cablemodem

CableModem技術綜述及套用分析

有線電視網是一個非常寶貴的資源，通過雙向化和數位化的發展，有線電視系統除了能夠提供更多、更豐富、質量更好的電視節目外，還有著足夠的頻帶資源來提供其他非廣播業務。CableModem與以往的Modem在原理上都是將數據進行調製後在Cable(電纜)的一個頻率範圍內傳輸，接收時進行解調，傳輸機理與普通Modem相同。不同之處在於它是通過有線電視CATV的某個傳輸頻帶進行調製解調的。而普通Modem的傳輸介質在用戶與訪問伺服器之間是獨立的，即用戶獨享通信介質。CableModem屬於共享介質系統，其他空閒頻段仍然可用於有線電視信號的傳輸。
CableModem徹底解決了由於聲音圖像的傳輸而引起的阻塞，其速率已達10Mbps以上，下行速率則更高。而傳統的Modem雖然已經開發出了速率56Kbps的產品，但其理論傳輸極限為64Kbps，再想提高已不大可能。
CableModem也是組建城域網的關鍵設備，混合光纖同軸網(HFC)主幹線用光纖，光結點小區內用樹型匯流排同軸電纜網連線用戶，其傳輸頻率可高達550/750MHz。在HFC網中傳輸數據就需要使用CableModem。
可以看出CableModem是未來網路發展的一種重要選擇，但是，目前尚沒有CableModem的國際統一標準，各廠家產品的傳輸速率均不相同。因此，高速城域網寬頻接入網的組建還有待於CableModem國際統一標準的出台。

CableModem分類

隨著CableModem技術的發展，也出現了不少CableModem類型，大至可以分為以下幾種：
1．從傳輸方式上可分為雙向對稱式傳輸和非對稱式傳輸。對稱式傳輸速率為2Mbps～4Mbps、最高能達到10Mbps。非對稱式傳輸下行速率為30Mbps，上行速率為500KMbps～2.56Mbps。
2．從數據傳輸方向上有單向和雙向CableModem之分。
3．從網路通信角度看，CableModem可分為同步(共享)和異步(交換)兩種方式。同步類似乙太網，網路用戶共享同樣的頻寬。當用戶增加到一定數量時，其速率急劇下降，碰撞增加，登錄入網困難。而異步的ATM技術與非對稱傳輸成為CableModem技術的發展主流。
4．從接入角度來看，可分為個人CableModem和寬頻CableModem(多用戶)，寬頻CableModem可以具有網橋的功能，可以將一個計算機區域網路接入。
5．從接口角度分，可分為外置式、內置式和互動式機頂盒。外置CableModem的外形象一個小盒子，通過網卡連線電腦，所以連線CableModem前需要給計算機添置一塊網卡，這也是外置CableModem的缺點。不過優點是可以支持區域網路上的多台計算機同時上網。
內置CableModem是一塊PCI插卡，這是最便宜的解決方案。缺點是只能用在桌上型電腦上，在蘋果電腦和筆記本電腦上無法使用。
互動式機頂盒是真正CableModem的偽裝。機頂盒的主要功能是在頻率數量不變的情況下提供更多的電視頻道。通過使用數位電視編碼（DVB），互動式機頂盒提供一個迴路，使用戶可以直接在電視螢幕上訪問網路，收發E－mail和瀏覽網頁等。
CableModem技術原理
CableModem本身不單純是數據機，它集Modem、調諧器、加/解密設備、橋接器、網路接口卡、虛擬專網代理和乙太網集線器的功能於一身。它無須撥接，不占用電話線，可提供隨時線上的永久連線。服務商的設備同用戶的Modem之間建立了一個虛擬專網連線，CableModem提供一個標準的10BaseT或10/100BaseT乙太網接口同用戶的PC設備或乙太網集線器相聯。
CableModem的技術實現一般是從42MHz～750MHz電視頻道中分離出一條6MHz的信道用於下行傳送數據。通常下行數據採用64QAM（正交調幅）調製方式，最高速率可達27Mbps，如果採用256QAM，最高速率可達36Mbps。上行數據一般通過5MHz～42MHz之間的一段頻譜進行傳送，為了有效抑制上行噪音積累，一般選用QPSK調製，QPSK比64QAM更適合噪音環境，但速率較低。CMTS（CableModem頭端設備）從外界網路接收的數據幀封裝在MPGE-TS幀中，通過下行數字調製和RF(RadioFrequency）輸出到用戶端，同時接收上行出來的數據轉換成乙太網幀。用戶端CableModem的基本功能就是將上行數位訊號調製成RF信號，將下行的RF信號解調為數位訊號，從MPEG-TS幀中解出數據，形成乙太網的數據，通過10-BaseT的連線埠輸出。在HFC網是頻分復用的，但在某一頻率上的信道則是被很多用戶所共享，通過MAC控制用戶信道分配與競爭的問題，同時還支持不同等級的業務。可以通過網路管理系統對HFC網路中CableModem進行配置、狀態、流量監控和診斷。
在CableModem系統中，採用了雙向非對稱技術，在下行方向有6MHz的模擬頻寬供系統中的用戶共享。但這種共享技術不會降低傳輸速率。CableModem不同於線路交換的電話網定向呼叫連線，用戶在連線時並不占用一固定頻寬，而是與其他活動用戶共享，僅在傳送、接收數據的瞬間使用網路資源。在毫秒級甚至兆秒級的時間內，抓住一切利用頻寬的機會下載數據包。如果在網路使用的高峰期中有擁塞，可以通過靈活的分配附加頻寬來解決。只需簡單分配一個6MHz頻段，就能倍增下行速度。另一種方法是在用戶段從新劃分物理網路，按照訪問頻度給用戶合理分配頻寬，速度可與專線媲美。
CableModem標準和規範
CableModem產品有兩個國際標準，DOCSIS是北美及其他國際市場的標準，而DVB/DAVIC則是歐洲標準。
1．DOCSIS標準
1998年有線電視實驗室（CableLabs）就提供了DOCSIS的正式程式以保證各個不同的廠家出來的產品有兼容性。在1998年3月，國際電信聯盟接受DOCSIS標準，作為CableModem的標準，稱為ITUJ.112標準。通過有線電視網執行DOCSIS標準數據，在50MHz～750MHz頻段里下傳到戶６MHz頻寬的通信速率，另一頻段是５MHz～42MHz波段，則用來上傳信號。
一個帶有數據轉發器的CMTS通過這些頻段與放置在用戶家中的CableModem進行數據傳輸。許多CableModem是外設裝置，通過標準的10M乙太網卡和５類雙絞線連線到個人電腦，也可以用外部的通用串列匯流排（USB）接口的數據機或者內置PCI插卡。
有線電視實驗室負責產品認證工作，以保證各個廠家生產的CableModem遵照同一標準並且能夠互相兼容。
產品如果通過測試，符合DOCSIS標準的CableModem的外包裝上就會被貼上“有線電視實驗室認定”的標籤，表明這個產品能夠與其他認定產品通用。
自從設備被有線電視經營者購買後，有線電視實驗室的產品就不再是唯一正規的符合DOCSIS標準的CableModem終端設備數據轉換器，但是它的產品仍是最合標準的CableModem終端系統。標籤代表CMTS產品的穩定性及互動性。1999年４月有線電視實驗室發表了第二代的標準，叫做DOCSIS1.1,功能比以前增強了許多，例如改進了QoS和以硬體為基礎的數據包的壓縮，支持IP電話，穩定了數據傳輸速率，簡而言之，DOCSIS提供了寬頻、高質量的語音，商業級的數據服務，以及通過網路共享CableModem提供多媒體服務。下一代的標準可以說是兼容性的進步，能夠使DOCSIS1.0與DOCSIS1.1標準的CableModem在相同的網路及相同的頻段中工作。
2．DVB/DAVICEuroModem標準
數字廣播（DVB）和數字廣播聯盟（DAVIC）負責設立歐洲技術標準，DVB/DAVIC是DOCSIS標準在歐洲的強有力的挑戰者。歐洲有線電視實驗室，是在歐洲有線電視通信聯盟的指導下，一直支持以DVB/DAVIC為基礎的“歐洲數據機”。
作為DOCSIS標準的替換裝置，DVBCableModem是一些歐洲經營者的首選，並且符合他們的結構設定，當然也有支持歐洲本地產品的原因，而不是簡單引進美國供應商的解決方案。
DVB2.0標準被歐洲通信標準協會正式採用，稱為ETS300800，這個標準描述了頻段內與頻段外的傳輸切換，可以套用到互動機頂盒和CableModem，相對應的是，能夠發展互動式電視，互動式數據，聲音互動傳遞，這些都通過普通平台實現。ETS300800已經被DAVIC選擇作為CableModem的DAVIC1.5標準。
CableModem接入實現
有線電視系統中普遍採用HFC(光纖/電纜)結構。採用光纜將信號傳輸到小區節點，再用同軸分配網路將信號送到用戶家中。由於用光纖代替同軸電纜後網路性能獲得極大的改進，以致於在實現高效率寬頻互動通信時，早期的“光纖到戶”目標不再認為是必須的。這樣HFC為將寬頻信號帶入家庭鋪平了最後一公里。
HFC本身是一個CATV網路，視頻信號可以直接進入用戶的電視機，採用新的數字調製技術和數字壓縮技術，可以向用戶提供數位電視和HDTV。同時，話音和高速的數據可以調製到不同的頻段上傳送，來提供電話和數據業務。這樣HFC支持全部現存的和發展中的窄帶和寬頻業務，成為所謂的全業務寬頻網路。而且，HFC可以簡單地過渡到FTTH網路，為光纖用戶環路的建設提供了一種循序漸進的手段。
採用HFC網路實現三網合一，目前只能通過CableModem技術來實現，系統結構如圖1所示:
1．數據傳輸的實現
在圖1的CableModem系統結構中，用戶可在PC機中運行視頻點播軟體，通過HFC網路到運營商CMTS頭端設備，由運營商提供視頻點播服務。由於在CableModem技術中，採用了雙向非對稱技術，在頻譜中分配90到860MHz間的一個頻段作為下行的數據信道，傳輸速率達到27Mbps和36Mbps。同時在頻譜中分配5到50MHz中的一個頻段作為上行回傳，傳輸速率達到0.3Mbps至10Mbps的速率。通過上行和下行數據信道形成數據傳輸的迴路。用戶也可在PC機中運行瀏覽器軟體，實現Internet衝浪。由此可見，CableModem能使用戶進入一個虛擬現實世界。採用這種非對稱技術，主要考慮到目前數據業務的信息量集中在下行，如Internet網頁的瀏覽，E-mail的收發，視頻點播，家用辦公等。系統遵照國際標準DOCSIS或DVB/DAVIC的規定，通信協定採用TCP/IP。
2．話音的傳輸
採用IP技術，提供話音業務，可通過VoIP技術來實現。這時整個系統走的全是IP數據，包括用戶家的電話，也用的是IP電話。通過Internet網路，可與全球任何的聯網用戶實現InternetPhone功能。但是，目前的電話用戶還是電信PSTN網，要真正通過HFC網提供話音業務必須與PSTN互通。實現互通的方法有兩種。如圖2。一種方法是從Internet通過IPPhone網關來與PSTN公網相連。另一種方法是從HFC的局端設備CMTS通過IPPhone網關聯向PSTN公網。
現行HFC網改造
常規的用於CATV的HFC網路是單向傳輸的，而數據傳輸系統是雙向的，這就需對現有的HFC網路進行改造。按改造的難易和成本可分為三種情形：
1．採用電話上行、HFC下行：這種方法用在CMTS和CableModem中具有電話線接口、無需對HFC進行雙向的改造。這是一種低成本迅速占領市場的策略，或者用在改造網路確實存在困難的地方。一般不推薦這種方法，原因有二：一是影響原有電話業務，二是電話的頻寬畢竟有限，不利於系統擴展。
2．對現有的單向HFC網路進行改造，增加反向傳輸模組，如反向光發和光收，原有鏈路中單向的放大器換成雙向放大器等。目前，現有的城市CATV的HFC網已初具規模，主要是雙向改造問題。
3．鋪設新的雙向HFC網路，在新建的城市小區中，直接建設雙向網路。
CableModem的套用前景
由於在HFC的數據通信系統CableModem中採用了IP協定，所以很容易開展基於IP的業務，如IPVOD業務、IPPhone等。
IPphone：CableModem的傳輸協定採用IP，增加一定的軟體和硬體可以實現電話業務。目前，新的CableModem標準中就準備加進IPPhone的內容。
DTV（DigitalTV：數位電視）：在CableModem系統中，物理層的數字調製與解調技術符合DVB標準，只需在有線電視前端和用戶端增加視頻編解碼設備。這樣可以使得CableModem具有多功能的特點，可以避免進行數位電視廣播的重複投資，同樣也減少了用戶端設備的成本。
ITV（InteractiveCATV，互動式有線電視）：CableModem系統設備使原來單向分配的HFC網路變成雙向可進行數據傳輸的互動式系統，因而可以結合原有的電視業務開展ITV、提供VOD、MOD等業務。
高速Web頁面瀏覽：由於CableModem下行數據信道傳輸速率可達27Mbps，上行回傳可達10Mbps的速率，所以完全可以利用CableModem高速衝浪、多媒體遠程教學、遠程醫療、網上遊戲、開展電子商務等業務。
除了上述業務，開發多功能的CableModem。除了具有計算機聯網功能、提供Internet瀏覽外，同時具有數位電視接收和VOD機頂盒的功能，只需加一個VCD／CD機芯配件就能實現。總之，擁有CATV的用戶（多數為家庭用戶）必將會從HFC網路的多數據業務中獲得真正的多媒體數字高速公路。
摘自《網路世界》

電纜數據機