第5章
电缆调制解调器接入技术



电缆调制解调器又称为线缆调制解调器（Cable Modem，CM）。Cable Modem是一种超高速Modem，它是利用现成的有线电视网实现高速数据接入的设备，Cable Modem接入技术到现在已经是比较成熟的一种接入技术。随着有线电视网的发展壮大和人们生活质量的不断提高，通过Cable Modem利用有线电视网访问Internet已成为越来越受业界关注的一种高速接入方式。本章主要介绍Cable Modem技术基础、工作原理、体系结构和应用。





5.1HFC技术概述
5.1.1有线电视网络的演进过程

最早的电视广播都是无线传送，每个电视台的每套节目都被调制在不同的频段进行发射，以避免干扰； 随着电视台的增加和节目数量的增多，频带拥挤的矛盾越来越突出。为保证各个电视频道间互不干扰，而且能尽可能多地给用户提供节目频道，便产生了有线电视网。有线电视网在传输电视信号的功能方面与无线电视广播类似，有线电视信号的传输也是通过把不同频道的节目调制在不同的频段，再经过有线电视网络传送到用户。只是它可以同时传送的频道更多，而且节目质量也更好。
早期的有线电视网络是基于完全的同轴电缆的单向广播网络，随着有线电视产业和信息技术的发展，20世纪90年代初开始，部分同轴电缆被光纤替代，形成人们通常所说的混合同轴光纤，即HFC（Hybrid Fiber Coax）网络。
到20世纪90年代末期，原有的HFC网络又掀起了一次改造浪潮，驱动力在于： 原有HFC网络的老化需要更新； 
用户数的急剧增加导致网络需要调整； 
双向高速数据业务的驱动； 
数字电视的发展对网络提出了更高的要求，交互式数字视频也提出了双向化的需求。
新改造网络的带宽多为750/860MHz，与此同时，光节点越来越接近用户，光纤距离变长，同轴距离缩短，更重要的是，单向的HFC网络逐步被改造为双向HFC网络。改造之后的双向HFC网络，在网络质量和发展潜力方面比传统的有线电视网有了更大的提高。除了模拟电视广播这种基本业务外，HFC网络还可以提供数字电视和数据业务，特别适合做宽带接入业务。
HFC网络大部分采用传统的高速局域网技术，但是最重要的组成部分也就是同轴电缆到用户计算机这一段使用了另外的一种独立技术，这就是 Cable Modem，即电缆调制解调器，是一种将数据终端设备（计算机）连接到有线电视网，以使用户能进行数据通信，访问Internet等信息资源的设备。利用Cable Modem接入Internet可以实现10～40Mb/s的带宽，下载速度可以轻松超过100kb/s，有时甚至可以高达300kb/s，用它可以非常舒心地享受宽带多媒体业务，而且Cable Modem可以绑定独立的IP。
接入网技术(第3版)微课视频版
第
5
章

电缆调制解调器接入技术

5.1.2双向HFC网络结构
典型的双向HFC网络由前端、干线和分配网及用户端设备组成，如图51所示。



图51典型的双向HFC网络结构


1. 前端
原先对前端的定义是进行电视信号处理的机房，在前端，设备完成有线电视信号的处理，从各种信号源（如天线、地面卫星接收站、录像机、摄像机等）解调出视频和音频信号，然后将音/视频信号调制在某个特定的载波上，这个过程称为频道处理。被调制的载波占用8MHz的带宽，载波频率有国家标准规定，一路电视信号就是一个频道。在前端多个这样的不同频率的载波被混合，混合的目的是将各信号在同一个网络中复用（频分复用）。
开展数据业务后，前端设备中又加入了数据通信设备，如路由器、交换机等。
数字前端的主要设备之一是电缆调制解调器前端系统即CMTS(Cable Modem Termination System)。它是管理和控制用户Cable Modem的设备。
2. 干线
正向信号（有线电视信号载波和下行的数据载波）在前端混合后送往各小区，如果小区离前端的距离很近，直接用同轴电缆就可以传送，在主干线路上的同轴电缆线路叫作干线。干线一般采用低损耗电缆，但一般300m左右的距离就需要加入放大器。
如果小区离前端较远，如5~30km，这样的距离传送就需要采用光传输系统。请注意这里所讲的光传输系统不是指PDH或SDH，而是模拟的光传输系统，模拟光传输系统相对于数字传输系统，要求光端机有较高的发射或接收功率，以保证长距离传输后仍能使信号具有较高的载噪比。光传输系统的作用是将射频信号（RF）调制到光信号上，在光纤上实现远距离传输，在远端光节点上从光信号中还原出RF信号。光传输系统中的光发射机一般放置在前端机房，光接收机放置在小区。对于传输距离特别远的线路，可以在线路中加中继，将光信号放大后再续传。
有些HFC网络为了节约资金，在光传输系统或主干线下还使用支干线传输，支干线用的同轴电缆一般较主干线同轴电缆稍小，损耗稍大，但成本要低。
反向信号（上行的数据载波信号）的传输路径与正向信号相反。各用户的上行数据载波信号在远端光节点上汇聚后，调制到反向光发射机，从远端光节点传送到前端机房，在前端机房从反向光接收机还原出RF信号，送入CMTS。
3. 分配网及用户端设备
用户分配网不仅完成正向信号的分配，还完成反向信号的汇聚。
正向信号从前端通过干线（光传输系统或同轴电缆）传送到小区后，需要进行分配，以便小区中各用户都能以合适的接收功率收看电视，从干线末端放大器或光接收机到用户终端盒的网络就是用户分配网，用户分配网就是一个由分支分配并串接起来的一个网络。
各用户的上行数据信号在Cable Modem中被调制，上行数据载波信号沿着正向信号相反的路径汇聚到光站上。分支分配器的输出输入端口具有互易性，对正向信号起分支分配的作用，对反向信号起混合汇聚的作用。尽管上行数据载波信号从用户端到光站的线路与下行载波信号从光站到用户的线路相同，但由于下行信号工作在高端频率，上行信号工作在低端频率，在同轴电缆上的损耗不同而使两者在同样的线路上损耗不一致。
用户为获取多种业务服务(主要是双向通信)，除了上面的网络设备外，用户必须增加一个网络接口单元(NIU)，连接机顶盒(STB)或电缆调制解调器（Cable Modem)。根据网络提供的服务决定其由哪些设备组成，它不仅允许用户接入网络，而且可以建立与前端交换机接口连接的信令与通道等。NIU一端连接室外的同轴电缆，在室内连接用户终端、电视机、计算机和电话机等。
5.1.3HFC频谱划分
目前，各国对HFC宽带综合服务网的频谱配置还未取得完全的统一。频率的上端北美和欧洲均取为860MHz，上行频道的规定则有所不同。美国为42MHz，欧洲为65MHz。我国的有线电视系统的频率配置如表51所示，但还未成为正式标准发布。
HFC网络中既有模拟信号又有数字信号，两类信号的处理方法是完全不同的。各种图像、数据和语音信号需通过调制解调器调制后在同轴电缆上同时传输，因此合理的频谱划分是十分重要的。
实际上，HFC网络主要采用频分复用方式,整个系统由两部分通道按频分方式混合而成。在表51中，从R波段至Ⅱ波段这一部分为模拟信号通道以模拟电视信号为代表,当然还包括FM声音等； 而在表51中最下面的B波段和C波段这一部分为数字信号通道,这部分信号在前端下行光发射机前与模拟信号进行数模混合，在用户终端系统中于下行光接收机后进行数模分离，然后送往Cable Modem，最后送到各种终端设备。


表51有线电视系统的频率配置



波段频率范围/MHz业 务 内 容

R5~65上行多功能业务
X66~87保护带
FM88~108声音


续表


波段频率范围/MHz业 务 内 容

A1110~167电视
I167~223电视
A2223~463电视
Ⅱ470~550电视
B550~750下行多功能业务
C750~1000个人通信

5.1.4双向HFC网络的噪声问题
通过对宽带有线电视网络长期的运营，各有线电视运营商逐渐发现HFC网络电缆部分的树状拓扑结构是导致其上行通道噪声严重的主要原因。为此，对抗噪声干扰问题也成为设计建设HFC网络成功的关键。上行通道的噪声是由多种因素形成的，概括起来，影响HFC网络上行通道信号传输的主要因素可分网络结构噪声和系统入侵噪声两大部分。结构噪声是指反向通道各支路级联噪声叠加汇集到反向发射机入端形成的噪声，主要有基础热噪声、汇入点噪声、光端机噪声等； 入侵噪声是指一些随机的不规则的外界电磁波的侵入而形成的噪声，包括窄带信号干扰、脉冲噪声干扰、本地特有信号干扰等。在上行通道，同轴电缆部分处于一个极其复杂的电磁环境，每种干扰都处于HFC网络的反向频段内，同时由于同轴电缆网上的放大器、分支器、分配器、同轴电线接头以及终端盒屏蔽连接不好等原因，造成回传信号受到严重的噪声影响。抗噪声问题成为一个世界性的难题。

目前，对于避免和抑制噪声的主要方法如下。
(1) 降低每个光节点下的用户数量，减小电缆分配网络的覆盖范围。
(2) Cable Modem选择采用抗干扰能力强的调制技术和纠错技术。
(3) 合理调整放大器的放大倍数。
(4) 选用屏蔽性能较好的电缆和连接器材，避免产生侵入噪声和脉冲噪声。
5.1.5HFC网络协议标准
为了规范HFC网络中数据传输设备的研制，从而保证由不同的厂商所开发的数据传输设备的一致性、兼容性、开放性以及通用性，HFC网络中数据传输设备的研制与开发必须遵循一定的国际标准。当前HFC网络的国际标准主要包括IEEE 802.14、DOCSIS等。
IEEE 802.14标准组织的着眼点在于音频、视频传输的服务质量保证方面,把数据都封装成ATM的信元来处理,核心交换技术用ATM技术来完成。在实际应用中，虽然802.14是由IEEE制定的国际标准，但是由于它迟迟没有定稿，人们对它的兴趣日益减少，IEEE 802.14工作组已于2000年停止工作。
1995年11月，多媒体有线电视网络有限公司（MCNS）,研究并颁布了他们自己的有线电视调制解调器系统标准，其目的是建立一整套协议以在HFC网络上进行高速双向数据传输，给用户提供Internet等服务，同时使各个厂家的 Cable Modem产品具有充分的互操作性。该组织于1997年3月颁布了HFC网络多媒体电缆网络中电缆数据业务接口标准（DOCSIS 1.0），这个标准在1998年3月初被ITU通过，成为国际标准ITUT J.112B。1999年，MCNS颁布了DOCSIS 1.1规范，该规范提高了服务质量、IP组播、传输安全和运营支持等性能； 2001年MCNS又颁布了DOCSIS 2.0规范，该规范主要引入了SCDMA技术，增强了上行抗干扰能力，实现了对称传输； 2006年，MCNS公布了DOCSIS 3.0规范，该规范着重加强了安全方面的性能，提高了信息的传输安全。MCNS制定的DOCSIS标准已经成为事实上的国际标准。目前，国际上大部分Cable Modem以及前端设备CMTS的研制工作都是基于DOCSIS规范的。
5.2Cable Modem系统工作原理
5.2.1Cable Modem系统构成

Cable Modem系统工作在双向HFC网络上，是HFC网络的一部分，该系统主要由两部分组成： Cable Modem前端系统CMTS(Cable Modem Terminal System)和用户端的设备Cable Modem。一台前端设备可为多个用户提供服务。Cable Modem系统构成如图52所示。


图52Cable Modem系统构成


1. Cable Modem 
Cable Modem与以往的Modem的工作原理相同，都是将数据进行调制后在Cable（电缆）的某个载波上传输，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，而Cable Modem是通过HFC网络中的某个传输频带进行调制解调的，Cable Modem属于共享介质系统。
Cable Modem不仅包含调制解调部分，还包括射频信号接收调谐、加密解密和协议适配等部分。
Cable Modem是用户通过HFC网络进行宽带接入的终端设备，它为用户端PC和HFC网络之间建立连接。电缆调制解调器与CMTS组成完整的数据通信系统，完成用户数据信息在HFC网络中的传输。
使用Cable Modem传输数据，利用的是HFC网络中的某一个频道。将HFC网络划分为3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。HFC网络的频段范围为5～860MHz，数字信号上传为5～42(65)MHz，模拟信号下载为50～550MHz，数字信号下载为550～860MHz。
为了实现Internet接入，有线电视公司一般从88~860MHz的电视频道中分离出一条6(8)MHz的信道用于下行传送数据。有线电视网采用模拟传输协议，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（电缆）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(正交调幅)调制方式，最高速率可达27Mb/s，如果采用256QMA，最高速率可达36Mb/s。上行数据一般通过5~42(65)MHz的一段频谱进行传送，为了有效抑制上行噪声积累，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10Mb/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。
Cable Modem的下行传输距离可以是100km，甚至更远。Cable Modem前端系统CMTS和所有的Cable Modem通信。当两个Cable Modem需要通信时，必须由CMTS转播信息。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，然后发送给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，然后本地计算机上的Cable Modem进行数据解密。
2. CMTS

CMTS是电缆调制解调器的前端设备，它能对终端设备Cable Modem进行认证、配置和管理，它还能为Cable Modem提供连接IP骨干网和Internet的通道。
CMTS一般安装在有线电视的前端或分前端机房，与路由器、交换机、本地服务器等网络设备构成HFC宽带接入系统的前端数据交换平台，为用户接入因特网提供出口和各种本地增值业务。作为与路由器和HFC网络之间的连接设备，CMTS拥有以太网接口和射频接口，并负责接口之间的数据转换。在下行方向，来自路由器的数据包在CMTS中被封装成MPEG2帧格式，经过64QAM或256QAM调制后，与有线电视的电视信号混合，送入HFC网络发送给各个用户； 在上行方向，CMTS将接收到的经QPSK或16QAM调制的数据进行解调，并将数据转换成以太帧格式传送给路由器。
3. Cable Modem的特点及其系统连接
Cable Modem产品与前端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，一台前端设备可同时为多个用户提供服务。系统的每个下行通道可支持500～2000个Cable Modem用户，工作时每个Cable Modem用户实时分析下行数据中的地址，通过地址匹配确定数据的接收。当用户数量较多时，下行数据量增大，每个用户的平均速度下降。例如，一个下行通道中有1000个用户，平均速度为40Mb/s/1000=40kb/s。这个速度是指每个用户同时下载数据的情况，实际传输中，系统可以动态分配带宽，使某个用户在很短的时间内，占用一切可用的带宽完成数据的下载。因此，平均速度只是一个最小数据。在前述情况中，每个用户的实际传输速度应为40kb/s～40Mb/s。
在上行通道中，数据传输速率比下行通道低，整个通道被分成多个时间片，每个Cable Modem根据前端设备提供的参数，确定使用相应的时间片。上行通道的带宽可根据所需的数据传输速率设定。在同样的带宽内，QPKS调制的速率比16QAM调制方式低，但其抗干扰性能好，适用于噪声干扰较大的上行通道，而16QAM调制适用于信道质量好且要求高速传输数据的场合。
在CMTS设备中，为了减小上行通道的干扰，一个下行通道一般对应多个不同频率的上行通道，CMTS根据信道的噪声状况自动跳频到干扰较小的通道，而用户察觉不到跳频的过程。
5.2.2Cable Modem工作原理
1. CM与CMTS的通信过程

CMTS(Cable Modem的前端设备)与电缆调制解调器(Cable Modem，CM)的通信过程为： CMTS从外界网络接收的数据帧封装在MPEGTS帧中，通过下行数据调制(频带调制)后与有线电视模拟信号混合输出RF信号到HFC网络，CMTS同时接收上行的信号，并将数据信号转换成以太网帧给数据转换模块。用户端Cable Modem的基本功能就是将用户计算机输出的上行数字信号调制成射频信号进入HFC网络的上行通道，同时，CM还将下行的射频信号解调为数字信号送给用户计算机。
2. 上行信道带宽的分配

在上行通道中，整个通道被分成多个小时隙（minislot)，每个上行信道被看成是一个由小时隙组成的流，CMTS通过控制各个CM对这些小时隙的访问进行带宽分配。CMTS进行带宽分配的机制是分配映射（Mapping,MAP)。MAP是一个由CMTS发出的MAC管理报文，它描述了上行信道的小时隙如何使用，如一个MAP可以把一些时隙分配给一个特定的Cable Modem，另外一些时隙用于竞争传输。每个MAP可以描述不同数量的小时隙数，最小为一个小时隙，最大可以持续几十毫秒，所有的MAP描述了全部小时隙的使用方式。带宽分配算法没有统一的标准，具体的带宽分配算法可由生产厂商自己实现。
1) 上行信道访问
CMTS根据带宽分配算法可将一个小时隙定义为预约小时隙或竞争小时隙，因此，Cable Modem在通过小时隙向CMTS传输数据时也有预约和竞争两种方式。Cable Modem可以通过竞争小时隙进行带宽请求，随后在CMTS为其分配的小时隙中传输数据。当Cable Modem使用竞争小时隙传输带宽请求或数据时有可能产生碰撞，为避免发生碰撞，Cable Modem采用截断的二进制指数后退算法进行碰撞检测。
2) 对服务类型的支持
每台Cable Modem除拥有一个48位的物理地址外，还有一个 14 位的服务标识（Service ID），并由 CMTS 分配，每个服务标识对应一种服务类型，通过服务标识在Cable Modem 与 CMTS 之间建立一个映射，CMTS根据这个映射为每台Cable Modem分配带宽，实现QoS管理。

3. Cable Modem与CMTS的交互

Cable Modem在加电之后，必须进行初始化，才能进入网络，接收CMTS发送的数据及向CMTS传输数据。Cable Modem的初始化是经过与CMTS的一系列交互过程实现的。Cable Modem的初始化过程如下。
1） 确定下行信道
一般Cable Modem都有一个存储器，存储上次的下行信道参数，Cable Modem首先对上次使用过的信道进行搜索，尝试获取存储的下行信道，如果尝试失败，Cable Modem扫描所有下行信道，寻找有效的下行信道。
2） 获取上行信道参数
Cable Modem在建立了与CMTS的同步后，Cable Modem必须等待一个从CMTS发送出来的上行信道描述符(UCD)，以获得上行信道的传输参数。CMTS周期性地传输上行信道描述符即UCD给所有的Cable Modem，Cable Modem必须从其中的信道描述参数中确定它是否使用该上行信道。若该信道不合适，那么Cable Modem必须等待，直到有一个信道描述符指定的信道适合它，若在一定时间内没找到这样的上行信道，那么Cable Modem必须继续扫描，直到找到另一个上行信道。在找到一个上行信道后，Cable Modem必须从信道描述符UCD中取出参数，然后等待下一个同步报文，并从该报文中取出上行小时隙的时间标记，随后，Cable Modem等待一个给所选择的信道的带宽分配映射，然后它就可以按照MAC操作和带宽分配机制在上行信道中传输信息。
3） 校准
Cable Modem在获得上行信道的传输参数后，就可以与CMTS进行通信了。CMTS会在MAP中给该Cable Modem分配一个初始维护的传输机会，用于调整Cable Modem传输信号的电平、频率等参数。另外，CMTS还会周期性地给各个Cable Modem发周期维护报文，用于对Cable Modem进行周期性的校准。
4） 建立IP连接
校准完成后，Cable Modem必须使用动态主机配置协议(DHCP)，从DHCP服务器上获得分配给它的IP地址。另外，DHCP服务器的响应中还必须包括一个包含配置参数文件的文件名，放置这些文件的TFTP服务器的IP地址、时间服务器的IP地址等信息。
5） 建立时间
Cable Modem和CMTS需要建立统一的日期和时间。Cable Modem采用IETF定义的RFC868协议从时间服务器中获得当前的日期和时间。RFC868定义了获得时间的两种方式，一种是面向连接的，另一种是面向无连接的。CMTS采用面向无连接的方式从TOD服务器获得Cable Modem所需的时间。
6） 建立安全机制
如果有RSM模块存在，并且没有安全协定建立，那么Cable Modem必须与安全服务器建立安全协定。安全服务器的IP地址可以从DHCP服务器的响应中获得。
7）　Cable Modem从CMTS处获取工作参数
Cable Modem必须使用简单文件传输协议TFTP从TFTP服务器上下载配置参数文件。
8） 注册
在获得配置参数后，CM将使用下载的配置参数向CMTS申请注册，当Cable Modem接收到CMTS发出的注册响应后，Cable Modem就进入了正常的工作状态。
5.3基于DOCSIS的Cable Modem
5.3.1DOCSIS协议层次结构

DOCSIS规定了关于CMTS和Cable Modem的参考模型，该参考模型结构是规定分层所需的模块，如图53所示。









应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层
WebEmailDHCP
NewsTODSNMP
传输层网络层数据链路层物理层



图53DOCSIS协议层次参考模型结构图

从图53协议层次结构图中可以看出，Cable Modem在网络协议方面与其他网络设备最大的差别在于物理层和介质访问子层MAC，更上面的LLC、IP及应用层等几乎是完全相同的，所以下面重点阐述物理层和介质访问子层MAC的结构和功能。
5.3.2DOCSIS的物理层
由于HFC网络上、下信道是分离的，DOCSIS详细定义了物理层上下行传输规范。Cable Modem的下行信道比较简单，它的格式主要是从已有的数字电视广播的标准中派生出来的。由于需要与现有的标准兼容，因此Cable Modem吸收了原标准中的所有的电气特性参数。Cable Modem上、下信道电气特性如表52所示。


表52Cable Modem电气特性



参 数 名 称下行参数值上行参数值

中心频率91~857MHz±30kHz5~42MHz
频道内功率-15~+15dBmV+8~55dBmV
调制方式64QAM、256QAMQPSK、16QAM
符号率5.056941MB/s(64QAM)
5.360537MB/s(64QAM)160、320、640、1280、2560KB/s

带宽6/8MHz200、400、800、1600、3200kHz
输入/输出阻抗75Ω75Ω
输入/输出回路损耗>6dB>6dB
接口F接头接头

DOCSIS协议规定下行信道物理层规范必须符合ITUT J.83规范。同时，由于下行信道优于上行信道，采用高效的64QAM和256QAM调制方式。采用QAM调制的下行信道的可靠性是由TIUT J.83B所提供的强大的FEC功能保证的，多层的差错检验和纠正及可变深度的交织能给用户提供一个满意的误码率。高的数据传输速率和低的误码率保证了DOCSIS的下行信道是一个带宽高效的信道。
DOCSIS的下行FEC包括可变深度交织、(128，122)RS编码、TCM和数据随机化等。在存在前向纠错（FEC)时，DOCSIS下行信道在64QAM调制C/N为23.5dB、256QAM调制C/N为30dB时应能提供相当于每秒3~5个误码。采用FEC的额外好处是允许下行数字载波的幅度比模拟视频载波的幅度低10dB，这有助于减轻系统负载并减少对模拟信号的干扰，但仍能提供可靠的数据业务。
采用交织的一个负面影响是它增加了下行信道的时延，好处是一个突发噪声只影响不相关的码元。从而当码元位置重新恢复为原来的顺序后，因为突发噪声没有破坏很多连续的相关码元，FEC能纠正被破坏的码元。交织的深度与所引起的时延有一个固有的关系： 交织越深，引入的传输延迟就越大。DOCSIS标准的最深交织深度能提供95ms的突发错误保护，代价是4ms的时延。4ms的时延对观看数字电视或进行Web浏览、Email、FTP等Internet业务来说是微不足道的，但是对于对端到端时延有严格要求的准实时恒定比特率业务(如IP Phone)来说，可能会带来一定的消极影响。可变深度交织使系统工程师能在需要的突发错误保护时间与业务所能容忍的时延间进行折中选择。交织深度也可由CMTS根据RF信道的情况进行动态控制。当然，随着光纤的延伸，线路质量可以得到很大的改善，采用浅交织是必然的。
上行数据首先需要进行分块，块的大小是由CMTS指定的，最小为16B。数据然后依次进行FEC编码(采用ReedSolomon编码)。为使线路保持一定程度的0、1交替状态,以便于接收端提取同步时钟，需要对传输码流进行加扰，加扰以后插入一定长度的先导码。先导码的作用是训练接收端调整自适应线路参数并提取同步时钟。接下来的工作就是对传输码进行整型并调制，调制方法是由CMTS指定的，一般为QPSK或16QAM两种。16QAM的信道利用率比QPSK高，但QPSK的抗干扰性更好。
上行信道的频率范围为5~42MHz。DOCSIS的上行信道使用FDMA与TDMA两种接入方式的组合，频分多址（FDMA)方式使系统拥有多个上行信道，能支持多个Cable Modem同时接入。标准规定了Cable Modem时分多址(TDMA)接入时的突发传输格式，支持灵活的调制方式、多种传输符号率和前置比特，同时支持固定和可变长度的数据帧及可编程的Reed Solomon块编码等。DOCSIS灵活的上行FEC编码使系统经营者能自己规定纠错数据包的长度及每个包内的可纠正误码数。在以前的Cable Modem系统中，当干扰造成一个信道有太多的误码时，唯一的解决方法是放弃这个频率而将信道转向一个更干净的频率。尽管DOCSIS系统也能工作于这种方式，但灵活的FEC编码方式使系统运营者仍能使用这个频率，而只动态地调节该信道的纠错能力。尽管为纠错而增加的少量额外字节会使信道的有用信息率有所降低，但这能保证上行频谱有更高的利用率。
5.3.3DOCSIS的传输会聚子层

传输会聚子层能使不同的业务类型共享相同的下行RF载波。对DOCSIS来说，TC层是MPEG2。使用MPEG2格式意味着其他也封装成MPEG2帧格式的信息(语音或视频信号)可以与计算机数据包相复接，在同一个RF载波通道中传输。
MPEG2提供了在一个MPEG2流中识别每个包的方式。这样，Cable Modem或机顶盒(STB)就能识别出各自的包。这种方式依赖于节目识别符(PID)，它存在于所有MPEG2帧中。DOCSIS使用0xlFFF作为所有Cable Modem数据包的公共包识别符(PID)，DOCSISCM将只对具有该PID的MPEG2帧进行操作。
另外，MPEG2还提供了一种便于同步的帧结构，如图54所示。188B的MPEG2帧起始于一个同步字节，搜索这个以一定的不太长的时间间隔重复出现的MPEG2同步字节就能很容易地完成该信道的帧同步。


图54MPEG2帧格式


一个MPEG2由长为4B的头部和载荷（184B）组成。4B的头部包括13b的PID值以及同步字节等。
5.3.4MAC子层
由于在有线电视网络中，采用介质共享传输方式，多个用户可能在同一时间向网络传输数据，这样就存在数据碰撞的问题。为了解决这一问题，在DOCSIS标准中定义了一个发送MAC层。MAC层处于上行的物理层（或下行的传输汇聚子层）之上，链路安全子层之下。MAC协议的主要特点之一是由CMTS给CM分配上行信道带宽。上行信道由小时隙流构成，在上行信道中采用竞争与预留动态混合接入方式，支持可变长度数据包的传输以提高带宽利用率，并可扩展成支持ATM传输。具有业务分类功能，提供各种数据传输速度，并在数据链路层支持虚拟LAN。
尽管DOCSIS定义的上下行物理层结构有所不同。但是，上下行的帧结构在MAC层是统一的，MAC帧的长度是可变的，在MAC帧之前是PMD子层开销（上行）或者MPEG传输会聚标头（下行）。MAC帧的第一部分是MAC标头，唯一说明了帧的内容，标头后面是可选的PDU的数据区域。MAC标头格式如图55所示。



FC
（帧控制）MAC参数LEN
（帧长）NCS
（EHDR）包PDU
（检验序列）

图55MAC标头格式

根据MAC结构中所包含信息种类的不同，MAC帧可以分成MAC数据包帧，MAC管理帧和ATM Cell帧。现行服务主要是基于IP的，对ATM的支持主要是为将来做准备。
对于数据包类型的MAC而言，MAC层只是在上层协议之前加了一个帧头，而无须对上层协议的帧结构做任何的修改和解释。这对于提高数据的传输吞吐量是非常有好处的。因此，DOCSIS协议对于IP数据包的封装转发是非常高效的，这就是DOCSIS在数据业务中被广泛采用的原因。MAC管理帧格式是DOCSIS的一个主要部分。通过CMTS与Cable Modem之间的MAC管理信息的交流。使得CMTS能够掌握所有Cable Modem的运行状态，从而实现对网络的管理。
主要的MAC管理类型如下。
 SYNC Timing Synchronization： 同步消息。
 UCD： 上行信道描述。
 MAP Upstream Bandwidth Allocation： 上行带宽分配。
 RNGREQ： Ranging 请求。
 RNGRSP： Ranging 响应。
 REGREQ： 注册请求。
 REGRSP： 注册响应。
 UCCREQ： 上行信道改变请求。
 UCCRSP： 上行信道改变响应。
 BPKMREQ： 密钥管理请求。
 BPKMRSP： 密钥管理响应。
Cable Modem在第一次开机向CMTS自动登记时，主要是以上管理信息之间的交流。当Cable Modem随机锁定某个下行信道后，会自动搜索UCD信息。UCD是CMTS描述所有上行信道并周期性地在下行信道中广播。Cable Modem提取UCD信息后锁定第一个可用上行信道，然后Cable Modem在下行信道中搜索MAP信息，MAP是CMTS用来管理共享资源，协调各个用户Cable Modem避免数据碰撞。MAP描述将来的一段时间内，分配给用户Cable Modem的时间和长度，它还包括一个竞争区间。Cable Modem分析MAP后，在竞争区间发送一个时延校对REGREQ。CMTS收到请求后，在下行通道中发一个应答REGRSP，并在应答的数据包中加入信道自适应参数、时延偏移量和发送功率等信息。Cable Modem收到后对自身做相应的调整，并在下一个竞争区间发送注册请求REGREQ。CMTS如果确认则发REGRSP予以注册。
在正常的数据传送阶段，Cable Modem在竞争区间发送请求。如果一定时间内没有收到CMTS的应答则表示发生碰撞，Cable Modem就会在下一个竞争区间重发请求。如果CMTS收到请求就会在下一个MAP中分配相应的时间小片给CM用以传输数据。
CMTS周期性地向Cable Modem广播自己的时间，由于CMTS的时钟精确度达到5μs以上，而Cable Modem的本地时钟精确度通常只有50μs，为了使Cable Modem的时钟能够与CMTS同步，CMTS通过周期性地向Cable Modem广播自己的时间让Cable Modem有机会校正本地时间来达到同步的目的。
5.3.5数据链路加密子层
DOCSIS协议1.0中涉及安全问题的规约就有安全系统接口规约(Security System Interface specification,SSI)、基本保密接口规约(Baseline Privacy Interface specification,BPI)和可拆卸安全模块接口规约(Removable Security Module Interface specification,RSMI)三种。SSI根据对HFC网络潜在的安全威胁及传送信息价值的评估和权衡，首先确定了一组具体的安全需求，即系统的安全模型和可提供的安全服务； 其次根据确定的安全要求选择并设计了合理的安全技术和机制，以期用很小的代价提供尽可能大的安全性保护。其安全体系结构包含基本保密（Baseline Privacy)和充分安全（Full Secret)两套安全方案。基本保密方案提供了用户端Cable Modem和前端CMTS之间基本的链路中加密功能(由BPI定义)，其密钥管理协议(BPKM)并未对Cable Modem实施认证，因而不能防止未授权用户使用“克隆”的Cable Modem伪装已授权用户； 而充分安全方案利用一块PCMCA接口的可拆卸安全模块RSM满足了较完整的安全需求(其电气及逻辑功能由RSMI定义)。但RSM带来的Cable Modem造价上升和传输性能降低，使目前大多数有线电视系统运营商更青睐于Baseline Privacy方案。鉴于这种情况，1999年3月，Cable Labs除按期发布原DOCSIS 1.0版BPI的修订版之外，另颁布了新版V1.1中BPI的加强版BPI+，加入了基于数字证书的Cable Modem认证机制。
5.3.6DOCSIS 1.1协议
上面讨论的是DOCSIS协议的1.0版本，DOCSIS 1.1协议能够与DOCSIS 1.0协议协同使用； 它为多种服务如语音和流控制提供了增强的 QoS，并在 DOCSIS 1.0的基础上提高了安全性和更快的上行数据传输（平均为10Mb/s）能力。
1. QoS
DOCSIS 1.1 QoS的扩展将给协议引入几个新的概念： 包分类、数据流识别、业务种类、动态业务分配和数据流调节等。这些扩展将支持在DOCSIS电缆数据系统中给不同的数据提供不同的服务等级。也就是说，对特定的数据流将根据类型、源、目的等给予不同的优先级。
DOCSIS 1.1对同一Cable Modem上的不同业务都有保证其QoS的办法。
(1) 数据包的分类基于数据源、数据目的地和数据类型等。它作用于每个输入电缆网络的数据分组。数据包分类后，就被加到业务流中去。
(2) 业务流是有一定的QoS保证的单向的数据分组流。每个业务流由一组QoS参数来描述，包括时延、抖动、吞吐量保证等。这些参数可以通过逐项设定或指定一业务类名(Service Class Name)来确定。
(3) 动态业务分配是为了能动态地产生和删除业务流，保证网络正常运行。由于Cable Modem具有多种业务流，这样Cable Modem就可以对不同类型的Internet业务区别对待。也就是特定的业务流可以根据其类型、数据源、目的地等不同，具有相应的优先级。总之，DOCSIS 1.1提供QoS保证的基本机理同IPv6的流标记(Flow Label)功能较为相似，即在射频接口上由MAC层协议将需要相似路由处理的一系列数据分组都映射到同一业务流(Service Flow)中，再按一定算法对所有业务流进行调度，并结合流量整型(shaping)、策略(policy)、设定优先级(prioritizing)等措施来确保QoS。
2. MAC层分段
为了实现有差别服务，QoS已经做了很多努力。但是，在负载很重的有线电视网络上，单独依靠QoS保证各种业务还不够。这是因为上行信道被许多用户共享，当上行数据量很大时，就很有必要限制数据包的大小，这样CMTS才能保证给那些有服务优先级的Cable Modem发送数据的机会，使DOCSIS 1.1能在共享信道上同时传送同步(synchronous)的话音数据和其他对时延不敏感的数据。为了限制上行数据包的大小，MAC层分段机理允许CMTS发个指令给Cable Modem，使Cable Modem把大的上行数据包分解成许多小的数据包，每个小的数据包具有各自的传输时间，这样CMTS就有更大的灵活性安排其他Cable Modem的上行数据。
3. 增强了IP组播
DOCSIS 1.1能有效支持网络群组管理协议(Internet Group Message Protocol，IGMP)和相关的IP组播业务组播的数据包仅被发送一次，但可以被多个用户接收。由于它们仅被发送一次，因此它们所占用带宽的资源比它们被分别发送给各个用户时要小得多。可以用IP组播方式传输的业务有音频、视频、股票自动收报、新闻和天气预报等。IGMP是支持IP组播的协议，DOCSIS 1.1规定了用户如何实现IP组播业务的规范，以及Cable Modem如何实现这些要求。
4. BPI+协议
BPI+协议包括封装协议和BPKM协议两部分。封装协议描述的是携带加密数据包PDU的MAC帧格式、所支持的密码技术及应用这些算法规则。BPKM协议规定了Cable Modem由CMTS获得授权和会话密钥资料的规程，并支持定期地重授权和更新密钥。BPI+除了支持可变长PDU加密外，还支持对分段MAC帧的加密。为支持分段上行MAC帧，DOCSIS 1.1将信头元素扩展1字节，定义为分段控制域。
BPI+共采用了授权密钥AK、会话密钥TEK和密钥加密、密钥KEK三级密钥。CMTS与Cable Modem之间授权密钥AK的交换实现了CMTS对Cable Modem的身份认证和访问控制。Cable Modem为其业务向CMTS申请授权，CMTS通过X.509证书核实Cable Modem是否被授权该业务，并标记为SA和分发相应的授权密钥。这样，CMTS便可确保每个Cable Modem只能访问它授权访问的SA了。会话密钥TEK用于加密通信双方的会话。传送TEK时使用的则是密钥加密密钥KEK和3DES算法。Cable Modem使用BPKM协议向CMTS申请SA的密钥资料； CMTS确保每个Cable Modem只能访问它授权访问的SA。BPI+定期的密钥更新(更新TEK)和重授权(更新授权密钥)不仅确保了通信的安全，同时完成着访问控制的任务。加密数据包时采用的单钥体制与传送密钥时的双钥体制相结合，既保证了数据安全，又提高了加解密过程的速度。
与BPI比较，BPI+增加了X.509 V3数字证书认证Cable Modem与CMTS的密钥交换，核实Cable Modem标识符与Cable Modem公钥间的绑定。数字证书不仅能够认证Cable Modem身份的真实性，还能保护RSA公钥的真实性。防范非法用户不能篡改或替换Cable Modem的公钥，从而截取他人的信息，甚至使用合法用户Cable Modem的克隆直接欺诈CMTS的服务。唯一算法上的改动是将原传送TEK时ECB方式的DES算法改进为EDE方式或加密脱密加密方式的3DES算法。BPI+要求Cable Modem在申请授权时就与CMTS商定其Security Capabilities Selection，即通过SA参数中包含的密码系统标识器(Cryptographic Suite Identifier)说明SA所使用的加密及认证算法。因而很好地实现了BPI+协议向前向后的兼容。其他的改进： 新增了分段MAC帧的Baseline Privacy，以支持新的带有QoS的业务； 将SA分为基本、静态和动态3种类型，并专设SAID用于标识SA和加入SA映射状态机； 以及在授权状态机中加入静默状态等，这一切举措都使得Baseline Privacy的密钥管理显得更为严密了。
5.3.7DOCSIS 2.0简介
DOCSIS 2.0是专门针对有线电视网络产业所关注的受容量限制和易受噪声侵害的上行而设计的。它基本上建立在DOCSIS 1.1的基础之上，通过实现对两种物理层(PHY)技术的支持而完成的，这两种技术分别是同步码分复用(SCDMA)和高级时分复用(ATDMA)。
两种DOCSIS版本之间主要的不同存在于物理层(PHY)，而与之相关的DOCSIS MACP/PHY接口(DMPI)和管理信息库(MIB)也稍有不同。基于DOCSIS 2.0的CMTS和Cable Modem必须支持两种PHY的运行。SCDMA和ATDMA都提供大体上相同的数据速率，但是它们在处理数据的方式和降低噪声干扰方面采用了不同的方法。
ATDMA在基本结构和原理上与DOCSIS 1.0/1.1中的TDMA有点类似,而SCDMA则是完全不同的一种传输技术,在此只对SCDMA技术进行比较全面的介绍。
SCDMA是直接序列扩频(DSSS)通信的一种，专门设计用于在电缆网络上提供更强的抗干扰能力。DSSS最早是由军方开发的，用以抵抗噪声、增强安全性并降低干扰影响的传输技术。DSSS的每个数据符号在发射机端与伪随机序列码(码片序列)相乘，从而“扩展”到较宽的频谱之上； 在接收端，同样的伪随机序列码被用来检取出原始信号。在多个数据流同时传输时，每个数据流分别用它们各自的伪随机序列码相乘。DSSS技术可以使许多个用户共享同一频谱，这些用户通过各自不同的伪随机序列码来区分自己的身份，这种复用技术称为直接序列扩频技术(SCDMA)。
SCDMA使用了一套相位对齐的正交码以维持同步，减少并发用户之间的干扰。SCDMA对多个用户进行同步处理来共享同一上行信道，使得多个调制解调器能够同时发送数据。
SCDMA带来的一个优势是每个数据符号在时间上被展宽了，因此每个发送符号抗脉冲噪声的能力也增强了。对时间同步的严格要求降低了每次发送对前导数据的要求，从而增加了对回传通路的使用效率。虽然数据吞吐量与64QAMTDMA系统的数据吞吐量相当，但SCDMA实际上采用的是128QAM，额外的数据用于TCM。与增强的前向纠错(FEC)配合使用，获得了对加性高斯噪声(AWGN)的超强抵抗性能。而且，增强的信道均衡使得整个系统能够对上行信道中的相位和幅度畸变给予补偿。
5.3.8DOCSIS 3.0简介
2007年，DOCSIS 3.0正式发布。新标准至少从一开始就能将用户带宽提高到下行160Mb/s、上行120Mb/s。这种显著的带宽提升足以满足处理大量高清(HD)多媒体应用的需求。此外，越来越多的有线电视运营商将从让它们与电信公司直接竞争的线缆语音（VoCable）业务中大量获利。另外，因特网协议电视(IPTV)也呼之欲出，并将最终成为更灵活、更有效、可扩展性更高的电视节目分配方法。所有这些业务都可通过 DOCSIS 3.0 的新一代技术来实现。
DOCSIS 3.0提高线速的关键是信道捆绑概念。3.0 版本主要建立在其前代 DOCSIS 2.0 的信道结构基础之上。将 DOCSIS 2.0 信道结构作为出发点对 DOCSIS 3.0 至关重要，因为这样可以确保与旧式设备的向后兼容性，而且随着技术不断向前发展还可实现异构网络，使 2.0 与 3.0 Cable Modem具备透明而高效的可互操作性。
DOCSIS 3.0 将 DOCSIS 2.0的6MHz物理信道组合或捆绑在一起，以实现带宽更高的逻辑信道。DOCSIS 3.0 采用速率为40Mb/s的4条或更多 6MHz DOCSIS 2.0物理信道（欧洲一般速率为 50Mb/s的8MHz信道），然后将它们捆绑为一条逻辑信道。捆绑在一起的信道无须连续，也不需要具有相同的性能参数，如线速、时延等。
DOCSIS 3.0 Cable Modem信道捆绑的最低级别是支持4条信道，但是任何数量的信道都可以在逻辑上捆绑在一起，以便根据需要部署高得多的带宽。例如，企业可以预订某项基于 8 条捆绑信道的 DOCSIS 3.0业务，从而提供下行数据传输速度达到320Mb/s的带宽信道。捆绑16条信道可以创建下行带宽达 640Mb/s的信道。信道捆绑概念固有的内在灵活性与可扩展性可为运营商提供极高精确度，使其能够在网络中需要的具体位置高效部署与配置相应带宽容量。
在下行模式中，当Cable Modem前端系统(CMTS)等网络处理节点通过逻辑上捆绑在一起的多条物理信道传输原有DOCSIS 2.0数据包时就可以实现DOCSIS 3.0信道捆绑。与根本上是通过一条信道连续发送一个MPEG传输流的DOCSIS 2.0下行数据传输不同，DOCSIS 3.0分组流通过多条物理信道组成的一条逻辑信道到达线缆调制解调器。由于每条物理信道可能具有不同性能参数，因而分组会不按顺序到达。例如，速度较慢的物理信道中的1号分组可能会在2号分组之后到达，因为2号分组是通过一条速度更快的物理信道传输的。调制解调器负责将来自多条信道的分组重新组合成一个分组流。
为了实现上述重新组合过程，DOCSIS 3.0规范在 DOCSIS 2.0分组报头中添加了多个新字段。这些新管理字段出于服务质量(QoS)考虑对分组进行优先级排序，建立序号并且为分组定义下行服务标识(DSID)。通过检验每个分组的序号，线缆调制解调器就可以确定分组在数据流中的正确顺序，并对不按顺序传输的分组进行重新排序。当然，如果分组不按顺序到达线缆调制解调器时会产生时延问题。延迟到达的分组会相应延误重新组合过程。DOCSIS 3.0定义调制解调器可以等待接收分组的最长时延为18ms。如果分组在18ms后仍未到达则宣布丢失。某些高级的调制解调器引入了能够进一步降低上述时延的算法，从而能够确保为 VoCable、IPTV 等时间关键型应用实现更高的服务质量。其中一种算法只要所有捆绑通道接收到后续分组（往往不到18ms）时就会宣布丢包。对于线缆调制解调器架构而言，降低时延是一种成本要素，因为在重新组合过程中时延越高调制解调器缓冲分组所需的内存就越大。
通过为特定应用细心分配捆绑包中的信道，可以避免网络中可能产生的时延。采用 DSID 报头字段的标题字段可以达到上述目的。例如，通过 DSID 报头信息可以为 IPTV 或 VoCable 等时间关键型应用分配三通道捆绑中具有相同性能特征（包括线速）的两条信道，从而可以确保分组按非常接近其正确顺序的顺序到达Cable Modem，同时将时延降至最低。另外，也可以将 VoCable 业务分配到一条信道，从而消除通道捆绑造成的所有失序分组和网络时延。相反，对于仅需要尽力而为的非时间关键型应用业务类型（如因特网接入）而言，可通过 DSID 字段信息将其分配到时延要求不高的捆绑中的所有信道。
对于从Cable Modem到网络中 CMTS 等处理节点的上行通信，DOCSIS 3.0中最新的信道捆绑技术消除了 DOCSIS 2.0固有的某些低效性。例如，DOCSIS 3.0采用了连续级联与拆分(CCF)概念。无论在 DOCSIS 3.0还是DOCSIS  2.0中，CMTS 都可以在网络中分配时隙（在 DOCSIS 术语中称为微时隙），以满足Cable Modem对补充带宽的请求。在 DOCSIS 2.0中，仅允许Cable Modem请求满足传输整个分组所需的递增时隙。因此，如果Cable Modem在上行通信队列中具有 100B的分组，则 DOCSIS 2.0要求该Cable Modem在整个100B分组得到批准之前不可以请求附加带宽。DOCSIS 3.0放宽了其中部分严格的限制，只要合理数量的带宽可用即允许传输数据。利用 DOCSIS 3.0 的连续拆分功能，如果带宽可用并得到 CMTS 的分配，就可以立即传输调制解调器通信队列中某个分组的部分数据。剩余数据随后在更多带宽空闲时发送。利用连续级联功能，一次传输可以合并多个分组的数据，从而能够提高带宽效率。
 DOCSIS 3.0 还包含一系列同样有助于逻辑信道捆绑和提高线速的其他概念，如上行业务组 ID 和业务 ID (SID) 串。不过，除了单纯针对性能的方面之外，DOCSIS 3.0 还具有多种部署与运营特性，不仅有助于有线电视运营商更有效地升级到此技术，而且还能创造更多的收入。
5.4Cable Modem的应用
5.4.1系统的基本构成

一个完整的HFC网络数据传输系统的体系结构如图56所示，主要由以下几部分构成： Cable Modem前端系统(CMTS)、用户端的Cable Modem(CM)、HFC网络以及网络管理、服务和安全系统。


图56基于Cable Modem宽带接入的数字有线电视系统应用



CMTS是整个系统的核心，它通常放在有线电视前端，通过10BaseT、100BaseT等接口与端交换设备相连，再通过路由器连至Internet； 或者直接连到本地服务器，享受本地业务的同时负责对各用户端Cable Modem的管理和交互工作。
DHCP服务器用于分配、管理和维护设备参数，如IP地址、子网掩码、网关、TFTP主机地址、配置文件名称、DNS地址、TOD地址等； Cable Modem在启动过程中必须与DHCP Server通信，否则Cable Modem将拒绝上线，重启其注册过程。
TFTP服务器通过简单文件传输服务，为Cable Modem提供配置文件及其升级文件下载。
TOD服务器遵照RFC868时间协议，进行Cable Modem和CMTS的时间校准。
5.4.2Cable Modem系统的配置、使用和管理
DOCSIS定义了完善的Cable Modem启动配置流程，在这个过程中，Cable Modem真正成为一个零配置的设备，所有的运行参数都是通过上电启动配置流程动态获取。这个定义使HFC网络终端成为可以管理的终端，对HFC接入的规模应用起到了非常重要的作用。
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信道，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)和小文件传送协议(TTFP)服务器的IP地址等。Cab1e 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。
每台Cable Modem在使用前，都需在前端登记，在TTFP服务器上形成一个配置文件。一个配置文件对应一台Cab1e Modem，其中含有设备的硬件地址，用于识别不同的设备。Cable Modem的硬件地址标识在产品的外部，有RF和以太两个地址，TTFP服务器的配置文件需要RF地址。有些产品的地址需通过Console接口联机后读出。对于只标识一个地址的产品，该地址为通用地址。
前端设备CMTS是管理控制Cable Modem的设备，其配置可通过Console接口或以太网接口完成。通过Console接口配置的过程与Cable Modem配置类似，以行命令的方式逐项进行，而通过以太网接口的配置，需使用厂家提供的专用软件。
CMTS的配置内容主要有下行频率、下行调制方式、下行电平等。下行频率在指定的频率范围内可以任意设定，但为了不干扰其他信道的信号，应参照有线电视的信道划分表选定在规定的频点上。调制方式的选择应考虑信道的传输质量。此外，还必须设置DHCP、TTFP服务器的CMTS地址、CMTS的IP地址等。
设置完成后，如果中间的线路无故障，信号电平的衰减符合要求，则启动DHCP、TTFP服务器，就可以在前端和Cable Modem间建立正常的信道。
一般地，CMTS的下行输出电平为50～61dBmV(110~121dBμV)，接收的输入电平为-16～26dBmV； Cable Modem接收的电平范围为-15～15dBmV； 上行信号的电平为8～58dBmV(QPKS)或8～55dBmV(16QAM)。上下行信号经过HFC网络传输衰减后，电平数值应满足这些要求。
CMTS设备中的上行信道接口和下行信道接口是分开的，使用时需经过高低通滤波器
混合为一路信号，再送入同轴电缆。实际使用中，也可用分支分配器完成信号的混合，但对CMTS设备内部的上下行信道的干扰较大。
在CMTS和Cable Modem间的上下行信道建立后，可使用简单网络管理协议(SNMP)进行管理。SNMP 是一个通用的网络管理程序，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SNMP中，才能管理相应的设备； 也可使用行命令的方式进行管理，但操作不直观，容易出现错误。
5.4.3HFC网络用户线接入方式
HFC网络用户线接入方式，大致有两种方法。第一种方法是多用户共享Cable Modem的HFC+CableModem+Hub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上网； PC的IP地址，通过头端DHCP服务器动态获得。第二种方法是同轴电缆入户，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Cable  Modem； PC的IP地址，可通过头端DHCP服务器动态获得。
5.5本 章 小 结
本章介绍了Cable Modem的接入技术,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。Cable Modem不仅包含调制解调部分，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。
目前,Cable Modem主要存在两种不同的标准,MCNS的DOCSIS及IEEE 802.14。由于DOCSIS标准的成熟性、完成性和商用化程度都较好，已经成为事实上的国际标准。
在中国，有线电视网络是三大有线网络之一，其余两个是电话网和电力线网。采用Cable Modem在有线电视网上建立数据平台，已成为有线电视事业发展的必然趋势。可以相信，未来Cable Modem一定大有作为。或许它并不是最好的，但它一定是不可替代的。
复习思考题
一、 单项选择题
1. 双向HFC网络由前端、干线、()和用户端设备组成。

A. 中端B.  后端C.  分配网络D.  以上都不是
2. 在HFC网络中，数字前端的主要设备之一是()。
A. CMTSB.  CMC.  NIUD.  STB
3. 在双向HFC网络中，如果小区离前端较远，如5~30km，就需要()。
A. PDHB.  SDH
C.  数字光传输系统  D.  模拟光传输系统
4. 在双向HFC中，入侵噪声包括()、脉冲噪声干扰和本地特有信号干扰。
A. 宽带信号干扰 B. 窄带信号干扰 
C. 连续信号干扰 D.  周期信号干扰
5. 在有线电视系统的频率配置中，上行多功能业务使用() 波段。
A. A1B.  A2C.  FMD.  R
6. HFC的国际标准包括()。
A. IEEE 802.14B.  DOCSIS 1.0 C.  DOCSIS 2.0D.  以上都是
7. 在Cable Modem系统中，下行数据通常采用() 调制方式。
A. 16QAMB.  64QAMC.  256QAMD.  QPSK
8. 在Cable Modem系统中，每个下行通道可支持() 个用户。
A. 100~500B.  100~1000C.  100~1500D.  500~2000
9. 在Cable Modem的工作原理中，初始化过程共包括() 个步骤。
A. 5B.  6C.  7D.  8
10. 在基于DOCSIS的Cable Modem系统中，上行信道的频率范围是()MHz。

A. 2~42B.  3~42C.  4~42D.  5~42
11. 在DOCSIS的传输会聚子层中，MPEG2帧的有效载荷长度为()。
A. 182BB.  183BC.  184BD.  185B
12. 在MAC子层中，MAC协议的主要特点之一是由() 分配上行信道带宽。
A. 分配器给CMB.  混合器给CMC.  CM给CMTSD.  CMTS给CM
13. 在DOCSIS2.0协议中，对物理层的支持是() 技术。
A. CDMA和TDMAB. TCDMA和STDMA
C. TCDMA和ATDMAD. SCDMA和ATDMA
14. 在DOCSIS 3.0中，信道捆绑的最低级别是支持() 条信道。
A. 2B.  3C.  4D.  5
15. 在DOCSIS 3.0中，调制解调器可以等待接收分组的最大时延为()。
A. 12msB.  16msC.  18msD.  24ms
16. 在Cable Modem技术中，TOD服务用于Cable Modem与CMTS的()。
A. 注册过程B.  信道分配C.  网络管理D.  时间校准
17. 在Cable Modem系统中，CMTS的配置内容主要是()。
A. 下行频率B.  下行调制方式C.  下行电平D.  以上都是
18. ()服务器用于分配、管理和维护设备参数，如IP地址、子网掩码、网关、TFTP主机地址、配置文件名称、DNS地址、TOD地址等。
A. FTPB.  TFTPC.  DHCPD.  DNS
19. 在DOCSIS 2.0技术中，SCDMA实际上采用的是() QAM都具有明显的优势。
A. 16B.  32C.  64D.  128
20. DOCSIS 3.0的新标准将用户带宽提高到()。
A.  下行80Mb/s、上行60Mb/s
B. 下行160Mb/s、上行120Mb/s
C. 下行240Mb/s、上行120Mb/s
D. 下行480Mb/s、上行160Mb/s
二、 填空题
1. 典型的双向HFC网络可为3个主要部分，由、和组成。
2. DOCSIS协议规定下行信道物理层规范必须符合ITUT J.83规范。同时，由于下行信道优于上行信道，采用高效的和调制方式。
3. DOCSIS的上行信道使用与两种接入方式的组合，频分多址(FDMA)方式使系统拥有多个上行信道，能支持多个Cable Modem同时接入。
4. BPI+协议包括协议和协议两部分。
5. BPI+共采用了、、三级密钥。
6. 2007年，DOCSIS 3.0正式发布。新标准至少从一开始就能将用户带宽提高到下行、上行。
7. DOCSIS 3.0 将 DOCSIS 2.0的组合或捆绑在一起，以实现带宽更高的逻辑信道。
8. 一个完整的HFC网络数据传输系统主要由、、、服务和安全系统构成。
9. DHCP服务器用于分配、管理和维护设备参数，如、、、、、、等。
10. Cable Modem加电工作后，首先自动搜索前端的，找到后，从下行数据中确定，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)和小文件传送协议(TTFP)服务器的IP地址等。
三、 简答题
1. HFC网络的结构以及优点是什么？
2.  Cable Modem系统结构、Cable Modem和CMTS的功能。
3. 简述Cable Modem的工作原理。
4. Cable Modem的标准有哪些？目前被广泛采用的是哪个？
5. 简述DOCSIS物理层和MAC层主要功能。
6. Cable Modem系统是如何实现上行信道的带宽分配和管理的？