Cable Modem技术综述及应用分析

有线电视网是一个非常宝贵的资源，通过双向化和数字化的发展，有线电视系统除了能够提供更多、更丰富、质量更好的电视节目 外，还有着足够的频带资源来提供其他非广播业务。Cable Modem与以往的Modem在原理上都是将数据进行调制后在Cable(电缆)的一个频率范围内传输，接收时进行解调，传输机理与普通Modem相同。 不同之处在于它是通过有线电视CATV的某个传输频带进行调制解调的。而普通Modem的传输介质在用户与访问服务器之间是独立的，即用户独享通信介质。 Cable Modem属于共享介质系统，其他空闲频段仍然可用于有线电视信号的传输。
Cable Modem彻底解决了由于声音图像的传输而引起的阻塞，其速率已达10Mbps以上，下行速率则更高。而传统的Modem虽然已经开发出了速率56Kbps的产品，但其理论传输极限为64Kbps，再想提高已不大可能。
Cable Modem也是组建城域网的关键设备，混合光纤同轴网(HFC)主干线用光纤，光结点小区内用树型总线同轴电缆网连接用户，其传输频率可高达550/750MHz。在HFC网中传输数据就需要使用Cable Modem。
可以看出Cable Modem是未来网络发展的一种重要选择，但是，目前尚没有Cable Modem的国际统一标准，各厂家产品的传输速率均不相同。因此，高速城域网宽带接入网的组建还有待于Cable Modem国际统一标准的出台。
Cable Modem 分类
随着Cable Modem技术的发展，也出现了不少Cable Modem类型，大至可以分为以下几种：
1．从传输方式上可分为双向对称式传输和非对称式传输。对称式传输速率为2Mbps～4Mbps、最高能达到10Mbps。非对称式传输下行速率为30Mbps，上行速率为500KMbps～2.56Mbps。
2．从数据传输方向上有单向和双向Cable Modem之分。
3．从网络通信角度看，Cable Modem可分为同步(共享)和异步(交换)两种方式。同步类似以太网，网络用户共享同样的带宽。当用户增加到一定数量时，其速率急剧下降，碰撞增加，登录入网困难。而异步的ATM技术与非对称传输成为Cable Modem技术的发展主流。
4．从接入角度来看，可分为个人Cable Modem和宽带Cable Modem(多用户)，宽带Cable Modem可以具有网桥的功能，可以将一个计算机局域网接入。
．从接口角度分，可分为外置式、内置式和交互式机顶盒。外置Cable Modem的外形象一个小盒子，通过网卡连接电脑，所以连接Cable Modem前需要给计算机添置一块网卡，这也是外置Cable Modem的缺点。不过优点是可以支持局域网上的多台计算机同时上网。
内置Cable Modem是一块PCI 插卡，这是最便宜的解决方案。缺点是只能用在台式电脑上，在苹果电脑和笔记本电脑上无法使用。
交互式机顶盒是真正Cable Modem的伪装。机顶盒的主要功能是在频率数量不变的情况下提供更多的电视频道。通过使用数字电视编码（DVB），交互式机顶盒提供一个回路，使用户可以直接在电视屏幕上访问网络，收发E－mail和浏览网页等。
Cable Modem技术原理
Cable Modem本身不单纯是调制解调器，它集Modem、调谐器、加/解密设备、桥接器、网络接口卡、虚拟专网代理和以太网集线器的功能于一身。它无须拨号上 网，不占用电话线，可提供随时在线的永久连接。服务商的设备同用户的Modem之间建立了一个虚拟专网连接，Cable Modem提供一个标准的10BaseT或10/100BaseT以太网接口同用户的PC设备或以太网集线器相联。
Cable Modem的技术实现一般是从42MHz～750MHz电视频道中分离出一条6MHz的信道用于下行传送数据。通常下行数据采用64QAM（正交调幅）调 制方式，最高速率可达27Mbps，如果采用256QAM，最高速率可达36Mbps。上行数据一般通过5MHz～42MHz之间的一段频谱进行传送，为 了有效抑制上行噪音积累，一般选用QPSK调制，QPSK比64QAM更适合噪音环境，但速率较低。CMTS（Cable Modem头端设备）从外界网络接收的数据帧封装在MPGE-TS帧中，通过下行数字调制和RF(Radio Frequency）输出到用户端，同时接收上行出来的数据转换成以太网帧。用户端Cable Modem的基本功能就是将上行数字信号调制成RF信号，将下行的RF信号解调为数字信号，从MPEG-TS帧中解出数据，形成以太网的数据，通过10- BaseT的端口输出。在HFC网是频分复用的，但在某一频率上的信道则是被很多用户所共享，通过MAC控制用户信道分配与竞争的问题，同时还支持不同等 级的业务。可以通过网络管理系统对HFC网络中Cable Modem进行配置、状态、流量监控和诊断。
在Cable Modem系统中，采用了双向非对称技术，在下行方向有6MHz的模拟带宽供系统中的用户共享。但这种共享技术不会降低传输速率。Cable Modem不同于线路交换的电话网定向呼叫连接，用户在连接时并不占用一固定带宽，而是与其他活动用户共享，仅在发送、接收数据的瞬间使用网络资源。在毫 秒级甚至兆秒级的时间内，抓住一切利用带宽的机会下载数据包。如果在网络使用的高峰期中有拥塞，可以通过灵活的分配附加带宽来解决。只需简单分配一个 6MHz频段，就能倍增下行速度。另一种方法是在用户段从新划分物理网络，按照访问频度给用户合理分配带宽，速度可与专线媲美。
Cable Modem 标准和规范
Cable Modem产品有两个国际标准，DOCSIS是北美及其他国际市场的标准，而DVB/DAVIC则是欧洲标准。
1． DOCSIS标准 　　
1998年有线电视实验室（Cable Labs）就提供了DOCSIS的正式程序以保证各个不同的厂家出来的产品有兼容性。在1998年3月，国际电信联盟接受DOCSIS标准，作为Cable Modem的标准，称为ITU J.112标准。通过有线电视网执行DOCSIS标准数据，在50MHz～750MHz频段里下传到户６MHz带宽的通信速率，另一频段是５MHz～42MHz波段，则用来上传信号。
一个带有数据转发器的CMTS通过这些频段与放置在用户家中的Cable Modem进行数据传输。许多Cable Modem是外设装置，通过标准的10M以太网卡和５类双绞线连接到个人电脑，也可以用外部的通用串行总线（USB）接口的调制解调器或者内置PCI插卡。
有线电视实验室负责产品认证工作，以保证各个厂家生产的Cable Modem遵照同一标准并且能够互相兼容。
产品如果通过测试，符合DOCSIS标准的Cable Modem的外包装上就会被贴上“有线电视实验室认定”的标签，表明这个产品能够与其他认定产品通用。
自从设备被有线电视经营者购买后，有线电视实验室的产品就不再是唯一正规的符合DOCSIS标准的Cable Modem终端设备数据转换器，但是它的产品仍是最合标准的Cable Modem终端系统。标签代表CMTS产品的稳定性及互动性。1999年４月有线电视实验室发表了第二代的标准，叫做DOCSIS1.1,功能比以前增强 了许多，例如改进了QoS和以硬件为基础的数据包的压缩，支持IP电话，稳定了数据传输速率，简而言之，DOCSIS提供了宽带、高质量的语音，商业级的 数据服务，以及通过网络共享Cable Modem提供多媒体服务。下一代的标准可以说是兼容性的进步，能够使DOCSIS1.0与DOCSIS1.1标准的Cable Modem在相同的网络及相同的频段中工作。
2．DVB/DAVIC EuroModem标准
数字广播（DVB）和数字广播联盟（DAVIC）负责设立欧洲技术标准，DVB/DAVIC是DOCSIS标准在欧洲的强有力的挑战者。欧洲有线电视实验室，是在欧洲有线电视通信联盟的指导下，一直支持以DVB/DAVIC为基础的“欧洲调制解调器”。
作为DOCSIS标准的替换装置，DVBCable Modem是一些欧洲经营者的首选，并且符合他们的结构设置，当然也有支持欧洲本地产品的原因，而不是简单引进美国供应商的解决方案。
DVB2.0标准被欧洲通信标准协会正式采用，称为ETS300800，这个标准描述了频段内与频段外的传输切换，可以应用到互动机顶盒和Cable Modem，相对应的是，能够发展交互式电视，交互式数据，声音交互传递，这些都通过普通平台实现。ETS300800已经被DAVIC选择作为Cable Modem的DAVIC1.5标准。
Cable Modem接入实现
有线电视系统中普遍采用HFC(光纤/电缆)结构。采用光缆将信号传输到小区节点，再用同轴分配网络将信号送到用户家中。 由于用光纤代替同轴电缆后网络性能获得极大的改进，以致于在实现高效率宽带交互通信时，早期的“光纤到户”目标不再认为是必须的。这样HFC为将宽带信号 带入家庭铺平了最后一公里。
HFC本身是一个CATV网络，视频信号可以直接进入用户的电视机，采用新的数字调制技术和数字压缩技术，可以向用户提供 数字电视和HDTV。同时，话音和高速的数据可以调制到不同的频段上传送，来提供电话和数据业务。这样HFC支持全部现存的和发展中的窄带和宽带业务，成 为所谓的全业务宽带网络。而且，HFC可以简单地过渡到FTTH网络，为光纤用户环路的建设提供了一种循序渐进的手段。
采用HFC网络实现三网合一，目前只能通过Cable Modem技术来实现，系统结构如图1所示:
1． 数 据 传 输 的 实 现
在图1的Cable Modem系统结构中，用户可在PC机中运行视频点播软件，通过HFC网络到运营商CMTS头端设备，由运营商提供视频点播服务。由于在Cable Modem技术中，采用了双向非对称技术，在频谱中分配90到860MHz间的一个频段作为下行的数据信道，传输速率达到27Mbps和36Mbps。同时在频谱中分配5到50MHz中的一个频段作为上行回传， 传输速率达到0.3Mbps至10Mbps的速率。通过上行和下行数据信道形成数据传输的回路。用户也可在PC机中运行浏览器软件，实现Internet冲浪。由此可见，Cable Modem能使用户进入一个虚拟现实世界。采用这种非对称技术，主要考虑到目前数据业务的信息量集中在下行，如Internet网页的浏览，E-mail的收发，视频点播，家用办公等。系统遵照国际标准DOCSIS或DVB/DAVIC的规定，通信协议采用TCP/IP。
2．话音的传输
采用IP技术，提供话音业务，可通过VoIP技术来实现。这时整个系统走的全是IP数据，包括用户家的电话，也用的是IP电话。通过Internet网络，可与全球任何的联网用户实现Internet Phone功能。但是，目前的电话用户还是电信PSTN网，要真正通过HFC网提供话音业务必须与PSTN互通。实现互通的方法有两种。如图2。一种方法是从Internet通过IP Phone网关来与PSTN公网相连。另一种方法是从HFC的局端设备CMTS通过IP Phone网关联向PSTN公网。
现行HFC网改造
常规的用于CATV的HFC网络是单向传输的，而数据传输系统是双向的，这就需对现有的HFC网络进行改造。按改造的难易和成本可分为三种情形：
1．采用电话上行、HFC下行：这种方法用在CMTS和Cable Modem中具有电话线接口、无需对HFC进行双向的改造。这是一种低成本迅速占领市场的策略，或者用在改造网络确实存在困难的地方。一般不推荐这种方法，原因有二：一是影响原有电话业务，二是电话的带宽毕竟有限，不利于系统扩展。
2．对现有的单向HFC网络进行改造，增加反向传输模块，如反向光发和光收，原有链路中单向的放大器换成双向放大器等。目前，现有的城市CATV的HFC网已初具规模，主要是双向改造问题。
3．铺设新的双向HFC网络，在新建的城市小区中，直接建设双向网络。
Cable Modem的应用前景
由于在HFC的数据通信系统Cable Modem中采用了IP协议，所以很容易开展基于IP的业务，如IP VOD业务、IP Phone等。
IP phone：Cable Modem的传输协议采用IP，增加一定的软件和硬件可以实现电话业务。目前，新的Cable Modem标准中就准备加进IP Phone的内容。
DTV（Digital TV：数字电视）：在Cable Modem系统中，物理层的数字调制与解调技术符合DVB标准，只需在有线电视前端和用户端增加视频编解码设备。这样可以使得Cable Modem具有多功能的特点，可以避免进行数字电视广播的重复投资，同样也减少了用户端设备的成本。
ITV（Interactive CATV，交互式有线电视）：Cable Modem系统设备使原来单向分配的 HFC网络变成双向可进行数据传输的交互式系统，因而可以结合原有的电视业务开展ITV、提供VOD、MOD等业务。
高速Web页面浏览：由于Cable Modem下行数据信道传输速率可达27Mbps，上行回传可达10Mbps的速率，所以完全可以利用Cable Modem高速冲浪、多媒体远程教学、远程医疗、网上游戏、开展电子商务等业务。
除了上述业务，开发多功能的Cable Modem。除了具有计算机联网功能、提供Internet浏览外，同时具有数字电视接收和VOD机顶盒的功能，只需加一个VCD／CD机芯配件就能实现。总之，拥有CATV的用户（多数为家庭用户）必将会从HFC网络的多数据业务中获得真正的多媒体数字高速公路。