Cable Modem工作原理

简介：

A Cable Modem System

Internet packets are combined with standard TV programming in a cable modem system. The cable modem termination system (CMTS) is responsible for packet to RF conversion, routing, bridging, filtering and traffic shaping (see CMTS).

这是目前有线电视进入Internet接入市场的唯一法宝，一方面它理论上可以提供极快的接入速度和相对低的接入费用，另一方面有线电视拥有庞大的用户群

电缆调制解调器（简称CM），Cable是指有线电视网络，Modem是调制解调器
我们平常用Modem通过电话线上互联网，而电缆调制解调器是在有线电视网络上用来上互联网的设备，它是串接在用户家的有线电视电缆插座和你的上网设备之间的，而通过有线电视网络与之相连的另一端是在有线电视台(称为头端：Head-End)。它把用户要上传的上行数据以5-65M的频率以QPSK或16QAM的调制方式调制之后向上传送，带宽2-3M左右，速率从300到10Mbps。它把从头端发来的下行数据，解调的方式是64QAM或256QAM，带宽6-8M，速率可达40Mbps。网上实例图：

2、组成

它集MODEM、调谐器、加/解密设备、桥接器、网络接口卡、SNMP代理和以太网集线器的功能于一身。

有线电视网相对电信网络具有以下优势：
● 高传输速率
● 线路始终通畅（不用拨号，没有忙音）
● 多用户使用一条线路（包括完整的电视信号）
● 不占用公用电话线
● 提供真正的多媒体功能

其中DHCP服务器用作动态分配给每个CM的IP地址，TFTP服务器作用是记录着每一个CM的配置文件，也即给每个CM分配一个
服务标识（Servite ID)，服务标识在CMTS与CM之间建立一个映射，CMTS将基于该映射给没个CM分配带宽。CMTS也可给CM分配多个服务标识来支持不同服务类型，每个服务标识对应于服务类型，TOD称为时间服务器，其作用是给CM提供当前的时间。这三个服务器可安装在同一台物理服务器上。CMTS能维护一个连接用户数据交换集线器的10Baset双向接口和一个承载简单网络管理协议（SNMP）信息的10Baset接口，并且CMTS能支持CATV网络上的不同CM之间的双向通讯。就下行来说，由路由器的数据包在CMTS中被封装成MPEG2-TS幀的形式经过64QAM调制后，通过HFC网传给各CM。在上行方向上，CMTS将接收到的经QPSK调制的数据进行解调并转换成以太幀的形式传给路由器。为了减小上行通道的干扰，一个下行通道一般对应有多个不同频率的上行通道，CMTS根据信道的噪声状况自动跳频到干扰较小的通道，而用户察觉不到跳频的过程。同时，CMTS负责处理不同的媒体访
问控制(对访问用户的IP地址进行受权认正），这些程序包括下行的时隙信息传输，测距管理以及给各CM分配时分多址访问的时隙。CMTS根据带宽分配算法可将一个小时隙定义为预约小时隙或竞争小时隙，CM通过小时隙向CMTS传输数据。
    CM是放在用户家中的终端设备，连接用户的PC机和HFC网络，提供用户数据接入。CM与CMTS组成完整的数据通信系统，CM接收从CMTS发送来的QAM调制信号并解调，然后转换成MPEG2-TS数据幀的形式，以重建传向10Baset以太接口的以太幀。在相反的方向上从PC机接收到的以太幀被封装在时隙中，经QPSK调制后，通过HFC网络的上行数据通路传送给CMTS。

3、规范
目前规范DOCSIS 3.0的核心技术:
DOCSIS 3.0采用模块式CMTS即M-CMTS，以及采用Edge QAM调制器，即EQAM。
　　EQAM是从M-CMTS中提出部分功能，首先EQAM具有调制功能，将信号调制到射频（RF）上去、并且一个输出口可以包括几个频道的QAM信号，每个频道的调制方法可以不同，其次EQAM的输入是以太网信号，EQAM具有基带信号的处理能力，例如同步，多信道对M-CMTS同步不像单个CMTS那么容易，EQAM有定时接口（DTI）直接与定时服务器锁定。
　　同时在DOCSIS 3.0中，数据帧（DOCMAC）和数字视频信号可间插使用，它们之间的不同之处在于交织深度，这一点也可由EQAM来完成，图1为M-CMTS及其接口的逻辑图。





“频道捆绑”在物理层和MAC层中完成。图2示出了其原理图。例如图中示出了四个频道的捆绑，在物理层，即在DOCSIS Network中需要有四个8MHz的QAM调制的频道，以保证带宽要求，但信号的分配和调度是在MAC层完成的。流捆绑器（Flow Bonder）用以调度分配信号之用，这样就不会造成有的频道未填满，而另一频道拥挤不勘的局面，有利于频带利用率的提高。在下面CM方面，Flow Bonder可以让用户识别和接收所需的节目，因为在MAC帧的报头中有频道符号以资区别。

4、通讯过程

CM在加电之后，必须进行初始化，才能进入网络，接收CMTS发送的数据及向CMTS传输数据。

CM的初始化是经过与CMTS的一系列交互过程来实现的。下面详细描述该过程。
1、测试RSM
    当CM接通电源后，CM首先要确认可移去的安全模块，是否存在于RSM的时隙中。
2、与CMTS建立同步
    在初始化或信息丢失时，CM必须与一个下行信道建立同步。CM有一个存储器，其中存放上次的操作参数，CM将首先尝试重新获得存储的那个下行信道，如果尝试失败，CM将连续地对下行信道进行扫描，直到发现一个有效的下行信号。CM与下行信号同步的标准为：与QAM码元定时同步、与FEC幀同步、与MPEG分组同步并能识别下行媒体访问控制的同步报文。
3、获得上行信道的传输参数
    建立同步之后，CM必须等待一个从CMTS发送出来的上行信道描述符，以获得上行信道的传输参数。CMTS周期性地传输上行信道描述符给所有的CM，CM必须从其中的信道描述参数中确定它是否使用该上行信道。若该信道不合适。那么CM必须等待，直到有一个信道描述符指定的信道适合于它，若在一定时间内没找到这样的上行信道，那么CM必须继续扫描。找到另一个下行信道，再重复该过程。在找到一个上行信道后。CM必须从信道描述符中取出参数，然后等待下一个同步报文，并从该报文中取出上行小时隙的时间标记，随后，CM等待一个给所选择的信道的带宽分配映射，然后它可以按照媒体访问控制操作和带宽分配机制在上行信道中传输信息。
4、校准
    CM在获得上行信道的传输参数后，就可以与CMTS进行通讯。CMTS会在MAP中给该CM分配一个初始维护的传输机会，用于调整CM传输信号的电平、频率等参数，其中CM的输出电平是根据分配给CM的带宽，按每赫之功率为参数，通过CMTS对CM的长线AGC来控制的。另外，CMTS还会周期性地给各个CM发周期维护报文，用于对CM进行周期性的校准。
5、建立IP连接
    校准完成后，CM必须使用动态主机配置协议（DHCP），从DHCP服务器上获得分配给它的IP地址，另外，DHCP服务器的响应中还必须包括一个包含配置参数文件的文件名，放置这些文件的TFTP服务器的IP地址、时间服务器的IP地址等信息。
6、建立时间
    CM和CMTS需要有当前的日期和时间。CM采用IETF定义的RFC868协议从时间服务器中获得当前的日期和时间。RFC868定义了获得时间的两种方式，一种是面向连接的，一种是面向无连接的。CMTS采用面向无连接的方式从TOD服务器获得CM所需的时间概念。
7、建立安全机制
    如果有RSM模块存在，并且没有安全协定建立，那么CM必须与安全服务器建立安全协定。安全服务器的IP地址可以从DHCP服务器的响应中获得。
8、传输操作参数
    接下来，CM必须使用TFTP协议从TFTP服务器上下载配置参数文件，获得所需要的各种参数。
9、初始化基本保密机制

    在获得配置参数后，若RSM模块没有检测到，CM将初始化基本保密机制。完成初始化后，CM将使用下载的配置参数向CMTS申请注册，当CM接收到CMTS发出的注册响应后，CM就进入了正常的工作状态。