基于DOCSIS1.1的新一代CableModem

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摘要：以Broadcom公司生产的Cable Modem专用芯片BCM3345为基础，开发了一种基于DOCSIS1.1的高性能Cable Modem产品实现方案，同时给出了该方案硬软件的具体实现方法，并设计搭建了相应的调试平台。该方案采用CMOS TUNER设计，相比以前同类设计，结构更简单，成本也大大降低。

    关键词：电缆调制解调器 宽带接入网 混合光纤同轴电缆网络 媒体接入控制

现场通信网络的光纤化、数字化不断发展与成熟，其主干网基本实现了光纤宽带化和数字化，容量有了新的突破，已能够满足当前多媒体信息传输的宽带、实时、高速的要求。然而，因为技术和成本的原因、为广大用户提供接入服务的接入网，大部分却还处于传统的铜缆双绞线接入方式，远远不能满足人们对日益增长的Internet业务的需求。因此，寻找一种可以的宽带接入网就成为当前网络研究中的一个热点问题。混合光纤同轴（HFC）网络作为目前唯一的宽带入户网络，其真正的宽带介质和独特的网络结构，具有不可替代的优势。

1 HFC接入网

1.1 HFC网络介绍

混合光纤同轴网（HFC）的概念最初由贝尔实验室提出。它的基本特征是在目前有线电视网的基础上，以模拟传输方式综合接入应用模拟和数字传输技术、光纤和同轴电缆技术、网络技术等多种业务信息。HFC网具有速度快、收费低廉、永久连接、覆盖范围广等优势，且能同时支持目前的模拟和数字服务，可以平滑过渡到今后的光纤到户和全数字化服务。它是光纤逐步推向用户的一种新的发展策略。

HFC网络主要采用Cable Modem技术来实现数据传输。一个Cable Modem系统由局端的中心设备CMTS（Cable Modem Terminal System即Cable Modem终端系统）和用户端的CM（Cable Modem）两部分设备组成，构成了一个网络桥接设备，主要用来实现以太网与HFC网络在媒体访问控制（MAC）层的桥接以及IP网络层的路由功能。其他的一些管理功能（如频谱管理，软件下载等）则加载到IP上。

1.2 HFC网络协议标准

为了约束HFC网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，Cable Modem的研制与开发必须遵循一定的国际标准。当前HFC网的国际标准主要包括IEEE802.14、DOCSIS、DAVIC等。其中DOCSIS规范相对来说比较完善，实现起来较为灵活，已经成为HFC领域应用最广泛的国际标准。目前国际上大部分CM以及前端设备CMTS的研制工作都是基于DOCSIS规范的。本文所讨论的Cable Modem的开发工作就是在DOCSIS1.1规范的基础上所展开的。

DOCSIS标准由MCNS组织制定。对Cable Modem的各种接口、操作方式及网络管理、安全控制等方面给出了详细的规定。与IEEE802.14不同，MCNS从市场的角度出发，充分考虑如何做到最小的投资和最短的产品周期，在MAC层协议规范上采用了基于IP的可变长度分组包方案，为用户提供IP透明的数据传输。并可同时与ATM兼容，从而使网络的灵活性大大提高。
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2 Cable Modem的实现方案分析

2.1 Cable Modem协议堆栈

电缆调制解调器（CM）作为HFC网中用户端的终端设备，其主要作用除了调制解调外，还在用户和HFC网络端之间起信息传递的桥梁作用。CM接收并处理HFC网前端设备CMTS发送过来的各种数据以及管理信息，并将相应的数据信息传送给与此CM相关连接的用户应用设备CPE（Customer Premises Equipment），同时负责将CPE中的信息转化为HFC网络中的帧格式传送到前端。图1中说明了CM的协议堆栈[1～2]。

由图1可以看出，CM对于HFC网中所传递的数据的处理工作大部分都是在IP层以下进行的，而对于IP包中所包含的具体内容则一般不做处理。左右两部分的接口协议，分别对应了与HFC网的协议（DOCSIS1.1）以及与CPE相连网络的协议（IEEE802.3以太网协议）。通过CM的桥接功能使得两部分协议之间可以进行相互转换。

在与HFC网相连接的一侧，物理层的协议分为处理上行信道物理层信号的协议模块Upstream Cable PMD（Physical Media Dependent）和处理下行信道物理层中信号的协议模块DS TC Layer(Downstream Transmission Convergence Sub-layer)、Cable PMD两大部分。其中Upstream Cable PMD的主要功能是对MAC层所传来的MAC信息进行信道编码和调制，转化为中频信号，送入HFC网的上行信道中进行传输。下行Cable PMD的主要功能是将在下行信道中接收的射频信号转化为MPEG2码流形式的数字基带信号，然后由DS TC Layer负责对MPEG2的包进行分解，恢复HFC网络的MAC帧，向上送到MAC层。

Cable MAC模块对应HFC网中的MAC层协议，主要功能是解决HFC上行信道中的时隙竞争、冲突解决、带宽管理等问题，组织网络中的数据传输，使HFC网的网络资源得以充分利用。

Link Security的主要功能是对网络中传递的用户数据加密，保证传递信息的安全性。

由前端CMTS传送来的一些专门针对CM的高层管理信息，包括SNMP、TFTP、DHCP协议的信息，都位于IP层以上。CM要对这些信息的IP包在IP层以上进行进一步处理，其协议栈中就要包含有IP的协议模块。而对于CPE的数据信息，在与HFC网相连的一侧CM只处理到数据链路层为止，

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