CM系统选型测试及在XX市HFC网络上的应用2001.doc

CM系统选型测试及在我台HFC网络上的应用

〔摘要〕介绍了独创性的CMTS及CM产品实际选型测试方案及CM系统在我台HFC网络上的具体应用，作为有线电视网络营运商，避开了CMTS及CM产品测试中涉及到的复杂标准及技术参数，同时又能从应用层面准确反映CM系统在HFC网络上的数据传输的性能，应用选型成果构建了我台HFC网络平台上的CM系统，并进入商业运营。
〔关键词〕CMTS；Cable Modem；HFC接入网；选型测试；回传通道
〔Abstract〕This paper introduces the unique modal selection testing method for CMTS and CM products as well as the application of CM system in the HFC network of our station. For a cable TV network operation company, this method avoids the complex standards and technical parameters involved in testing CMTS and CM products and at the same time, reflects from a user’s perspective the data transmission performance of CM system in HFC network, thus establishing the CM system in our station’s HFC network.
〔Key word〕 CMTS；Cable Modem；HFC network；Modal selection test；return path
我台根据网络总体规划和发展于2001年上半年对Cable Modem系统进行了选型测试，下半年开始在我台HFC网络上发展CM业务。从目前运行的情况看，基本达到了商业运营的要求。在实际运行过程中，我们还结合我台网络的具体情况，合理规划，不断完善，已初步建成可运营、可持续发展的CM业务平台，为今后业务进一步发展打下了坚实的基础。
一、 CM系统选型测试
Cable Modem通讯方式是在有线电视网上开展双向交互业务的一项新兴技术，同传统业务相比国内尚无可以完整借鉴的测试方法和手段，在缺乏可借鉴的测试范例、众多测试设备条件不具备的情况下，我们克服种种困难，从本台实际出发，通过技术人员的共同努力，凭借以往对Cable Modem系统的研究经验，不断总结提高，最后顺利完成选型测试工作。
1、 CM系统原理
CCM接入系统原理如图一所示。

OOS服务器
路由器
INTERNET
交换机

CMTS

上变频器

HFC

PC
CM

图一 系统原理图

CMTS是数据网络和HFC模拟射频网络的连接设备，主要完成网络数据的转发、协议处理和调制解调等功能。其中上变频器完成将CMTS输出的中频模拟信号进行频率的上变换，输出到任意有线电视下行频道上；OOS提供接入系统运行所需要的各种服务器支持，如：动态主机配置服务器（DHCP）、简单文件传输服务器（TFTP）、时间服务器（TOD）等；CM主要完成HFC网络和用户设备之间的数据转发、协议处理和调制解调等功能。

CM和CMTS建立通信的启动过程分为8个步骤：第一步，搜索下行信道。CM上电后，CM不断调整自己的下行接收频率搜索下行信号，直到得到某个下行通道的SYNC（同步帧）。第二步，获取上行信道参数UCD（上行通道的描述报文，由CMTS针对每个上行通道周期性下发）。CM根据接收到的UCD，选择合适的上行通道，如果没有接收到UCD帧，则CM返回到第一步，重新搜索下行信道。第三步，CM进行测距，校准参数。第四步，建立IP连接能力。通过DHCP协议从OSS服务器获取CM、TFTP服务器和TOD服务器IP地址以及CM的配置文件名。第五步，根据前面获得的TOD服务器地址，通过TOD协议从OSS服务器获取当前时间。第六步，根据前面获取的TFTP服务器地址以及CM配置文件名，通过TFTP协议从OSS服务器下载CM的配置文件。第七步，CM向CM注册。CMTS验证CM的合法性,为CM分配正式的SID(Service ID,用于区分CM及服务等级的标识)。第八步，CM注册成功，可以开始正常工作。
符合DOCSIS标准或其它标准的CM系统的技术参数、指标及要求，很多文献上都有介绍，这里不再涉及。
2、 选型测试技术考虑及具体方案

方案考虑：
这次CMTS和 Cable Modem都有多种型号产品参加我台的选型测试，包括DOCSIS和 非DOCSIS(S-CDMA)两种不同的技术产品。如何克服时间紧、仪器少并且要有效地把各个型号的产品性能如实反映是我们首先考虑的问题。我台作为网络营运商，不可能对产品的各种参数按照CM系统产品标准（如MNCS制定的DOCSIS标准）一一加以测量和验证，我们便从系统的实际应用出发，考察系统产品的主要技术参数以及它们在实际网络环境下的性能表现。在制定测试技术方案之前，我们考虑测试方案应该体现如下一些要求：
• 相对客观公平，测试环境相同，并且便于测试；
• 从传输层考虑性能比较，克服全面测试遇到的时间紧和仪器缺等困难；
• 能够和实际应用紧密结合，测试CM和CMTS在我台网络环境下的实际表现；
• 有较强的可操作性和可重复性；
• 测试数据能够反映设备的性能差异，为选型提供技术支持。

具体方案介绍：
我们在本地搭建了CM系统测试平台，如图二所示。

锁金4村HFC

回传光收

自制测试环境

噪声源

图二 CM系统测试环境
我们用QCHECK软件对CMTS和CM之间的通讯情况进行测试，并作为测量数据，包括通讯速率和数据丢失情况。QCHECK软件是一款提供网络性能测试的共享软件，可以从上免费下载，该软件提供两台计算机之间多种协议（TCP、UDP、SPX、IPX）的通讯测量。我们使用该软件作为测量工具主要依据是，作为用户更多关心数据的通讯，特别是数据传输的速度和丢包情况，而QCHECK可以提供这些数据的测量，并且不存在读写硬盘的过程。我们在局域网环境中用两台高档微机（带百兆网卡）对QCHECK软件进行了验证，稳定正常。自制的测试环境如图三所示。
图三 本地测试线路图
我们分别对CMTS和CM进行测试：测试TCP、UDP通讯速率及UDP的丢包率。针对每一项测试，又分成四种情况：
• 引入实际噪声（锁金四村回传噪声），CM和CMTS通讯在不同的上行频率；
• 不同的调制方式（下行QAM,上行QPSK和QAM）；
• 在不同的网络电平下，主要测试下行链路最长（衰减大），上行链路短和长（衰减小和大）的情况下CM和CMTS通信的能力；
• 不同的噪声条件（人为加宽带噪声）。
第一种情况考察CM和CMTS在不同上行频率下的通讯，我们引入了实际的光节点噪声，和CM的上行信号通过分配器（器件编号13）倒混后送CMTS上行接收；第二种情况改变通讯的调制方式，考察通讯速率和丢包情况，下行分64QAM和256QAM，上行区别QPSK和16QAM；第三种情况改变下行衰减值和上行衰减值，考察CM及CMTS发射和接收电平的动态范围；第四种情况是人为引入噪声（从TEST B处），和CM上行信号通过二分配器（器件编号9）混合。噪声类型为6MHz带宽的宽带（相对CM上行带宽）QAM信号，调节噪声强度，分别低于CM上行信号30dB、20dB和10dB，测量通讯速率和丢包情况。四种测试都是考虑到网络通讯中可能出现的情况以及这些情况下CM系统的实际表现。

3、 测试结论
从测试中我们得到了大量数据，分为CMTS和CM两组。通过对两组数据的整理和分析，有效反映了参测产品的性能以及同类产品之间的性能差异，达到了选型测试方案的要求。
二、 CM系统在我台HFC网络上的具体应用
1、 HFC网络平台及CM系统调试
CM系统选型的目的是要将CMTS和CM运用在我台的HFC网络中，为用户提供可靠有效的商业服务。

图四 我台HFC网络拓扑结构图
根据我台网络规划，整个HFC网络由一级光纤环网和二级光纤环网构成主要拓扑，见图四，再由二级站通过光纤到小区或大楼和光电设备相通，最终用放大器、交换机、电缆和千家万户连接，实现承载模拟电视传输网（A网）和宽带数据网（B网）两个业务平台的HFC网络。CM系统跨接A、B两个平台， CM用户端的CPE和数据网的交换路由设备通过CMTS连接，其间和模拟电视信号走过一段相同的HFC物理通道。机房前端CMTS的下行QAM信号（一般在550－750MHz频率范围，一个频道占用6MHz或8MHz）和广播模拟电视信号在前端或分前端混合后，经光发射机、光节点、电放大器送到用户终端盒，用户室内CM的上行信号同样经用户终端盒、电放大器的反向通道到达光节点，经光节点反向回传光发将电信号转换成光信号上传到机房的回传光接收机，再由回传光接收机转换成电信号送CMTS的上行接收端，完成CM和CMTS之间的双向通讯。
我台根据HFC网络规划，首先由总前端将广播信号通过一级环网传送到各分前端（四个局间站），光电接收转换后，分前端或二级站各自插入需要开展的业务信号，如VOD、CM信号，经1310nm光发将光信号传送到光节点，光节点下最多带一级楼放，用户数500左右。考虑到实际情况，目前我台光节点下带了一级“模拟光机”（由楼放充当，以后由光节点取代），再由“模拟光机”带一级楼放。根据我台网络和设备的使用情况，特别是双向楼放、回传光发、回传光接收机的技术指标，我们绘出CM上行通道模型见图五，并对各级信号电平作出了要求和规定，见图五。

图五 CM上行通道模型及信号电平分配
网络中同一光站和不同光站的电平调试都要求遵循上述要求，保证网络中光站覆盖的用户回传损耗应大致相等，为了保证指标，调试应该逐级进行，禁止开始就头尾联调。根据实际统计和研究，70%以上的上行噪声干扰是从用户端侵入的，在保证下行传输设计以及满足回传通道设备激励电平的前提下，优化设计上行通道并保证CM的上行发射电平对提高C/N比和抗干扰有显著作用，在终端安装上线后，应该对相关上下行指标进行测量，以保证通信质量。
2、 CMTS组网
CM宽带接入系统组网的首要问题是确定网络拓扑结构，特别是CMTS头端系统的安装位置。集中式拓扑结构将CMTS集中安装在总前端，覆盖整个HFC网络。集中式拓扑结构投资少，但用户容量有限，适用于较小的系统。分布式拓扑结构将CMTS分布安装在分前端，甚至二级站，仅覆盖部分HFC网络。分布式拓扑结构需要较多的CMTS，投资较大，但扩展性强，适用于较大的系统。网络拓扑结构需要根据系统的规模和A、B平台的具体情况进行设计。
目前我台有线电视宽带综合业务网（A平台）由环星形光缆网、电缆接入网和地下管线网三部分构成。城区以广电大厦为信息中心，建设东西南北四个核心站，通过64芯光缆连接4个局间站形成56公里的市区主环网。每个核心站下建设数个二级站，构成二级环网。通过核心站和二级站覆盖市区光节点。目前4个局间站和4个二级站已投入使用，全市共布设光节点390个，每个节点接入500-2000用户，光缆网覆盖市区70%以上。今年计划再建几百个光节点，达到基本覆盖市区。
我台宽带IP数据网（即B网）在XX广播电视大厦为信息中心的基础上，架构包括一个主核心站点即XX广播电视大厦，3个分核心站点（城西局间站、城北局间站和城东局间站），构成一个骨干交换的主环网。在4个核心站点的基础上，再建立7个二级边缘站点和五县四郊共9个区县二级边缘站点，各个二级边缘站点作为外围交换和用户接入点，并完成与核心层设备的交换。
我台CM宽带接入系统采用了分布式拓扑结构，在东南西北4个核心站和延灵巷二级站各安装一台CMTS，向下覆盖本区域HFC网络，向上接入B平台，并最终接入因特网。我台CM宽带接入系统拓扑结构如图六所示。

路由器
CMTS
因特网

防火墙

城北站三层交换机
HFC
网络操作管理服务器

HFC
城东站三层交换机
城西站三层交换机
CMTS

城南站三层交换机

CMTS
延龄巷三层交换机

CMTS
HFC

CMTS

HFC
HFC

图六 系统拓扑图

CM宽带接入系统是A平台和B平台的结合应用，其组网设计也包括两个方面：HFC侧组网设计（即 CM宽带接入系统与A平台之间的互连组网）和数据网络侧组网设计（即CM宽带接入系统与B平台之间的互连组网）。前者已有论述，以下讨论数据网组网设计。
数据网络侧组网设计的任务是充分利用CMTS具有的各种功能，在完成用户的接入的基础上，实现特定的网络策略，以提高系统性能，增强网络安全和用户控制。组网设计可以从以下几个方面进行考虑：1）网络的逻辑实现；2）IP地址规划和分配；3）网络管理和用户控制；4）网络安全；5）系统的可扩充性。
CMTS在逻辑上可以看成一个路由器,它通过100BaseT口上连至数据平台，下连HFC网络（下行射频口和上行射频口）可以配置多个IP子网，可以看成多个路由器端口，CMTS完成在HFC IP子网和上连端口之间的路由,在组网设计中的CMTS其它重要功能有DHCP授权、代理服务器、ARP及广播抑制、IP过滤、服务级别、频谱管理和源IP路由选择等。我台CMTS组网设计逻辑图如图七所示（省去了IP地址）。
因特网

NAT
路由器

外网用户

DHCP/TOD/TFTP服务器
CM
内网用户

CMTS

内网VLAN（CMTS_neiwang) tag 202
外网VLAN（CMTS_waiwang) tag 201

城东
城北
城西
城南

CMTS
CMTS
CMTS
CMTS

CM
CM
CM
CM
外网用户
外网用户
外网用户
外网用户

内网用户
内网用户
内网用户
内网用户

图七 我台CMTS组网设计逻辑图
它具有以下特点：
1）根据用户的需求不同，将用户分为内网用户和外网用户，外网用户分配公网地址，直接路由进入因特网，内网用户分配私有地址，路由进入B平台，并通过防火墙进行地址转换后访问因特网。这样做一方面满足了部分高级用户需要通过公网地址直接接入因特网的特殊需求，另一方面有可以解决大量用户访问因特网时公网地址不足的矛盾，并通过设置防火墙保护了大量普通用户的网络安全。这也是服务分级的一种做法。
2）实现了内网和外网的分离和隔离，提高了网络性能，保障了网络安全。通过在B平台上划分外网VLAN，并利用CMTS的源地址路由功能，将外网用户流量通过CMTS的第一个100BaseT口直接转发到外网路由器，将内网用户流量通过CMTS的第二个100BaseT口转发到B平台三层交换机，由B平台进行路由转发。这样内网用户可以直接访问B平台信息中心的大量视音频资源，外网用户在接入因特网时可以不受防火墙的限制，提高了网络性能。另外，由于内网和外网之间通过第二层VLAN进行了有效的隔离，内网和外网之间的流量必须经过防火墙的过滤，有效的保障了网络安全。
3）集中的网络操作管理。整个系统通过设置在外网VLAN的一台服务器完成全网的操作、管理，包括CM启动文件下载服务（TFTP）、地址分配服务（DHCP）和时间服务（TOD）。集中的操作管理可以方便的实现用户资源分配策略的配置和网络管理。
4）CMTS设备互连采用私有地址，一方面节约了宝贵的公网地址资源，另一方面由于在因特网上无法访问私有地址设备，因而保护了设备免于受到来自因特网的攻击。
5）良好的可扩充性。在系统设计上充分考虑到了将来的扩充的需要，没有任何限制和瓶颈，只需要在B平台上分配更多的端口就可以连接更多的CMTS，实现系统的扩充。同时在IP地址的规划上预留了大量的资源，CMTS设备互连、CM和普通用户都规划使用的私有IP地址，保证了系统扩充时具有充足的地址资源。
三、 结语
内网用户
本文介绍了我台CM系统选型测试和在我台HFC网络上组网的情况，希望对正在和将要开展CM接入业务的HFC网络运营单位有所帮助，并欢迎和大家共同探讨如何更好地将CM系统运用于广电HFC网络中。