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CATV 网 与 Cable Modem [ 摘 要 ] 本 文 介 绍 了 CATV 网 络 建 设 的 现 状 与 发 展 特 别 引 入 了 Cable Modem 话 题, 从 其 基 本 概 念, 传 输 模 式, 标 准, 工 作 原 理 作 了 较 详 细 地 介 绍 一 网 络 速 度 的 现 状 今 天, 网 络 的 发 展 为 我 们 提 供 了 更 大 的 发 展 空 间 和 机 会 但 网 络 的 传 输 速 度 也 越 来 越 成 为 利 用 网 络 自 身 发 展 的 障 碍 一 系 列 新 的 Internet 服 务, 包 括 提 供 音 频 视 频 流, 本 地 信 息 服 务 ( 社 区 资 讯 和 服 务 ), 登 录 CD-ROM 服 务 器, 视 频 点 播 以 及 其 他 大 量 网 上 服 务, 都 受 制 于 网 络 速 度 而 得 不 到 广 泛 应 用 甚 至 WWW(World Wide Web 万 维 网, 字 面 意 思 世 界 范 围 的 网 络 ) 得 了 一 个 无 奈 的 外 号 : World Wide Wait ( 世 界 范 围 的 等 待 ) 一 字 之 差, 却 反 映 出 人 们 的 无 奈 需 要 和 期 待 于 是, 人 们 开 始 竞 相 研 究 各 种 Internet 宽 带 接 入 技 术 比 如 ISDN(Integrated Service Digital Network 综 合 业 务 数 字 网 俗 称, 一 线 通 ),ADSL ( 不 对 称 数 字 用 户 线 ),DSL(Digital Subscriber Loop 数 字 用 户 环 路 ),ATM( 帧 中 继 ) 等, 不 一 而 足 本 文 要 介 绍 的 则 是 另 一 种 解 决 方 案 : 利 用 Cable Modem( 线 缆 调 制 解 调 器 ) 将 电 脑 接 入 有 线 电 视 网 络, 实 现 网 络 操 作, 包 括 时 下 热 门 的 Internet 接 入 Cable Modem 的 上 行 带 宽 可 达 10M, 下 行 带 宽 可 达 35M, 如 此 传 输 速 率 无 疑 是 非 常 诱 人 的 不 过 有 线 电 视 网 是 否 有 能 力 担 起 重 任 呢? 二 有 线 电 视 网 的 资 源 潜 力 我 国 的 有 线 电 视 网 虽 然 没 有 得 到 国 家 投 资, 但 却 依 靠 自 身 力 量 发 展 起 来 了 目 前 它 的 覆 盖 范 围 比 电 信 网 还 广, 已 经 建 成 12989 公 里 的 国 家 级 干 线 光 缆 网 络, 在 许 多 地 方 已 建 成 光 缆 和 同 轴 电 缆 混 合 网, 联 通 全 国 22 个 省 市 自 治 区 截 至 1998 年 底, 有 线 电 视 用 户 超 过 7000 万 户 从 用 户 数 量 看, 我 国 拥 有 世 界 上 最 大 的 有 线 电 视 网 络 目 前 在 我 国 有 线 电 视 网 有 两 大 优 势 : 最 后 一 公 里 带 宽 很 宽 ; 覆 盖 率 高 于 电 信 网 电 信 网 形 成 时, 只 是 为 了 一 个 业 务, 那 就 是 打 电 话, 而 打 电 话 只 要 求 64K 的 带 宽 所 以 整 个 网 络 的 设 计 也 就 仅 局 限 于 这 64K, 包 括 入 户 的 双 绞 线 这 样 一 来, 电 信 网 的 最 后 一 公 里 就 成 了 瓶 颈, 限 制 了 网 络 速 度 的 提 高 尽 管 电 信 采 取 了 ISDN( 综 合 服 务 数 字 网 ) ADSL( 非 对 称 线 性 环 路 ), 目 前 可 以 做 到 10M 8M 6M, 但 在 当 前 价 位 上 提 高 的 余 地 不 大 再 往 前 走, - 1 -

成 本 将 非 常 高 而 CATV( 有 线 电 视 ) 的 同 轴 电 缆 的 带 宽 很 容 易 可 以 做 到 800M, 就 现 在 的 带 宽 需 求 而 言,CATV 网 的 最 后 一 公 里 是 畅 通 的 当 然, 由 于 有 线 电 视 网 当 初 是 用 于 广 播 式 的 电 视 传 播, 也 就 是 说, 是 单 向 的, 所 以 要 用 于 电 脑 网 络, 必 须 对 现 有 的 网 络 前 端 和 用 户 端 进 行 改 造, 使 之 具 有 双 向 传 输 功 能 总 的 来 说, 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 三 Cable Modem 的 原 理 和 使 用 1.Cable Modem 的 基 本 概 念 Cable Modem 是 一 种 可 以 通 过 有 线 电 视 网 络 进 行 高 速 数 据 接 入 的 装 置 它 一 般 有 两 个 接 口, 一 个 用 来 接 室 内 墙 上 的 有 线 电 视 端 口, 另 一 个 与 计 算 机 相 联 Cable Modem 不 仅 包 含 调 制 解 调 部 分, 它 还 包 括 电 视 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 一 个 Cable Modem 要 在 两 个 不 同 的 方 向 上 接 收 和 发 送 数 据, 把 上 下 行 数 字 信 号 用 不 同 的 调 制 方 式 调 制 在 双 向 传 输 的 某 一 个 6MHz( 或 8MHz) 带 宽 的 电 视 频 道 上 它 把 上 行 的 数 字 信 号 转 换 成 模 拟 射 频 信 号, 类 似 电 视 信 号, 所 以 能 在 有 线 电 视 网 上 传 送 接 收 下 行 信 号 时,Cable Modem 把 它 转 换 为 数 字 信 号, 以 便 电 脑 处 理 Cable Modem 的 传 输 速 度 一 般 可 达 3-50 Mbps, 距 离 可 以 是 100 公 里 甚 至 更 远 Cable Modem 终 端 系 统 (CMTS) 能 和 所 有 的 Cabke Modem 通 讯, 但 是 Cable Modem 只 能 和 CMTS 通 讯 如 果 两 个 Cable Modem 需 要 通 讯, 那 么 必 须 由 CMTS 转 播 信 息 2.Cable Modem 的 速 度 Cable Modem 通 过 有 线 电 视 网 络 进 行 高 速 数 据 传 输, 从 网 上 下 载 信 息 的 速 度 比 现 有 的 电 话 Modem 快 1000 倍 通 过 电 话 线 下 载 需 要 20 分 钟 完 成 的 工 作, 使 用 Cable Modem 只 需 要 1.2 秒 Cable Modem 的 速 度 范 围 可 以 从 500kbps 到 10Mbps 3.Cable Modem 的 传 输 模 式 - 2 -

Cable Modem 的 传 输 模 式 分 为 对 称 式 传 输 和 非 对 称 式 传 输 对 称 式 传 输 所 谓 对 称 式 传 输 是 指 上 / 下 行 信 号 各 占 用 一 个 普 通 频 道 8M 带 宽, 上 / 下 行 信 号 可 能 采 用 不 同 的 调 制 方 法, 但 用 相 同 传 输 速 率 (2~10Mbps) 的 传 输 模 式 在 有 线 电 视 网 里 利 用 5~ 30(42)MHz 作 为 上 行 频 带, 对 应 的 回 传 最 多 可 利 用 3 个 标 准 8MHz 频 带 :500~550MHz 传 输 模 拟 电 视 信 号,550~650MHz 为 VOD( 视 频 点 播 ),650~750MHz 为 数 据 通 讯 利 用 对 称 式 传 输, 开 通 一 个 上 行 通 道 ( 中 心 频 率 26MHz) 和 一 个 下 行 频 道 ( 中 心 频 率 251MHz) 上 行 的 26MHz 信 号 经 双 向 滤 波 器 检 出, 输 入 给 变 频 器, 变 频 器 解 出 上 行 信 号 的 中 频 (36~44MHz) 再 调 制 为 下 行 的 251MHz, 构 成 一 个 逻 辑 环 路, 从 而 实 现 了 有 线 电 视 网 双 向 交 互 的 物 理 链 路 非 对 称 式 传 输 由 于 用 户 上 网 发 出 请 求 的 信 息 量 远 远 小 于 信 息 下 行 量, 而 上 行 通 道 又 远 远 小 于 下 行 通 道, 人 们 发 现 非 对 称 式 传 输 能 满 足 客 户 的 要 求, 而 又 避 开 了 上 行 通 道 带 宽 相 对 不 足 的 矛 盾 频 分 复 用 时 分 复 用 的 配 合 加 之 以 新 的 调 制 方 法, 每 8MHz 带 宽 下 行 速 率 可 达 30Mbps, 上 行 传 输 速 率 为 512Kbps 或 2.048Mbps 很 明 显, 非 对 称 式 传 输 最 大 的 优 势 在 于 提 高 了 下 行 速 率, 并 极 大 地 满 足 网 上 数 以 万 计 的 客 户 的 应 用 申 请, 相 对 应 的 非 对 称 式 传 输 的 前 端 设 备 是 较 为 复 杂 的, 它 不 仅 有 对 称 式 应 用 中 的 数 字 交 换 设 备, 还 必 须 有 一 个 线 缆 路 由 器 (Cable Router), 才 能 满 足 网 络 交 换 的 需 要 ; 而 对 称 式 传 输 中 执 行 的 IEEE802.4 令 牌 网 协 议 在 同 一 链 路 用 户 较 少 时 还 能 达 到 设 计 速 率, 当 用 户 达 到 一 定 数 量 时, 其 速 率 迅 速 下 降, 不 能 满 足 客 户 多 媒 体 应 用 的 需 求 此 时, 非 对 称 式 传 输 就 比 对 称 式 传 输 有 了 更 多 更 大 的 应 用 范 围, 它 可 以 开 展 电 话 高 速 数 据 传 递 视 频 广 播 交 互 式 服 务 和 娱 乐 等 服 务, 它 能 最 大 限 度 地 利 用 可 分 离 频 谱, 按 客 户 需 要 提 供 带 宽 传 输 模 式 的 选 择 很 明 显, 不 同 的 用 途, 不 同 的 范 围 和 规 模, 就 应 该 注 意 选 择 不 同 的 传 输 模 式 和 不 同 的 产 品 写 字 楼 办 公 楼 学 校 和 小 区 主 要 是 用 网 络 传 输 数 据 资 料 以 及 Internet 接 入, 那 么 就 选 择 对 称 模 式 的 Cable Modem, 而 且 该 类 产 品 易 用 易 维 护 价 格 低 廉 如 果 网 络 结 点 设 计 合 理 的 话 (500 个 电 视 终 端,200 个 数 据 用 户 ), 利 用 有 线 电 视 网, 采 用 对 称 式 传 输 模 式 建 立 一 个 企 业 的 Intranet 通 信 平 台 也 是 可 行 的 - 3 -

4.Cable Modem 的 种 类 随 着 Cable Modem 技 术 的 发 展, 出 现 了 不 少 的 类 型 按 不 同 的 角 度 划 分, 大 概 可 以 分 为 以 下 几 种 : 1) 从 传 输 方 式 的 角 度, 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 500K~ 2.56Mbps 2) 从 数 据 传 输 方 向 上 看, 有 单 向 双 向 之 分 3) 从 网 络 通 信 角 度 上 看,Modem 可 分 为 同 步 ( 共 享 ) 和 异 步 ( 交 换 ) 两 种 方 式 同 步 ( 共 享 ) 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 ( 交 换 ) 的 ATM 技 术 与 非 对 称 传 输 正 在 成 为 Cable Modem 技 术 的 发 展 主 流 趋 势 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 Modem 可 以 具 有 网 桥 的 功 能, 可 以 将 一 个 计 算 机 局 域 网 接 入 5) 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 小 盒 子, 通 过 网 卡 连 接 电 脑, 所 以 连 接 Cable Modem 前 需 要 给 电 脑 添 置 一 块 网 卡, 这 也 是 外 置 Cable Modem 的 缺 点 不 过 好 处 是 可 以 支 持 局 域 网 上 的 多 台 电 脑 同 时 上 网 Cable Modem 支 持 大 多 操 作 系 统 和 硬 件 平 台 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 麦 金 塔 电 脑 和 膝 上 电 脑 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 等 我 国 电 视 机 用 户 也 即 将 有 幸 使 用 此 项 技 术, 比 如 TCL 刚 刚 推 出 了 精 彩 王 牌 机 顶 盒 ; 迈 威 宝 公 司 即 将 推 出 电 视 机 顶 盒 和 在 线 服 务 (www.myweb.com.cn ), 使 利 用 电 视 机 浏 览 网 页 成 为 可 能 5.CATV 网 上 的 加 密 因 为 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 没 那 么 容 易 - 4 -

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 Cable Modem 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 Cable Modem 加 密 数 据, 送 上 有 线 网, 然 后 本 地 电 脑 上 的 Cable Modem 解 密 数 据 与 Netscape 的 Navigator 和 Microsoft 的 Internet Explorer 的 加 密 不 同 的 是, Cable Modem 只 是 在 有 线 电 视 网 两 端 对 数 据 加 密 / 解 码, 数 据 通 过 Internet 时 是 不 被 加 密 的 6.Cable Modem 的 标 准 目 前,Cable Modem 主 要 存 在 两 种 不 同 的 标 准, 一 个 是 由 美 国 有 线 电 视 运 营 公 司 成 立 的 行 业 组 织 MCNS( 多 媒 体 线 缆 网 络 系 统 ) 起 草 的 已 被 ITU 批 准 的 J.112 标 准 ; 还 有 一 个 是 IEEE802.14, 此 标 准 正 在 制 订 中 从 技 术 上 讲 IEEE802.14 比 ITUJ.112 先 进 7.Cable Modem 工 作 原 理 Cable Modem 从 下 行 的 模 拟 信 号 中 划 出 6MHz 频 带, 将 信 号 转 化 为 符 合 以 太 网 协 议 的 格 式, 从 而 与 电 脑 实 现 通 讯 用 户 需 要 给 电 脑 配 置 以 太 网 卡 和 相 应 的 网 卡 驱 动 程 序 同 轴 电 缆 中 的 6MHz 频 带 被 用 来 提 供 数 据 通 讯 电 视 和 电 脑 可 以 同 时 使 用, 互 不 影 响 有 线 电 视 网 络 实 际 怎 样 运 行 的 呢? 射 频 信 号 在 用 户 和 前 端 之 间 沿 同 轴 电 缆 上 行 或 下 行 上 行 和 下 行 信 号 共 享 6MHz 频 带, 但 是 调 制 在 不 同 的 载 波 频 率 上 以 避 免 相 互 干 扰 一 般 速 率 下 行 为 10Mbs, 上 行 速 率 为 786Kbs 物 理 层 最 主 要 的 下 行 协 议 是 64QAM(Quadrature Amplitude Modulation 正 交 振 幅 调 制 ), 调 制 速 率 可 达 36Mbps 上 行 调 制 采 用 QPSK(Quaternary Phase Shift Keying 四 相 移 相 键 控 调 制 ), 抗 干 扰 性 能 好, 速 率 可 达 10Mbps 另 一 个 上 行 协 议 是 S-CDMA(Synchronous Code Division Multiple Access 同 步 码 分 复 用 ) 例 如, 摩 托 罗 拉, 把 上 行 信 号 更 进 一 步 细 分 为 10-600kHz 频 带, 把 上 行 信 号 动 态 转 入 干 净 无 噪 声 的 频 带 媒 体 通 路 控 制 层 (MAC -Media Access Control Layer) 和 逻 辑 链 接 控 制 层 (LLC - Logical Link Control Layer) 这 两 个 协 议 层 规 定 了 不 同 信 号 和 用 户 怎 样 共 享 公 共 带 宽 由 于 目 前 还 没 有 统 一 的 行 业 标 准, 有 些 Cable Modem 厂 家 采 用 不 同 的 协 议 较 常 见 的 有 : 用 于 以 太 网 的 公 共 CSMA/CD - 5 -

(Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection 载 波 复 用 通 路 / 冲 突 检 测 ) 和 先 进 的 ATM(Asynchronous Transfer Mode 异 步 传 输 模 式 ) 协 议 这 些 协 议 都 可 以 有 效 地 使 用 上 行 通 道, 可 以 根 据 需 要 分 配 带 宽, 保 证 通 讯 质 量 有 线 电 视 前 端 在 上 行 方 向,Cable Modem 从 电 脑 接 收 数 据 包, 把 它 们 转 换 成 模 拟 信 号, 传 给 网 络 前 端 设 备 该 设 备 负 责 分 离 出 数 据 信 号, 把 信 号 转 换 为 数 据 包, 并 传 给 Internet 服 务 器 同 时 该 设 备 还 可 以 剥 离 出 语 音 ( 电 话 ) 信 号 并 传 给 交 换 机 为 实 现 上 述 功 能, 需 要 将 目 前 的 单 向 有 线 电 视 网 转 变 成 双 向 光 纤 - 同 轴 电 缆 混 合 网, 以 便 实 现 宽 带 应 用 除 了 前 端 设 备 和 现 存 的 下 行 信 号 放 大 器 外, 还 需 要 在 干 线 上 插 入 上 行 信 号 放 大 器 四 国 外 的 发 展 情 况 利 用 电 缆 调 制 解 调 器 在 有 线 电 视 混 合 光 缆 同 轴 网 上 传 送 数 据, 用 其 做 为 互 联 网 的 宽 带 接 入 网 是 非 常 诱 人 的, 有 着 良 好 的 发 展 前 景 原 因 是 这 种 方 法 成 本 低 频 带 宽, 是 现 有 有 线 电 视 网 宽 带 技 术 发 展 的 热 点 在 美 国 有 50 个 地 方 做 试 验 网, 而 象 加 州 Ahome 网 已 开 始 商 业 运 行 在 1996 年 12 月 举 行 的 96Westernshow 有 线 电 视 大 展 上, 有 20 家 公 司 推 出 电 缆 调 制 解 调 器 产 品 一 些 大 公 司 如 DEC Philips 等 采 用 多 家 公 司 的 产 品 做 系 统 集 成 服 务, 用 HFC 网 做 接 入 网 的 互 联 网 系 统 的 操 作 支 撑 系 统 (OSS) 软 件 也 已 出 现 总 之, 电 缆 调 制 解 调 器 经 过 几 年 的 发 展 已 开 始 进 入 实 用 期 尽 管 如 此, 美 国 电 缆 调 制 解 调 器 的 发 展 并 没 有 原 来 预 期 的 那 么 快 其 原 因 是 在 美 国 有 线 电 视 网 大 部 分 还 是 多 年 前 铺 设 的 同 轴 电 缆 网, 性 能 较 差, 绝 大 部 分 是 单 向 的, 没 有 上 行 能 力 改 造 需 要 大 量 投 资, 一 般 有 线 电 视 公 司 负 担 不 起 另 一 原 因 是 有 线 电 视 公 司 的 网 络 运 营 管 理 能 力 和 服 务 意 识 没 有 电 信 公 司 那 么 强, 比 较 而 言 体 制 也 有 缺 陷, 要 提 供 高 质 量 的 数 据 传 输 服 务, 存 在 一 个 适 应 的 过 程 目 前 已 发 展 的 供 家 庭 用 户 接 入 互 联 网 使 用 的 电 缆 调 制 解 调 器 大 多 是 双 向 不 对 称 的 一 般 来 说, 下 行 占 用 一 个 NTSC 6MHz 通 道, 采 用 64QAM 调 制 提 供 高 达 30Mbps 的 传 送 速 率, 而 上 行 通 道 则 在 5~40MHz 带 中 选 择 干 扰 较 低 的 位 置, 占 用 1~2MHz 带 宽, 用 QPSK( 或 BPSK) 调 制 提 供 500Kbps~2Mbps 传 送 速 率, 第 一 代 电 缆 调 制 解 调 器 的 标 准 大 致 是 这 样 典 型 产 品 - 6 -

如 Motorola 的 Cybersurfr 电 缆 调 制 解 调 器, 下 行 30Mbps, 上 行 786Kbps( 占 用 600KHz 带 宽 ) IBM 则 推 出 其 双 向 的 Cableonline 系 统 它 的 下 行 速 率 为 30Mbps, 上 行 为 2.5Mbps 这 种 电 缆 调 制 解 调 器 输 入 按 照 以 太 网 协 议 连 接 用 户, 输 出 为 ATM 信 号, 在 前 端 可 用 ATM 交 换 机 进 行 交 换, 解 决 了 对 来 自 多 个 光 结 点 的 数 据 进 行 交 换 的 问 题 - 7 -