Cable Modem工作原理

Cable Modem的一些參數

321物理層 下行通道的頻率范圍為88～860MHz，每個通道的帶寬為6MHz(NTSC 6 G-MHz，PAL 8MHz)，采用64QAM或256QAM調制方式，對應的數據傳輸速率為30342Mbit/s或 42884Mbit/s。上行通道的頻率范圍為5～65MHz，每個通道的帶寬可為200、400、800、1600、3200kHz，采用QPSK或16QAM調制方式，對應的數據傳輸速率為 320～5120Kbit/s或640～10240Kbit/s。上行通道的帶寬可根據所需的數據傳輸速率設定。在同樣的帶寬內，QPSK調制的速率比16QAM調制方式低，但其抗干擾性能好， 適用於噪聲干擾較大的上行通道，而16QAM調制適用於信道質量好且要求高速傳輸數據的場合。在CMTS設備中，為了減小上行通道的干擾，一個下行通道一般對應多個不同 頻率的上行通道，CMTS設備根據信道的噪聲狀況自動跳頻到干擾較小的通道，而用戶察覺不到該跳頻過程。

322媒體通路控制層MAC(Media Access Control Layer)和邏輯鏈接控制層LLC(Logical Link Control Layer) 這兩個協議層規定了不同信號和用戶怎樣共享公共帶寬。由於目前還沒有統一的行業標准，故不同的Cable Modem廠家采用不同的協議，較常見的協議有：用於以太網的公共 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，載波復用通路/沖突檢測)和先進的ATM(Asynchronous Transfer Mode，異步傳輸模式)協議。這些協議都 可以有效地使用上行通道，可以根據需要分配帶寬，保證通訊質量。

323有線電視前端 在上行方向，Cable Modem從電腦接收數據包，把它們轉換成模擬信號，傳送給網絡前端設備。該設備用於分離出數據信號，轉換為數據包，並傳送給Internet服務器。同時 該設備還可以剝離出語音(電話)信號，並傳送給交換機。

33Cable Modem系統的配置、使用和管理 Cable Modem和前端設備的配置是分別進行的。Cable Modem有用於配置的Consol接口，可通過VT終端或Win9x的超級終端程序進行設置。Cable Modem加電工作後，首 先自動搜索前端的下行頻率，找到下行頻率後，從下行數據中確定上行通道，與前端設備CMTS建立連接，並交換信息，包括上行電平數值、動態主機配置協議(DHCP)和小文 件傳送協議(TFTP)服務器的IP地址等。Cable Modem具有在線功能，即使用戶不使用，只要不切斷電源，就與前端始終保持信息交換，用戶可隨時上線。 Cable Modem具有 記憶功能，在斷電後再次上電時，使用斷電前存儲的數據與前端進行信息交換，可快速地完成搜索過程。從上述可看出，在實際使用中，Cable Modem一般不需要人工配置和 操作。如果進行了設置，例如改變了上行電平數值，則會在信號交換過程中自動設置到CMTS指定的合適數值上。每一台Cable Modem在使用前，都需在前端登記，在TFTP服 務器上形成一個配置文件。一個配置文件對應一台Cable Modem，其中含有設備的硬件地址，用於識別不同的設備。Cable Modem的硬件地址標示在產品的外部，有RF和以 太網兩個地址。TFTP服務器的配置文件需要地址。有些產品的地址需通過Consol接口聯機後才能讀出。對於只標示一個地址的產品，該地址為通用地址。前端CMTS是管理控 制Cable Modem的設備，其配置可通過Consol接口或以太網接口完成。通過Consol接口的配置與Cable Modem配置類似，以行命令的方式逐項進行，而通過以太網接口的配 置，需使用廠家提供的專用軟件。CMTS的配置內容主要有：下行頻率、下行調制方式、下行電平等。下行頻率在指定的頻率范圍內可以任意設定，但為了不干擾其它頻道的信 號，應參照有線電視的頻道劃分表選定在規定的頻點上。調制方式的選擇應考慮信道的傳輸質量。此外，還必須設置DHCP、TFTP服務器的IP地址，CMTS的IP地址等。 上述設置完成後，如果中間的線路無故障，信號電平的衰減符合要求，則啟動DHCP、TFTP服務器，就可以在前端和Cable Modem間建立正常的通信通道。一般地說，CMTS 的下行輸出電平為110～121dBμV，接收的輸入電平為44～86-dBμV;Cable Modem接收的電平范圍為45～75dBμV;上行信號的電平為68～118dBμV(QPSK)或68～ 115dBμV(16QAM)。上下行信號在經過HFC網絡傳輸衰減後，電平數值應滿足這些要求。CMTS設備中的上行通道接口和下行通道接口是分開的，使用時需經過高低通濾波器 混合為一路信號，再送入同軸電纜。在實際使用中，也可用分支分配器完成信號的混合，但對CMTS設備內部的上下行通道的干擾較大。在CMTS和Cable Modem間的通道建 立後，可使用簡單網絡管理協議(SNMP)進行網絡管理。SNMP是一個通用的網絡管理程序，對於不同廠家的CMTS和Cable Modem設備，需將廠家提供的管理信息庫(MIB)文 件裝入到SNMP中，才能管理相應的設備。也可使用行命令的方式進行管理，但操作不直觀，容易出現錯誤。

CATV網利用Cable Modem(簡稱CM)來向用戶提供高速寬帶Iternet接入，這種接入方式給用戶提供最高達38Mbps的接入速度，那末CM是如何工作的，是如何與 CATV前

端建立聯系的，在這裡我作一些介紹。

CM系統是基於DOCSIS1.1標准來設計的，系統由前端設備CMTS和用戶端設備CM組成。CMTS是作為前端路由器、交換集線器與CATV網絡之間的連接設備，CM通過CMTS

與廣域網(Iternet)實現連接。CMTS也是管理和控制CM的設備，它的主要配置有：下行頻率、下行調制方式、下行電平、DHCP和TFTP與TOD服務器等。其中DHCP服務器用

作動態分配給每個CM的IP地址，TFTP服務器作用是記錄著每一個CM的配置文件，也即給每個CM分配一個服務標識(Servite ID)，服務標識在CMTS與CM之間建立一個映

射，CMTS將基於該映射給沒個CM分配帶寬。CMTS也可給CM分配多個服務標識來支持不同服務類型，每個服務標識對應於服務類型，TOD稱為時間服務器，其作用是給CM提

供當前的時間。這三個服務器可安裝在同一台物理服務器上。CMTS能維護一個連接用戶數據交換集線器的10Baset雙向接口和一個承載簡單網絡管理協議(SNMP)信息的

10Baset接口，並且CMTS能支持CATV網絡上的不同CM之間的雙向通訊。就下行來說，由路由器的數據包在CMTS中被封裝成MPEG2-TS幀的形式經過64QAM調制後，通過

HFC網傳給各CM。在上行方向上，CMTS將接收到的經QPSK調制的數據進行解調並轉換成以太幀的形式傳給路由器。為了減小上行通道的干擾，一個下行通道一般對應有多個

不同頻率的上行通道，CMTS根據信道的噪聲狀況自動跳頻到干擾較小的通道，而用戶察覺不到跳頻的過程。同時，CMTS負責處理不同的媒體訪問控制(對訪問用戶的IP地址進

行受權認正)，這些程序包括下行的時隙信息傳輸，測距管理以及給各CM分配時分多址訪問的時隙。CMTS根據帶寬分配算法可將一個小時隙定義為預約小時隙或競爭小時

隙，CM通過小時隙向CMTS傳輸數據。

CM是放在用戶家中的終端設備，連接用戶的PC機和HFC網絡，提供用戶數據接入。CM與CMTS組成完整的數據通信系統，CM接收從CMTS發送來的QAM調制信號並解調，然

後轉換成MPEG2-TS數據幀的形式，以重建傳向10Baset以太接口的以太幀。在相反的方向上從PC機接收到的以太幀被封裝在時隙中，經QPSK調制後，通過HFC網絡的上行

數據通路傳送給CMTS。CM在加電之後，必須進行初始化，才能進入網絡，接收CMTS發送的數據及向CMTS傳輸數據。CM的初始化是經過與CMTS的一系列交互過程來實現

的。下面詳細描述該過程：

1、測試RSM

當CM接通電源後，CM首先要確認可移去的安全模塊，是否存在於RSM的時隙中。

2、與CMTS建立同步

在初始化或信息丟失時，CM必須與一個下行信道建立同步。CM有一個存儲器，其中存放上次的操作參數，CM將首先嘗試重新獲得存儲的那個下行信道，如果嘗試失敗，CM將

連續地對下行信道進行掃描，直到發現一個有效的下行信號。CM與下行信號同步的標准為：與QAM碼元定時同步、與FEC幀同步、與MPEG分組同步並能識別下行媒體訪問控

制的同步報文。

3、獲得上行信道的傳輸參數

建立同步之後，CM必須等待一個從CMTS發送出來的上行信道描述符，以獲得上行信道的傳輸參數。CMTS周期性地傳輸上行信道描述符給所有的CM，CM必須從其中的信道描

述參數中確定它是否使用該上行信道。若該信道不合適。那麼CM必須等待，直到有一個信道描述符指定的信道適合於它，若在一定時間內沒找到這樣的上行信道，那麼CM必須

繼續掃描。找到另一個下行信道，再重復該過程。在找到一個上行信道後。CM必須從信道描述符中取出參數，然後等待下一個同步報文，並從該報文中取出上行小時隙的時間

標記，隨後，CM等待一個給所選擇的信道的帶寬分配映射，然後它可以按照媒體訪問控制操作和帶寬分配機制在上行信道中傳輸信息。

4、校准

CM在獲得上行信道的傳輸參數後，就可以與CMTS進行通訊。CMTS會在MAP中給該CM分配一個初始維護的傳輸機會，用於調整CM傳輸信號的電平、頻率等參數，其中CM的

輸出電平是根據分配給CM的帶寬，按每赫之功率為參數，通過CMTS對CM的長線AGC來控制的。另外，CMTS還會周期性地給各個CM發周期維護報文，用於對CM進行周期性

的校准。

5、建立IP連接

校准完成後，CM必須使用動態主機配置協議(DHCP)，從DHCP服務器上獲得分配給它的IP地址，另外，DHCP服務器的響應中還必須包括一個包含配置參數文件的文件名，

放置這些文件的TFTP服務器的IP地址、時間服務器的IP地址等信息。

6、建立時間

CM和CMTS需要有當前的日期和時間。CM采用IETF定義的RFC868協議從時間服務器中獲得當前的日期和時間。RFC868定義了獲得時間的兩種方式，一種是面向連接的，

一種是面向無連接的。CMTS采用面向無連接的方式從TOD服務器獲得CM所需的時間概念。

7、建立安全機制

如果有RSM模塊存在，並且沒有安全協定建立，那麼CM必須與安全服務器建立安全協定。安全服務器的IP地址可以從DHCP服務器的響應中獲得。

8、傳輸操作參數

接下來，CM必須使用TFTP協議從TFTP服務器上下載配置參數文件，獲得所需要的各種參數。

9、初始化基本保密機制

在獲得配置參數後，若RSM模塊沒有檢測到，CM將初始化基本保密機制。完成初始化後，CM將使用下載的配置參數向CMTS申請注冊，當CM接收到CMTS發出的注冊響

應後，CM就進入了正常的工作狀態。