Cable Modem接入技术

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1　前言        随着Internet技术的快速发展以及用户数量的急剧增加，高速接入技术已成为通信高技术领域研究的前沿和热点。宽带化已成为现代通信网的发展方向之一。而我国的有线电视网，由于它的快速发展，覆盖范围已超过了电信网，成为世界上最大的有线电视网络，因此，通过有线电视网进行数据传输、访问Internet已成为越来越受业界关注的话题。
        早期有线电视网络是将广播电视信号高效传送到用户家庭的电缆系统，这种有线电视网络可以高效地向用户传输模拟电视信号。近年来传统的有线电视网络陆续开始采用光纤同轴电缆混合（HFC）传输结构，光缆干线和同轴电缆分配网通过光站结合而成。一般光纤干线采用星型拓扑，同轴电缆分配网则采用树型结构，这种结构已广泛用于广播电视信号的分配。近年来伴随着数据通信等多种业务的需求，使之具有860MHz以上频宽的双向HFC网络已成为发展趋势，Cable Modem技术也应运而生。
2　Cable Modem 工作原理
        有线电视网最初只是用于广播式的电视传播，多用户使用一条线路，是单向的。为用于电脑网络，对现有的网络前端和用户端进行双向改造后，除可以进行传统的电视广播业务及数据广播、数字视频播出等扩展业务外，还可以充分利用其巨大的带宽资源开展计算机联网、电路出租、Internet接入、智能化小区建设等增值业务。
        Cable Modem是在HFC网络上提供双向IP数据业务的用户端设备，它利用HFC网络，与头端CMTS配合，在用户设备（如计算机）和数据业务节点之间透明传送IP数据包。它们的通信为总线方式，一台前端设备可为多个用户提供服务。CM在利用HFC进行双向IP数据传输的网络中的位置见图1。从图中可以看出，CM主要有两个数据接口，一个是对HFC网络的射频接口（RFI），另一个是对用户驻地设备（CPE）的接口，称为用户网络接口（UNI）。与CPE的接口可以是以太网接口或USB接口。
        Cable Modem不仅包含调制解调部分，它还包括射频信号接收调谐、加密解密和协议适配等部分。它还可能是一个桥接器、路由器、网络控制器或集线器。使用它无须拨号上网，也不占用电话线，便可永久连接。通过Cable Modem系统，用户可在有线电视网络内实现国际互联网的访问、IP电话、视频会议、视频点播、远程教育、网络游戏等功能。一个Cable Modem要在两个不同的方向上接收和发送数据。它把上行的数字信号转换成模拟射频信号，类似电视信号，在有线电视网上传送；在下行方向上，Cable Modem把射频信号转换为数字信号，以便电脑处理。
        在使用Cable Modem传输数据时，利用的是现有的有线电缆中的某一个频道。可将整个电缆划分为三个宽带，分别用于Cable Modem数字信号上传、数字信号下传及电视节目模拟号下传。一般同轴电缆的频道范围为5~860MHz，数字信号上传为5~42MHz，模拟信号下传为50~550MHz，数字信号下传则是550~860MHz。
        为了实现Internet接入，有线电视公司一般从88MHz~860MHz之间电视频道中分离出一条6MHz的信道用于下行传送数据。有线电视网采用的模拟传输协议，Cable Modem用来完成数字数据的转换。Cable Modem将数据进行调制后在Cable的一个频率范围内传输，接收时进行解调。通常下行数据采用64QAM调制方式，最高速率可达27Mbit/s，如果采用256QAM，最高速率可达36Mbit/s。上行数据一般通过5~42MHz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调制或16QAM调制，QPSK或16QAM比64QAM更适合噪声环境，但速率较低。上行速率最高可达10Mbit/s。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。
        因有线电视网属于共享资源，所以Cable Modem需要具有加密和解密功能。当给数据加密时，Cable Modem对数据进行编码和扰码，使得黑客盗取数据非常困难。当通过Internet发送数据时,本地Cable Modem对数据进行加密，有线电视网服务器端的CMTS对数据解密，然后送给Internet。接收数据时则相反，有线电视网服务器端的CMTS加密数据，送上有线网，然后本地电脑上的Cable Modem解密数据。
        HFC网络宽带网络户线接入方式，大致有两种方法，一种是多用户共享Cable Modem的HFC+Cable Modem+HUB在五类线以太网入户方式，即可通过下连集线器支持最多几台PC机上网；PC机的IP地址，通过头端DHCP服务器动态获得。第二种是同轴电缆入户，用户独享Cable Modem的双向网络方式，用户可通过计算机以太网卡或USB口，连接到CM；PC机的IP地址，可通过头端DHCP服务器动态获得。
3　Cable Modem的工作流程
        Cable Modem加电工作后，首先自动搜索前端的下行频率，找到下行频率后，从下行数据中确定上行通道，与前端设备CMTS建立连接，并交换信息，包括上行电平数值、动态主机配置协议（DHCP）和简单文件传送协议（TFTP）服务器的IP地址等。Cable Modem有在线功能，即使用户不使用，只要不切断电源，则与前端始终保持信息交换，用户可随时上线。Cable Modem具有记忆功能，断电后再次上电时，使用断电前存储的数据与前端进行信息交换，可快速地完成搜索过程。

　　在CMTS和Cable Modem间的通道建立后，可使用简单网络管理协议（SNMP）进行网络管理。使用一个通用的SNMP网络管理程序，对于不同厂家的CMTS和Cable Modem设备，需将厂家提供的管理信息库（MIB）文件装入到SNMP Manager中，才能管理相应的设备。
4　Cable Modem的发展前景及阻碍
        目前，国内信息产业正处于飞速发展的时期，有线电视网、电信网、计算机网络是我国信息化建设的三个网络，而在建设计算机城域网（WAN）时，原有的普通电话Modem有其不利的一面，如普及率、通信基础设施落后和通信费用过高等。
        而有线电视网在这方面的优势主要有以下几点:
（1）我国电视机拥有量超过3.7亿台，全国电视人口覆盖率超过95% 。
（2）宽频带大户。我国有线电视电缆大户带宽从300~750MHz不等，多数大于450MHz。这正是信息高速公路所需要的带宽，为综合信息应用提供了重要的条件。
（3）有线电视是国内所有入户的信息工具中收费最低的。
        单单从技术上看Cable Modem系统是成熟的，它基本上可以满足高速接入而又不占用电话线路的要求，但从实际的运作和使用上看还有着不少不可忽视的疑难问题：
（1）现有的大部分CATV网由于都是单向传输数据，因此，为了实现接入Internet双向通信，就必需进行必要设备的改造和更新。
（2）由于Cable Modem模式采用的是相对落后的总线型网络结构，这就意味着网络用户共同分享有限的带宽，因此会造成数据传输不够稳定。
（3）使用Cable Modem实现真正意义上的上网就需要借助电脑，但对于我国广大的有线电视用户来说拥有电脑的家庭可能并不占多数，此外购买Cable Modem和初装费也都还不算很便宜，因此很难让非网虫的家庭动心。
5　结论
Cable Modem虽然是近几年开始试用的一种超高速Modem，但到目前已是比较成熟的一种技术。随着有线电视网的发展壮大和人们生活质量的不断提高，它将越来越受到人们的广泛关注，它的发展前景将会是非常广阔的。