形成瓶頸。另一個(gè)影響大量推廣使用的主要障礙是目前CM的價(jià)位較高。
因此，基于電纜的寬帶網(wǎng)應(yīng)用，需要各有線臺聯(lián)合有遠(yuǎn)見的投資機(jī)構(gòu)和設(shè)備供應(yīng)
商共同推廣，共同受益。由于有限的數(shù)據(jù)帶寬為眾多用戶所共享，可采用接流量
的包月收費(fèi)，而不必象撥號上網(wǎng)，除了上網(wǎng)費(fèi)外還要支付市話費(fèi)。從長遠(yuǎn)來看，
投資該領(lǐng)域?qū)⑷〉每捎^的回報(bào)。
3發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用前景
    除了基本的Internet瀏覽信息外，經(jīng)CM組建的視訊寬帶網(wǎng)服務(wù)內(nèi)容還包括：
提供VOD視頻點(diǎn)播。AOD音樂點(diǎn)播、互動三維游戲、家居銀行、遠(yuǎn)程教育。家庭證
券大戶室、電子商務(wù)、網(wǎng)上社區(qū)和個(gè)人電子秘書等富有特色的信息服務(wù)。
    廣電系統(tǒng)已初步建成全國性的光纖主干網(wǎng)，采用SDH和ATM相結(jié)合的組網(wǎng)方式，
帶寬將達(dá)2×2.5Gb／s，規(guī)劃總長14000km。以HFC為特征的雙向網(wǎng)正在新建小區(qū)和
新興發(fā)達(dá)地區(qū)廣為應(yīng)用，部分沿海省市的大規(guī)模雙向改造工程也在實(shí)施中。經(jīng)國
家批準(zhǔn)，由廣電總局、上海市和中科院三家合作成立的國內(nèi)第三家允許經(jīng)營數(shù)據(jù)
業(yè)務(wù)的“網(wǎng)通”公司正式運(yùn)作，標(biāo)志著廣電網(wǎng)將迎來新的發(fā)展階段。
    深圳有線電視臺是最早涉足寬帶數(shù)據(jù)接入領(lǐng)域的有線臺之一。截止至1997年，
深圳有線臺擁有550MHz寬帶光纖骨干網(wǎng)，傳輸20路模擬電視節(jié)目，帶寬資源頗多
余量。通過HFC升級、雙向服務(wù)升級（包括設(shè)備）。主干網(wǎng)和接入網(wǎng)改造，以及
各種技術(shù)難點(diǎn)（如回傳問題、漏斗效應(yīng)）的克服，在深圳有線臺 50萬有線電視
用戶中，70～80％已具備通過有線電視網(wǎng)接入本地網(wǎng)和Internet的條件。由于采
用了CM租用和上網(wǎng)費(fèi)包月等優(yōu)惠政策，一旦各種外部條件成熟，將對家庭和中小
企業(yè)用戶具有強(qiáng)大的吸引力。
    廣東有線電視臺是較早將寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)投入商業(yè)運(yùn)營的有線臺，目前已投入
1.6億元巨資用于網(wǎng)絡(luò)雙向改造、寬帶網(wǎng)設(shè)備購置以及人員培訓(xùn)，建設(shè)成效斐然。
廣州市內(nèi)主干網(wǎng)容量達(dá)750MHz（雙向），對 48個(gè)光節(jié)點(diǎn)改造后，可達(dá)90個(gè)光節(jié)
點(diǎn)，每個(gè)光節(jié)點(diǎn)覆蓋2000～4000戶。此外，通過租用吉通公司的出口，在爭取企
業(yè)用戶方面可提供更加優(yōu)惠的服務(wù)。其下屬的環(huán)網(wǎng)公司還率先開發(fā)出自己的CM產(chǎn)
品，有效地降低了用戶端成本。
    上海有線電視網(wǎng)雙向改造于1996年開始規(guī)劃，1997年在全市范圍內(nèi)進(jìn)行了主
干網(wǎng)改造，1998年底2000個(gè)光節(jié)點(diǎn)改造完畢，光節(jié)點(diǎn)以下最后一公里也改造了一
部分，20～30萬有線用戶的線路已改造完畢。此外青島、大連、珠海、北京、重
慶等地的有線電視臺也在緊鑼密鼓地進(jìn)行光纖雙向改擴(kuò)建工程建設(shè)，同時(shí)開展寬
帶數(shù)據(jù)接入的商業(yè)化試點(diǎn)工作。
    與國內(nèi)悄然啟動的CATVInternet寬帶接入市場形成鮮明對比，國外市場則呈
現(xiàn)出激烈競爭的場面。經(jīng)營傳統(tǒng)電話網(wǎng)的各大公司紛紛并購和改建CATV網(wǎng)，充分
利用CATV家庭覆蓋面廣和天然的寬帶優(yōu)勢，積極爭奪上網(wǎng)用戶。各大廠商還爭先
恐后地推出各自的CM系統(tǒng)系列產(chǎn)品。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，目前國外已有30余家電子公司
正在開發(fā)基于DOCSIS標(biāo)準(zhǔn)的CM相關(guān)產(chǎn)品。為了確保各家CM及相關(guān)產(chǎn)品的互通性，
ITU指定Cable－lab作為CM產(chǎn)品的檢測單位，按DOCSIS或ITU標(biāo)準(zhǔn)，對檢驗(yàn)合格的
廠家頒發(fā)合格證。在1999年3月公布的結(jié)果中，Tosbiba和Thomson公司生產(chǎn)的CM
通過驗(yàn)收，Cisco的CMTS也已獲認(rèn)證。
    目前，北美地區(qū)已有2000萬用戶通過CM上網(wǎng)（不一定符合DOCSIS），符合
DOCSIS的CM已有數(shù)十萬的定單。這一切都說明，CM作為解決寬帶數(shù)據(jù)“最后一公
里”接入的最有效手段之一，它蘊(yùn)藏著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。


摘自《電信快報(bào)》