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、张蕴玉）
摘要  在Internet接入研究中，电缆调制解调器（cable modem）是一种先进的高速
解决方案。文章介绍了基于cable modem的系统原理和关键技术，并讨论了该领域的
应用前景。
关键词  电缆调制解调器（cable modem）   Internet接入  电缆系统传输接口数据
规范（DOCSIS）
    目前，Internet在我国的增长速度很快，但与发达国家相比，上网人数和所占的
比例差距还很大。国内的家庭上网主要采用普通电话线的modem方式，即通过电信部
门的PSTN接入 Internet主干网。受 POTS交换机 64kb／s话路的限制，上网最高速率
仅达到56kb／s。即使采用窄带  IS－DN的2B＋D终端方式，也只能达到128kb／s，对
宽带多媒体业务的支持还不能令人满意。
    由于我国广电网已拥有全国性的7000万用户网络资源，初步具备了Internet接入
的条件，成为国内业内人士关注的焦点。与电话网络相比，有线电视网的传输有以下
优势：
    （1）有线电视能延伸到千家万户，它在上海的普及率几乎已超过传统电话的普
及率。
    （2）有线电视布线系统比较简单，属于共享介质一类，即用一条光纤或同轴电
缆延伸到一个街道里弄甚至居住社区。
    （3）有线电视的频带较宽，如中国有线电视传输系统高频区（UHF）可达958MHz。
为了在有线电视网上传输数据信号，已研制开发出新一代产品：电缆调制解调器
（cable modem，CM ）。
1CM系统及Internet接入
    CM的基本原理是：在有线电缆上对数据进行调制，然后在有线网（cable）的某
个频率范围内传输；接收方在同一个频率范围内，对该已调信号解调，解析出数据，
再传送给用户。事实上，这种调制解调器在物理层上的传输机理与电话线上的调制
解调器没什么不同，同样也是通过调频或调幅对数据进行编码和解码。
    这里需要指出的是，有线电视网是共用传输系统（电话在用户与交换机之间是
独立的），而CM是在有线电视网的某个传输频率上进行数据调制解调。由此，我们
可对CM得出下述推论：（1）CM属于共享介质系统，与共享以太网属于同一种传输方
式；（2）CM是在有线电视网上的某段或几段频率上进行数据传输，其它频段仍可用
于有线电视信号传输。
    用户PC发出的数字信号经电缆调制解调器调制后，通过光纤主干网传输至 CM有
线前端（cable modem termination system，CMTS）的接收部分（Rx），由上行分
配器或滤波器分配到上行通道，经解调后送入网络终端，再通过传输前端和交换设
备接人In－ternet主干网。来自  Internet主干网的所需信息由本地服务器缓存，
经网络终端设备送人调制部分，调制到射频后与电视信号在混合器中混合，最后由
发送装置（TX）通过光纤主干线送入用户端的CM。在CM中，一路输出TV信号，供用
户收看；另一路将解调后的数字信息送人 PC，供用户上网。CM通过分离的信道，对
上行和下行通信提供网络接人。这些信道是非对称的，下行信道容量和数据速率比
上行信道高。
2系统原理和技术方案
    目前，有两种CM标准相互竞争，即“电缆系统传输接口数据规范”（DOCSIS）
和“数字视频广播／数字音频一视频委员会”（DVD／DAVIC）。DOCSIS是由美国和
加拿大公司作为多媒体电缆网络系统（MCNS）联合组织的一种倡议推出的。MCNS业
务的美国用户达85％，加拿大用户为75%。最近组建的欧洲CM联合会也支持DOC－SIS。
参加该组织的公司有Cisco系统、摩托罗拉和3Com等。DVB／DAVIC互通联合组织受
到一些大公司支持，如阿尔卡特、休斯网络系统和汤姆逊等。此外，它还受欧洲电
缆通信协会技术分会EuroCable Labs支持。
    目前，DOCSIS CM在美国已广为应用。 CM的成熟商用，依赖于统一标准和大规
模生产，1998年4月，ITU正式接纳DOCSIS为ITU－T的标准。
    DOCSIS规范中给出的系统参考结构主要由用户端的CM和位于CATV前端的CMTS两
大部分组成。通过HFC形态的CATV网络，向用户宅用设备（CPE，如 PC机）提供用
于访问外部WAN的不对称透明IP传输。在CPE侧，CM一端通过电缆与CMTS相通，另一
端则以10Base－T或USB方式连接各种用户端设备。CMTS从功能上可视为一网络hub，
一方面利用双向电缆的FDD／FDMA／TDMA信道与各CM交互；另一方面可用各种标准
的网络接口（如100Base－T、1000Base－T、FDDI和ATM）向外部的Internet主干网
转发IP。为了解决开放式共享电缆上合法用户信息的安全问题，在DOCSIS中还规定
了采用DES的数据包加密方式：在Headend端增加了安全接人控制器（SAC），在CM
侧还提供IC卡形式的可装卸安全模块（RSM）选件。为了适应现有的大量单向电缆
网络，有效地保护运营商的原有投资利益，MCNS还专门制订了上行信道采用普通电
话线的cable modem telcoreturn interface标准。
    在CM网络协议方面，介于CMTS与CM之间的电缆网络，形态上基于共享介质和树
型分支的拓扑结构，采用基于FDD的双向模拟传输方式。从CMTS到CM的下行方向可
占用50～860M的高频段，从CM至CMTS的上行方向则分配在5～42M的低端。具体频道
的占用和配置由CMTS完成，并要与现有的其它电缆业务（如视）兼容，下行发送功
率应小于模拟电机载频-6—-10dB。每个方向又以FDMA方式，按6～8MHz（一个模拟
电视频道的带宽）细分为若干载频信道。在每个下行载频信道上，PDU（Protocol 
Data Unit）向所有CM广播，CM则依靠packetPDU中目的MAC地址来区分是否要接收。
由于该网络采用点对多点连接方式，同一电缆有为数众多的CM，即使划分为若干载
频，仍会大量存在PDU冲突，导致该信道的数据吞吐量下降。为此，在每个载频上，
MCNS运用TDMA技术，从时间上以2n×6.25ps为单位，分为小时隙（minislot）。
CMTS根据各CM所申请的带宽，为需要上传 PDU的各 CM动态分配相关数量的小时隙。
除了处于数传状态的CM可独占带宽外，其它CM则以CSMA／CD方式共享有限小时隙，
以完成定时功率调整及注册等初始化工作。因此，DOCSIS上行信道的复用表现为
FDMA和TD－MA相结合、动态独占和冲突共享相互补的特点。CMTS作为DOCSIS的集
中点，在TCP／IP之上还附加了多种应用层协议，其中动态生机配置协议（DHCP）
用于为CM动态分配IP；无效文件转换协议（TFTP）用于CM上S／W及配置的动态下
载升级；简单网络管理协议（SN MP）用于性能、故障、配置等的管理；安全管理
（SM）用于用户的合法性检查。
    由于CM系统基于宽带同轴电缆，在技术上具有覆盖广和宽带高效的突出优点，
又能与其它业务（如电视等）共存，若再采用VoIP集成话音业务，应该是三网合
一最有效的接入手段。国内目前的CATV网大部分兴建时间较早，主要为单向结构。
广电网作为中国电信在业务接入领域最大的潜在竞争对手，也不大可能采用PSTN
上行传输的混合模式来支持数据业务。若要将广电网改造为基于HFC的双向网络，
除了要将主干网光纤化外，小区内的干线和分支放大器也要全部更换为双向放大
器，需要较大的资金投入。同时，全国范围的广电骨干网尚在建设中，尽管短期
内可与吉通的金桥网合作，通过租用专线来解决出口问题，但当用户数太多时，
出口仍会形成瓶颈。另一个影响大量推广使用的主要障碍是目前CM的价位较高。
因此，基于电缆的宽带网应用，需要各有线台联合有远见的投资机构和设备供应
商共同推广，共同受益。由于有限的数据带宽为众多用户所共享，可采用接流量
的包月收费，而不必象拨号上网，除了上网费外还要支付市话费。从长远来看，
投资该领域将取得可观的回报。
3发展状况及应用前景
    除了基本的Internet浏览信息外，经CM组建的视讯宽带网服务内容还包括：
提供VOD视频点播。AOD音乐点播、互动三维游戏、家居银行、远程教育。家庭证
券大户室、电子商务、网上社区和个人电子秘书等富有特色的信息服务。
    广电系统已初步建成全国性的光纤主干网，采用SDH和ATM相结合的组网方式，
带宽将达2×2.5Gb／s，规划总长14000km。以HFC为特征的双向网正在新建小区和
新兴发达地区广为应用，部分沿海省市的大规模双向改造工程也在实施中。经国
家批准，由广电总局、上海市和中科院三家合作成立的国内第三家允许经营数据
业务的“网通”公司正式运作，标志着广电网将迎来新的发展阶段。
    深圳有线电视台是最早涉足宽带数据接入领域的有线台之一。截止至1997年，
深圳有线台拥有550MHz宽带光纤骨干网，传输20路模拟电视节目，带宽资源颇多
余量。通过HFC升级、双向服务升级（包括设备）。主干网和接入网改造，以及
各种技术难点（如回传问题、漏斗效应）的克服，在深圳有线台 50万有线电视
用户中，70～80％已具备通过有线电视网接入本地网和Internet的条件。由于采
用了CM租用和上网费包月等优惠政策，一旦各种外部条件成熟，将对家庭和中小
企业用户具有强大的吸引力。
    广东有线电视台是较早将宽带数据业务投入商业运营的有线台，目前已投入
1.6亿元巨资用于网络双向改造、宽带网设备购置以及人员培训，建设成效斐然。
广州市内主干网容量达750MHz（双向），对 48个光节点改造后，可达90个光节
点，每个光节点覆盖2000～4000户。此外，通过租用吉通公司的出口，在争取企
业用户方面可提供更加优惠的服务。其下属的环网公司还率先开发出自己的CM产
品，有效地降低了用户端成本。
    上海有线电视网双向改造于1996年开始规划，1997年在全市范围内进行了主
干网改造，1998年底2000个光节点改造完毕，光节点以下最后一公里也改造了一
部分，20～30万有线用户的线路已改造完毕。此外青岛、大连、珠海、北京、重
庆等地的有线电视台也在紧锣密鼓地进行光纤双向改扩建工程建设，同时开展宽
带数据接入的商业化试点工作。
    与国内悄然启动的CATVInternet宽带接入市场形成鲜明对比，国外市场则呈
现出激烈竞争的场面。经营传统电话网的各大公司纷纷并购和改建CATV网，充分
利用CATV家庭覆盖面广和天然的宽带优势，积极争夺上网用户。各大厂商还争先
恐后地推出各自的CM系统系列产品。据初步统计，目前国外已有30余家电子公司
正在开发基于DOCSIS标准的CM相关产品。为了确保各家CM及相关产品的互通性，
ITU指定Cable－lab作为CM产品的检测单位，按DOCSIS或ITU标准，对检验合格的
厂家颁发合格证。在1999年3月公布的结果中，Tosbiba和Thomson公司生产的CM
通过验收，Cisco的CMTS也已获认证。
    目前，北美地区已有2000万用户通过CM上网（不一定符合DOCSIS），符合
DOCSIS的CM已有数十万的定单。这一切都说明，CM作为解决宽带数据“最后一公
里”接入的最有效手段之一，它蕴藏着巨大的经济效益。

摘自《电信快报》