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时间: 2004-12-31 14:47

作者: zjol 标题: 宽带Cable Modem业务的技术平台

宽带Cable Modem业务的技术平台(一)
2003-08-04 中国CATV

盛志凡

　　当＠Home公司于 1996年11月在Connecticut州正式推出宽带 Cable Modem（CM）业务的时候，许多人对此项业务的发展前景深表怀疑。那时，为了大规模地向用户提供宽带CM业务，美国的有线电视运营商必须对绝大多数的HFC有线电视网进行升级改造；必须面对来自宽带DSL业务的强大竞争，破除当时人们所持有的DSL技术比CM的技术要优越好的错误观念。他们更需要建立合适的宽带CM业务的技术平台，以向用户提供优质的宽带CM业务和服务，从而让用户喜爱和接受宽带CM业务。

　　时至今日，美国已有1200万宽带CM用户。这个数字是美国宽带DSL业务用户数的两倍。不仅如此，Comscore在今年二月发布的对美国宽带DSL业务和宽带CM业务的调查报告显示，美国有线电视运营商提供的宽带CM业务之平均速率比美国电信运营商提供的宽带DSL业务的平均速率几乎快一倍。

　　美国有线电视运营商的实践证明，他们采用的宽带CM业务的技术平台性能优越稳定，能够出色地向用户大规模地提供宽带CM业务。

　　本文总结和介绍了目前美国各大有线电视运营商所采用的宽带CM业务的技术平台。

1 宽带CM业务的接入网

　　宽带CM业务的接入网是指从用户家中到有线电视前端的这一段网络。它是由双向HFC有线电视网和建之于其上的CM系统所组成。双向HFC网络为宽带CM业务流提供必要的物理链路。CM系统则实现了基于IP的双向宽带通信的各种功能，使有线电视运营商能够通过有线电视HFC网向用户提供各种宽带业务。

1．1 CM系统

　　目前美国的有线电视运营商所拥有的CM系统是基于ITU国际标准DOCSIS的系统。DOCSIS的CM系统是由放置于有线电视前端的CMTS和放置在用户处的CM组成，并被使用在频道按6MHz带宽划分的HFC网络上。在频道按8MHz带宽划分的HFC网络，有线电视运营商必须使用ITU国际标准EuroDOCSIS的CM系统。由于DOCSIS 与 EuroDOCSIS仅在下行频道的带宽上有所不同，本文用DOCSIS泛指DOCSIS和EuroDOCSIS。

　　 DOCSIS标准是一个集各种最先进的数字通信技术之大成而又定义得非常好的国际标准。它结合了电话系统采用的时分复用技术和以太网使用的CSMA／CD技术，使DOCSIS的CM系统既可以为用户提供以太网式的“best effort”数据业务，也可以提供保证通信速率的电话业务和音视频流媒体业务。DOCSIS的CM系统不像纯以太网系统那样会因通信量的增加而导致数据包之间的碰撞增加，从而使通信效率发生大幅下降，也不像ADSL系统那样会因通信距离的远近而让通信速率发生显著变化。而且，其通信质量的稳定性并不会因有线电视系统中的电视频道数的增加而变化。

　　 CM系统可按DOCSIS 1．0，DOCSIS 1.1 和 DOCSIS 2．0三种不同版本的标准划分为三种不同的系统，并且他们之间具有后向兼容性。例如，一个 DOCSIS 1.1的CM系统是由DOCSIS 1.1的CMTS和CM产品所组成的系统。DOCSIS 2．0系统兼容1．1系统，而 DOCSIS 1．1系统兼容 1.0系统。实际运营中的CM系统会比上述分类更为复杂。一种可能的情况是，在有线电视前端的CMTS是 DOCSIS 1.1的，而用户所用的CM既有DOCSIS 1．0又有DOCSIS 1.1的。在这种情况下，整个CM系统是DOCSIS 1.0，因为在有线电视前端的 CMTS只能支持1．0。另一种可能的情况是，在有线电视前端的CMTS是DOCSIS 1.1，而用户所用的 CM则是三种版本的产品俱全。在这种情况下，该CM系统对使用DOCSIS 1．1或DOCSIS 2．0 CM的用户而言是 DOCSIS 1.1的系统，但它对那部分使用 DOCSIS 1.0 CM的用户来说是 DOCSIS 1.0的系统，因为这部分用户只能获得DOCSIS 1.0所能支持的性能指标。

　　 DOCSIS 1．0的 Cable Modem 系统只能支持具有“best effort”特性的在线业务，如收发送E－mail和浏览网页等，而不能用来支持VoIP和音视频流媒体等需要 QoS保证的宽带业务，因为DOCSIS1.0没有定义 QoS功能。如果有线电视运营商要提供宽带音视频流媒体业务，它们则需要采用 DOCSIS1.1 或 DOCSIS2.0的CM系统。

　　除了 QoS功能外，DOCSIS1.1的 CM系统还具有很强的信道传输和抗HFC网络回传噪声的性能。它既可以让其所属的CMTS对上行信道进行后均衡，以处理对各不同CM所产生的共同的上行信道噪声干扰问题，又可以让各不同的CM对上行信道分别进行预均衡处理，以便处理它们各自因在HFC网络的位置不同而面临的独特的噪声干扰问题。它还有极强的误码前向纠错能力，能给一个255字节的数据包中多达10个字节的传输误码进行纠错。因此，DOCSIS1．1的CM系统能够较好地解决由回传线路多级放大器所引起的群延时失真和微波反射干扰所造成的失真的问题。

　　 DOCSIS2.0的 CM系统在DOCSIS1．1的CM系统的基础上作了的进一步的改进。它显著增强了其预均衡能力，在上行信道引入了信号交织技术，以应付较长时间的脉冲干扰所引起的突发性误码，并采用了S－CDMA技术传输来上行信号，以取得非常强的抗信号干扰和噪声的通信能力。此外，许多厂商还给DOCSIS2.0的CM增加了回传噪声消除（ingress noise cancellation）功能，使得这样的CM具有极佳的抗回传噪声的能力。一般而言，DOCSIS2.0的 CM系统几乎能够在所有已有的HFC网络上运行。DOCSIS2．0的CM系统还增大了上行带宽，使上行速率最高可达30Mbps，从而能够提供上下行基本对称的通信。这使得有线电视运营商能更好地开展具有对称通信特点的业务，如 VoIP、可视电话、会议电视和在线游戏等等。

　　至今，已有76种不同CM和24种不同CMTS通过了Cable－labs的 DOCSIS1.1认证；17种不同CM和2种不同CMTS通过了Cablelabs的 DOCSIS2.0认证。有线电视运营商大多采用了DOCSIS1.1系统，并正在积极测试2.0的系统。CM的价格也降到50美金左右。

　　在实际当中，CMTS往往还带有路由器的功能。对于宽带CM业务的接入网，有线电视运营商不仅需要根据其HFC网络的状况确定系统的上行传输的正确参数，如上行调制方式、上行带宽、信号交织深度和均衡器的系数等，而且还要定义IP域，负责IP路由，以及网络的流量的控制和监测等。

时间: 2004-12-31 14:48

作者: zjol

宽带Cable Modem业务的技术平台(二)
2003-08-04 中国CATV

盛成凡

1．2 支持宽带CM业务的双向HFC接入网

　　开展宽带CM业务对HFC有线电视网的基本要求是网络的双向性。它要求HFC网络的光节点必须是双向的，以及在同轴电缆网络段所使用的干／支线信号放大器和分支器必须是双向的。此外，为了保证宽带CM业务之质量，通常CM系统还会对HFC网络的光节点大小有所要求。这种要求主要是为了控制宽带CM业务的网络流量、HFC网络回传噪声和位于光节点处的反向光发射机之削波失真，以确保稳定和高质量的宽带通信。DOCSIS标准本身并没有为在HFC网络上开展宽带CM业务而硬性规定HFC网络光节点的大小。

　　为了满足网络双向性的要求，绝大多数的有线电视运营商们不可避免地要对HFC接入网进行双向改造。由于进行这种网络改造的前期投资大而且时间长，因此，如何进行HFC网络改造是一个非常重要的课题。一般来说，有线电视运营商对此有两种选择。它们可以选择在对 HFC接入网进行双向改造的同时，实施大光节点之分拆和陈旧的同轴电缆线路之更新，即对HFC网络进行全面改造，使得HFC接入网既实现双向，又变为光节点仅带500户左右用户的网络，一步到位。它们也可以选择先对HFC接入网进行双向改造，接着便立即在HFC网上开展宽带CM业务，然后再根据每个光节点所带的实际宽带CM业务的用户数目，逐步对各光节点进行改造。即所谓边运营边改造，滚动经营，以业务的发展带动网络的改造。

　　在刚开始开展宽带CM业务时，由于每个节点的宽带CM业务的用户数目较少，而且呈逐渐增长的趋势，因此来自流量控制的因素对光节点大小的要求并不是很高，而且因HFC网络上行传输之“漏斗效应”而造成上行光发射机削波失真的可能性也不大。在此阶段，HFC网络的回传噪声对CM系统性能的影响是决定光节点大小的主要因素。于是，DOCSIS1.1和 DOCSIS2.0标准的CM系统之强抗噪声和干扰性能，可保证第二种网络改造方式工程上的可实施性和在技术上的可靠性。事实上，美国的有线电视运营商如Comcast、Cox和Time Wamer Cable等在对它们的许多HFC网络之改造中均采用了这种方法。当然，改造方式之选择必须具体情况具体分析。

2 宽带CM业务的后台系统

　　宽带CM业务的后台系统（bank office system）包括用户收费管理系统（Customer billing and management system）、业务供给系统（service provisioning system）、设备供给系统（device provisioning system）和网络管理系统。它是宽带CM业务技术平台的不可或缺的重要组成部分（见图）。

　　在为宽带CM业务的新用户开通业务时，美国的有线电视运营商目前的做法是，只须将新用户的相关信息如用户的姓名和地址、所使用的CM之MAC地址、CM的厂家和型号、所选用的业务之资费代码，以及用户所在的区域或市场的代码等等；一次性地输入到用户收费和管理系统中，便完成了为新用户开通业务的全过程。后台系统会自动将相关用户信息由用户收费和管理系统，经过业务交易系统，传递给业务供给系统。而业务供给系统会根据收到的用户信息决定用户所要用的业务包，并指令设备供给系统为用户的CM及与其相连的用户终端设备提供相应的配置信息，从而使用户获得他们订购的业务。

　　美国的有线电视运营商的经验表明，宽带CM业务后台系统之性能的好坏将对新用户之业务的开通、CM业务系统的运营，新业务的开发和推出、以及宽带CM业务系统的扩展性产生直接而巨大的影响。换句话说，它将决定宽带CM业务发展之成败。

2．1 设备供给系统

　　 CM的设备供给系统基本上是由DHCP服务器、TFTP服务器、ToD（Time of Date）服务器、DNS服务器和Syslog服务器组成。如果DOCSIS1．1和DOCSIS2．0的CM系统采用了DOCSIS BPI+安全协议或被用来提供PacketCable所规范的VoIP业务，其设备供给系统还必须包括Kerberous服务器。

　　设备供给系统的作用是向用户的CM以及与其相连的用户终端设备，如PC机、家庭网关和用于VolP业务的MTA等，提供进入正常运行状态所必需的信息。这些信息包括IP地址、CM和家庭网关的配置文件、时间信息和DNS服务器的IP地址等。

　　根据DOCSIS标准，用户的CM在进入正常运行状态以前，它必须先获得IP地址、配置文件（configurationn file）（也称启动文件bootfile）和时间信息。DHCP服务器的作用就是，根据所接收到的由每个CM所发出的DHCP请求信息，通过DHCP OFFER数据包，向相应的CM传递以下信息：

　　 ·CM必须使用的IP地址

　　 ·CM必须使用的配置文件名

　　 ·TFTP服务器的IP地址

　　 ·ToD服务器的IP地址

　　 ·Syslog服务器的IP地址

　　如果CM需要软件升级的话，DHCP服务器的 DHCP OFFER数据包项包括CM的软件升级所需要的新的软件文件名。如果 DOCSIS1.1或 DOCSIS2.0的CM系统使用了 DOCSIS BPI+安全协议，它还须包括Kerberous服务器的IP地址。

　　 CM在从DHCP服务器处获得其IP地址的同时，也获得了它所必须使用的配置文件名和TFTP服务器的IP地址。CM在得到IP地址以后，它便通过TFTP协议，向TFTP服务器申请下载它所需要的配置文件。TFTP服务器的作用就是向用户的CM以及与其相连的用户终端设备传送它们所需要的配置文件和软件升级所需要的升级软件文件，并存储和管理这些文件。

　　一但获得它的配置文件，CM会向ToD服务器发出请求，让ToD服务器提供其时间信息。ToD服务器的作用就是向CM提供精确的时间信息（年、月、日、时、分、秒）。Syslog服务器的作用是收集CM的出错信息。　　与其CM相连的用户终端设备，如PC机和家庭网关等，也必须向设备供给系统申请IP地址和DNS服务器的IP地址等信息，以便使用户能够浏览因特网。

　　在为用户的不同设备，如用户的计算机、家庭网关和多媒体终端适配器，提供配置信息时，设备供给系统常常要借助于许多不同的DHCP选项（DHCP Option），以正确地确定申请配置信息的用户的设备之类型，从而为它们提供相应的正确的配置信息。一般而言，一个设备供给系统必须要支持 DHCP 60和 82选项。随着CableHome标准家庭联网业务和PacketCable标准的VoIP业务之开展，设备供给系统还必须支持DHCP 43和177／122选项。

　　除了上述DHCP方式以外，设备供给系统还可以使用SNMP方式向用户终端设备提供配置信息。Packet Cable标准要求设备供给系统使用SNMP方式向PacketCable的VoIP多媒体终端适配器（MTA）提供配置信息。

时间: 2004-12-31 14:49

作者: zjol

宽带Cable Modem业务的技术平台（三）
2003-08-04 中国CATV

盛志凡

2．2 业务供给系统

美国的有线电视运营商一般都向用户提供多种形式的宽带CM业务产品供他们选择。例如，Comcast就向其家庭用户提供基本业务、增强型业务、金卡业务和家庭联网业务等等。不同的业务将向用户提供不同的网络上下行速率和不同的Email帐户数目、支持不同的IP地址分配方式（动态分配或静态分配）和不同的CPE（如PC机等）的个数等等，同时也有不同的价格。CM业务供给系统的作用是根据用户对产品市场部门所推出的不同业务产品的选择和付费情况，向他们准确而自动地提供相应业务产品。

为此，业务供给系统必须能够根据有线电视运营商提供的不同宽带CM业务产品构建相应的业务包（Service Package）。同时，它还必须具有“承上启下” 的功能。一方面，它必须听从用户收费和管理系统的指令，并根据它提供的相关用户信息来决定该用户要用的业务包。另一方面，它也必须能根据用户所用业务包的信息来指令设备供给系统对用户的CM及其相关终端设备提供相应的配置信息，从而使用户获得他们订购的业务。

业务供给系统在构建业务包时所呈现的灵活性在很大的基础上决定它的优劣。由于有线电视运营商控制其用户获得不同宽带CM业务的方法在很大程度上依赖于给他们的CM提供不同的配置文件，因此，业务供给系统在构建不同的业务包时，必须能够灵活地选择不同的配置文件。业务供给系统还必须能够利用DHCP的“Vender Class”或“User Class”选项，灵活方便地将要构建的业务包与不同的IP子域（Subnet 或 Scope）结合起来，因为某些应用可能要求两个选择不同业务包但又在同一光节点之内的用户使用来自不同IP子域的IP地址。此外，在DOCSIS1．1／2. 0系统中，为了支持安全软件升级（secure software download）的功能，CM的配置文件中必须带有各厂商特有的CVC参数。这要求设备供给系统必须能为那些选择了相同的宽带CM业务但使用不同的厂商的CM设备之用户，提供不同的CM配置文件。为此，业务供给系统在构建业务包时还要能将CM的生产厂商和型号因素考虑进去。

业务供给系统一般直接与设备供给系统直接接口，而往往通过业务交易系统（Service Broker System），或称为工作流生成器（Workflow Engine）与用户收费和管理系统接口。

2．3 业务交易系统

业务交易系统的基本作用是作为用户收费和管理系统与业务供给系统之间的接口和媒介，将用户收费和管理系统中有关的用户信息，转变成业务供给系统能够理解和识别的信息，并将之传送给业务供给系统。它也可能将业务供给系统收集的有关用户的业务使用信息反馈给用户收费和管理系统，作为向用户收费的依据。

业务交易系统的其它功能包括为后台系统提供用于与不同的外部系统与设备相连接的接口适配器，以及支持用户对业务进行自我选择和供给（Self－provisioning）等。

2．4 用户收费和管理系统

顾名思义，用户收费和管理系统完成对用户进行收费和相关管理的功能。一方面，用户收费和管理系统要将用户信息通过业务交易系统传送给业务供给系统，以便让用户的CM和其它相关设备能够获得相应的授权和供给，从而让用户享受到他们定购的业务。另一方面，也要将用户信息存储到系统的数据库中，供以用户管理之用。它所搜集相关用户信息包括用户的姓名和地址、所使用CM的MAC地址和厂家与型号、用户所选用的业务等等。

一个好的用户管理系统通常能对在不同区域中的用户进行相应的收费、管理和统计。例如，Comcast公司将其几乎覆盖了全美国的有线电视网按区域划分为不同的“市场”，而它使用的用户收费和管理系统能够根据这种行政管理的划分，建立相应的收费和管理子系统，从而让负责各个“市场”的运营部门能够直接向各自的用户收费，并进行相关的管理和统计，如获得营收、新增用户数和退定业务用户数等数据和信息。用户收费和管理系统一般是通过给在不同的区域／市场的用户指定特定的代码（Corp Code）而实现这一功能的。

此外，许多用户收费和管理系统还能与不同的银行与信用卡公司的结算系统相连，使之能通过对用户的银行账号和信用账户直接收费。

2．5 网络管理与监控系统

网络管理与监控系统的作用是管理和监控用户的终端设备、CMTS和网络中的路由器等。它是基于SNMP协议的系统。DOCSIS、CableHome和PacketCable标准都为用户的终端设畚，如DOCSIS的CM、CableHome的家庭网关和PacketCable的VolP多媒体终端适配器，定义了丰富的SNMP MIB，以便让网络管理和监控系统对它们进行远程管理和监控。目前美国有线电视运营商所使用的网络管理与监控系统一般都支持SNMPv1和SNMPv2协议，并正在升级支持SNMPv3协议。

一般而言，网络管理与监控系统能够与业务供给系统、设备供给系统和CMTS直接接口，从这些系统处获得相关CM等设备的工作状态。它也可以实时地向某特定的CM或CableHome的家庭网关发出探询信号，以获知这些设备的实时工作状态。

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