CN1131603C - 宽带多媒体业务的有线接入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽带多媒体业务的有线接入方法，首先对用户终端发出的有效数据处理后在同轴电缆上传输，对物理线路上的上行信号中继，头端接收上行数据比特流，然后使头端的数据在物理线路中发送，对上下信号中继，用户终端接收下行数据比特流，建立用户终端和头端的链路层连接，使用户终端链路层数据发送和接收，最后头端接收和转发用户终端发送的链路层数据。本发明的方法可为用户提供廉价、方便的宽带多媒体信息服务。
Description
技术领域
本发明涉及宽带多媒体业务的有线接入方法，属于通信技术领域。
背景技术
随着宽带多媒体业务的不断增长，以较廉价和实用的技术实现宽带入户，即最后一公里问题，是人们普遍关心的问题。通过有线电视(CATV)电缆(Cable)接入宽带多媒体数据业务的方法因现有有线电视网覆盖面广、带宽资源丰富、易于改造等优点而受到广泛关注。
现在大多数有线接入网(CATV)是由光线、同轴混合组成的双向网络(HFC网，即Hybrid Fiber/Coax Network)，可用于各种交互式的网络多媒体业务，如图1.所示。从用户终端(T)到同轴电缆头端(H)的传输方向称为上行，从同轴电缆头端(H)到用户终端(T)的方向称为下行。有线电视网的传输频带约0-860MHz，其中低端频率用于上行，高端频率用于下行信号传输。典型的频谱分配方式如表1、表2所示。如何利用有线电视网的双向传输能力，高效地传输交互式多媒体业务，并采用有效的机制，将有线电视网与公网(电话网、互连网)结合起来，为用户提供廉价、方便的宽带多媒体服务，是通信界正在极力探索和解决的问题。
表1现有的上行频谱分配
| 地区 | fmin | fmax |
| 北美 | 5MHz | 42MHz |
| 欧洲 | 5MHz | 65MHz |
| 日本 | 5MHz | 55Mhz |
表2.现有下行频谱分配方式
| 地区 | fmin | fmax |
| 北美 | 88MHz | 860MHz |
| 欧洲 | 110MHz | 862MHz |
| 日本 | 90MHz | 770Mhz |
现有的宽带多媒体业务的有线接入方法是用户通过双向线缆调制解调器(CableModem)收发数据。用户计算机通过Cable Modem和头端设备(包括：DVB调制器、突发解调器和交换机、路由器等)，可以访问互连网，接入各种多媒体服务。Cable Modem有两种，一种是外接式的，通过以太网口与计算机上的通用网卡相连；另一种是插卡式的，可直接插到PC机的内部总线上。Cable Modem传输机理与普通调制解调器相同，都是将数据进行调制后在一个频率范围内传输，由接收端进行解调。用户端的CableModem就是调制发送上行数据，解调、接收下行调制信号的设备。通常在有线电视同轴电缆传输中每8MHz带宽为一个传输信道，上行采用16QAM(正交调幅)，最高速率20Mbps，下行采用64QAM或256QAM。最高速率可达45Mbps。
现有的有线宽带接入方法存在以下问题：
1.上行采用调制方式不利于上行信号传输。原因是：
(1)上行频段利用率低。上行频段处于Cable频率的低端。由于5MHz到20MHz这一频段受外界的干扰非常大，因此在实际系统中上行的传输频段基本上都是从20MHz开始的。因此上行频段最大利用率不超过70％。
(2)漏斗噪声很难避免，每条同轴电缆支持的用户数受限。在有线接入系统中，多个用户的数据通过同一根同轴电缆传输，每个用户发送的信号中，有信号功率，也有噪声功率，这些信号汇合到头端设备，噪声功率相加，而每路信号的功率并不增加，因此信噪比严重恶化。这种噪声功率在合路处汇合、累加的现象就称为漏斗噪声。随着用户数的增多，系统的漏斗噪声急剧增加。由于用户终端发送的调制信号到达头端设备时，必须满足一定的信噪比，头端解调器才能正确接收信号。因此，漏斗噪声的存在，限制了每条同轴电缆可以支持的用户数。一般每条同轴电缆支持的用户数典型值为200户。
2.缺少一体化的、智能化的头端设备，解决CATV有线接入、网络扩展和服务质量(QoS)保证问题。
发明内容：本技术发明的目的是提出一种宽带多媒体业务有线接入的方法，用基带上行传输方式取代目前普遍使用的调制上行传输方式，降低漏斗噪声对上行信号传输的影响，充分利用同轴电缆的双向传输能力，为用户接入高质量的宽带多媒体业务。
本发明提出的宽带多媒体业务的有线接入方法，包括以下各步骤：
1.对用户终端发出的有效数据进行切割、加扰、所罗门编码、交织、卷积处理，形成定长包，在每个定长包前加前导码，对带前导码的定长包形成的比特流进行码型变换和成形滤波，将成形后的基带信号直接在同轴电缆上传输。
2.对同轴电缆中的信号进行低通滤波，取出衰减了的上行基带信号，经过放大和再生处理后继续在同轴电缆上传输。
3.头端收到用户终端发送的上行基带信号，首先进行低通滤波、电压比较、还原，并通过采样电路恢复出原来的数字信号，然后对恢复后的数字信号进行去交织、去卷积，所罗门解码、解扰，恢复出有效数据。
4.对头端设备发出的有效数据进行切割、加扰、所罗门编码、交织、卷积处理，形成定长包。对定长包比特流进行信道编码，成形滤波，然后采用64QAM或256QAM(正交调幅)方式进行调制，并将调制后的载波放大，然后混频到指定频道发送。
5.用高通滤波器从同轴电缆传输的信号中取出衰减的下行信号，进行信号放大，再进行一次高通滤波后继续在同轴电缆上传输。
6.用户终端收到头端发送的下行调制信号，进行放大、滤波、变频、解调，恢复出原来的数字信号。然后对恢复后的数字信号进行去交织、去卷积，所罗门解码、解扰，恢复出有效数据。
7.头端周期地广播注册允许信令。
8.开机但尚未与头端建立联系的用户终端接收到注册允许信令后，发出注册和时钟校准申请，同时报告接收时所对的下行子信道(即下行接收频段)。头端接收到注册申请信令后，给该终端分配一个在线期唯一占用的逻辑标识，同时确认或分配两个下行子信道，并检测终端时钟与头端时钟的偏移量。头端将上述三个信息打包到注册成功信令中，通过每一个下行子信道广播下去。小站接收到属于自己的注册成功信令，根据其中的时钟偏移量调整本地时钟完成与主站的时钟同步，设置两个接收频段，同时将逻辑标识所对应的信令通道作为自己在线时的信令通道，并由该信令通道向头端发送注册完成信令。
9.在进行了注册、时钟校准之后，终端和头端进入同步状态，并且可以从两个频段接收下行数据。用户不断监测两个频段的下行数据包，接收标有本终端逻辑标识的数据包，并放入接收缓冲区。只要接收缓冲区非空，就不断地取出数据包进行解码，并恢复出有效数据。如果用户终端有数据需要发送，则将待发送的有效数据存到发送缓冲区，然后通过逻辑标识对应的信令通道向头端申请数据发送时隙。头端通过下行信道给终端分配数据发送时隙。用户终端收到时隙分配指令后，将有效数据切割、编码成定长包，在指定的时隙发送数据。
10.头端收到终端发送的定长包，对其解码、解复接，恢复出有效数据，并查看要发送的有效数据的目的地址，如果目标地址为小区内部，则从对应地址表中查找该目的地址对应的逻辑标识和下行子信道号，将数据存到相应的下行发送缓冲区。然后根据调度策略，将有效数据按照优先级排队，在指定的时隙，打成定长包下行发送。如果目标地址为小区外部，则启动路由算法，根据业务的质量要求，选择合适的路由及速率，并按照公网协议打包发送。
本发明提出的有线接入宽带多媒体服务的方法的特点在于：
1.以双向同轴电缆为传输媒质，保证全双工通信。
2.以基带上行传输方式取代目前普遍采用的调制上行传输方式，充分利用数字信号的再生能力，降低有线接入系统中漏斗噪声对信号传输质量的影响，增加了每根同轴电缆支持的用户数量。
3.设计基于同轴电缆的基带传输设备。包括头端和终端设备中使用的物理层收发设备和传输中使用的中继设备。解决基带信号在Cable传输中出现的幅度衰减、码形失真、相位抖动等问题。
4.独立设计的数据链路层协议，解决了上行基带传输中的时钟同步、测距、信令传输、数据传输等一系列问题。为网络路由和交换协议提供必要的信息。本系统专用的数据链路层协议全面支持IP协议。
5.合理的时隙分配方案，提高上行信道利用率。设置上行信道的传输周期，并将其分为信令时隙和数据时隙两大部分。信令时隙采用固定分配方式，头端为每个在线的用户分配一个固定的信令时隙，该用户发送的所有信令都通过此固定时隙向上发送，避免了信令碰撞。数据时隙由头端控制，根据用户业务的种类、优先级别进行按需分配。下行数据以广播形式传输给用户，用户有选择或有权限地接收数据。头端为在线用户动态分配下行接收信道。
6.头端设备支持多条同轴电缆接入，并有ATM、高速以太网接口，既支持同条同轴电缆、不同条同轴电缆上用户的数据交换，也支持同轴电缆用户与公网用户之间的数据交换。
7.头端同时接入多条同轴电缆，每条同轴电缆所接用户数固定。用户数增大时，头端通过增加所接同轴电缆数量扩展用户数量。这种做法，可以使头端功能模块化，扩展时只需对外围模块进行复制，而不需要改动核心模块。
8.头端设备中有专用的路由和交换核心模块，加载核心调度和路由算法，为用户提供高速、高服务质量(QoS)、低成本的接入服务，利用现有频带资源，支持高质量的电话、电视会议、视频点播、互联网等多种服务。
9.用户终端设置双接收频段，可以同时从两路下行子信道中接收数据，大大提高了信道分配的灵活性。
10.用户终端设备采用基于计算机的多功能一体化平台。同时支持电视、电话和上网业务。
本系统上行信道频率范围为0～75MHz，直接基带电平传输，传输速率可以达到120Mbps；下行信道频率范围为120-860MHz，采用频分复用方式，每个下行信道带宽为8MHz。若采用256QAM(正交调幅)，每个下行信道的传输速率可以达到45Mbps。考虑保护和损耗，一根同轴电缆的下行的传输速率可以达到吉比特量级。一个头端设备的处理能力可达4吉。只需投入较少的头端和终端设备，就可以充分利用有线电视网(CATV)的信道资源，为用户提供廉价的、方便的宽带多媒体信息服务。
附图说明：
图1.有线接入多媒体应用系统示意图，图中H表示头端设备，T表示用户终端设备，S表示数据库，I、II、III分别代表不同的小区。点划线表示城域网，细实线代表小区有线电视网使用的同轴电缆，粗实线表示小区间，以及小区与公网间的高速光纤。
图2.有线接入上行信号传输流程图，图中RS(Reed Solomon)，表示所罗门编码。
图3.有线接入下行信号传输流程图，图中RS(Reed Solomon)，表示所罗门编码。
图4.有线接入中继电路原理图
图5.有线接入头端结构图
图6.有线接入终端结构图
图7.有线接入头端交换和路由功能框图，图中，1、2、3、4为有线上行基带信号，6、7、8、9为有线下行调制信号。5、10为本地服务器进出头端的信号。11、12、13、14为外部公网信号。
图8.有线接入信号传输层次图，图中MAC指Media Access Control，媒体访问控制，Cable指有线电视网的同轴电缆。
具体实施方式：
下面结合一个基于本发明方法的有线接入宽带多媒体系统的实施例，详细介绍本发明的内容。
图1.是采用本发明的方法为城市智能化小区的居民提供宽带多媒体业务的典型实例图。图中，城市的智能化小区呈网状分布，中间由大容量光纤相连。小区内的有线电视网呈树形分布结构，使用同轴电缆连接到各家各户。通过这样一个双向的光纤、同轴的混合网络，可以为终端用户接入高速的多媒体业务。
小区接入部分由用户终端(T)、双向同轴电缆、头端接入设备(H)和小区数据库(B)组成。用户终端以总线形式串接在同轴电缆上。每根双向同轴电缆的覆盖范围约1公里。考虑现在社区，每栋楼约5个单元，每个单元15户人家，一栋楼有75户人家。1公里范围内有20栋楼，则每根双向同轴电缆接入的用户数为1500。由于采用基带上行传输，每根同轴电缆支持的用户数主要取决于用户对信道资源的要求，而不是漏斗噪声的影响。1500只是个典型值。为了提高接入速率，可适当减少每根电缆连接的用户数。各小区接入网可以通过头端的外部接口相互连接组成城域网(WAN)或直接与公网相连。
在本方案中，考虑到使用成本和方便性，用户终端采用双向Cable卡和PC机。双向Cable卡上行采用本发明提供的基带传输方式，下行采用64或256QAM调制方式，与通用的DVB-C标准(数字视频广播)兼容。在本系统中，考虑到家庭信息服务的多样性，要求每个Cable卡能同时接收两个下行子信道的数据。典型的用户终端结构如图6所示。图中，信号接收模块用于接收两路有线下行调制信号，包括匹配滤波和解调等。信号发送模块用于发送有线上行基带信号。数据包处理模块用于信号的编码、解码、协议处理、接口处理等。双向Cable卡通过PCI总接口插在PC机上，并同时提供电视和电话接口。
头端是小区内用户之间、小区内用户与小区外用户之间数据交换的核心枢纽。头端设备要有强大的路由和交换功能、多协议接口和良好的扩展性。本应用的头端结构如图5所示。图中，信号接收模块用于有线基带上行信号的采样和恢复。信号发送模块用于有线下行信号的滤波、调制和发送。数据处理模块用于信号的编码、解码、信号检测、分析和协议处理、接口处理等。交换和路由模块用于交换控制、路由选择和QoS质量保证。系统管理模块用于系统参数配置、状态监控、用户管理等。
头端的交换和路由功能如图7所示。本例中，头端有4个有线接入口，可接4根同轴电缆。支持6000个用户。1个小区服务器接口。小区用户可通过有线网访问服务器的数据库，进行VOD点播等。4个外网接口。可支持千兆以太网、ATM、E1、T1的接入。
根据OSI/RM层次结构的定义，有线接入系统内部数据的传输层次如图8所示。本系统的交换和路由部分属于网络层，采用标准的IP协议。为实现有线基带上行传输，MAC层和物理层采用了一些特殊的信号处理手段。如图2、图3、图4所示。各层的信号传输过程是：
1.物理层信号传输：
(1)上行信号传输
用户终端对上层有效数据进行切割、加扰，RS编码、交织、卷积，形成定长包，再在每个定长包前增加前导码。然后对带前导码的定长包构成的基带码流进行成形滤波，将成形后的基带信号直接在同轴电缆上向头端上传输。基带信号在同轴电缆中传输有一定损耗，因此每隔一定距离要进行一次中继放大。首先对衰减的上行信号进行低通滤波，然后电压比较使码形还原，对还原后的基带上行信号进行低通滤波并在下一级电缆上继续发送。信号经过多次中继到达头端。头端收到终端发送的上行基带信号，首先进行低通滤波、电压比较、还原，并通过采样电路恢复出原来的数字信号。然后对恢复后的数字信号进行去交织、去卷积，RS解码、解扰。恢复出有效数据。
(2)下行信号传输
头端要发送有效数据进行切割、加扰、所罗门编码和交织、卷积处理和基带成形滤波，然后采用64QAM或256QAM方式进行调制并将调制后的载波放大，然后混频到指定频道发送。下行调制信号在同轴电缆中传输，随着距离增加、分路点增多，电平也会不断降低。一旦低于用户终端解调器的工作范围，就会收不到数据，因此也要对下行的调制信号中继放大。方法是首先通过高通滤波器选出下行信号，放大后，再进行一次高通滤波，继续传输。终端收到头端发送的下行调制信号，进行放大、滤波、变频、解调，恢复出原来的数字信号。然后对恢复后的数字信号进行去交织、去卷积，RS解码、解扰。恢复出有效的数据。
2.链路层信号传输
链路层信号是以时分复用方式共享传输媒体的。但是，同轴电缆连接的用户终端距头端的距离不同，因此信号传输延时也不同。此外，每个终端的时钟也是独立的。为了保证时分复用信号的可靠传输，一定要调整终端的时钟，克服传输延时和时钟偏差，使所有终端时钟都与头端时钟同步。方法是：
用户终端每次加电，都向头端设备发出注册申请，同时申请时钟校准。头端接收到注册申请信令后，根据当前信道使用情况，给该终端分配一个下行子信道，同时分配一个在线唯一的逻辑标识(LogicID，)，并检测注册申请信令包的时钟偏移量，将上述三个信息打包到注册成功信令中，通过每一个下行子信道广播下去。小站接收到属于自己的注册成功信令，调整本地的时钟，完成与主站的时钟同步，在指定的下行子信道接收数据并在逻辑标识(LogicID)指定的上行信令通道向头端发送注册完成信令。
如果小站在发送注册申请信令后的一定时间内没有接收到属于自己的注册成功信令，则等一段时间后进行又一轮的注册，直至注册成功；如果头端在发送注册成功信令后的一定时间内没有接收到返回的注册完成信令，则重新发送注册成功信令，直至收到应答。如果多次重发都没有应答，则认为用户关机，发送注册失败信令。
在进行了注册和时钟校准后之后，终端和头端进入同步状态，可以进行实时的数据通讯过程。首先，终端从网络层获得有效数据包，存到缓冲区，然后通过占用的信令通道向头端申请数据发送时隙。头端根据的数据量的大小和本地网络情况，给终端分配数据时隙。终端收到时隙分配指令后，将数据包打成定长包，在指定的时隙发送数据。头端收到定长包，对其解码、复接，恢复出有效数据包。
下行数据传输过程是：头端从网络层获得有效数据包，根据数据包中的目的地址，查询该地址对应的终端的逻辑标识(LogicID)，和当前的下行子信道。将数据包放入相应的下行信道发送缓冲区，在调度策略分配的下行时隙里，将数据包打成定长包向下传输。若为广播信息，则在所有的子信道广播发送。终端收到头端的定长包，通过逻辑标识(LogicID)，选出属于自己的定长包，对其进行解码、复接，还原成有效数据。
3.网络层
头端在网络层采用基于IP的路由和交换功能。图7中，有线上行数据、外网数据经过有线接入端口(1、2、3、4)和外网接入端口(11、12、13、14)进入头端，在头端恢复成IP数据包。头端查看IP数据包的目的地址，如果目标地址为小区内部，则从对应地址表中查找该地址对应的逻辑标识(LogicID)和下行子信道号，经内部交换模块，将数据转送到相应的下行发送缓冲区，按照优先级，在指定的时隙，打成定长包下行发送。如果目标地址为小区外部，则经路由模块，根据业务对服务质量的要求及目的地址，为数据选择公网输出端口，按照公网协议打包发送。
Claims (1)
1、一种宽带多媒体业务的有线接入方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：
(1)对用户终端发出的有效数据进行切割、加扰、所罗门编码、交织、卷积处理，形成定长包，在每个定长包前加前导码，对带前导码的定长包形成的比特流进行码型变换和成形滤波，将成形后的基带信号直接在同轴电缆上传输；
(2)对同轴电缆中的信号进行低通滤波，取出衰减了的上行基带信号，经过放大和再生处理后继续在同轴电缆上传输；
(3)头端收到用户终端发送的上行基带信号，首先进行低通滤波、电压比较、还原，并通过采样恢复出原来的数字信号，然后对恢复后的数字信号进行去交织、去卷积，所罗门解码、解扰，恢复出有效数据；
(4)对头端设备发出的有效数据进行切割、加扰、所罗门编码、交织、卷积处理，形成定长包，对定长包比特流进行信道编码，成形滤波，然后采用64QAM或256QAM正交调幅方式进行调制，并将调制后的载波放大，然后混频到指定频道发送；
(5)通过高通滤波从同轴电缆传输的信号中取出衰减的下行调制信号，进行信号放大，再进行一次高通滤波后继续在同轴电缆上传输；
(6)用户终端收到头端发送的上述下行调制信号，进行放大、滤波、变频、解调，恢复出原来的数字信号，然后对恢复后的数字信号进行去交织、去卷积，所罗门解码、解扰，恢复出有效数据；
(7)头端周期地广播注册允许信令；
(8)开机但尚未与头端建立联系的用户终端接收到注册允许信令后，发出注册和时钟校准申请，同时报告接收时所对的下行子信道，即下行接收频段，头端接收到注册申请信令后，给该终端分配在线期唯一占用的逻辑标识，同时确认或分配两个下行子信道，并检测终端时钟与头端时钟的偏移量，头端将上述的逻辑标识、两个下行子信道、偏移量打包到注册成功信令中，通过每一个下行子信道广播下去，小站接收到属于自己的注册成功信令，根据其中的时钟偏移量调整本地时钟，完成与主站的时钟同步，设置两个接收频段，同时将逻辑标识所对应的信令通道作为自己在线时的信令通道，并由信令通道向头端发送注册完成信令
(9)在进行了注册、时钟校准之后，终端和头端进入同步状态，并且从两个频段接收下行数据，用户不断监测两个频段的下行数据包，接收标有本终端逻辑标识的数据包，并放入接收缓冲区，若接收缓冲区非空，就不断地取出数据包进行解码，并恢复出有效数据，若用户终端有数据需要发送，则将待发送的有效数据存到发送缓冲区，然后通过逻辑标识对应的信令通道向头端申请数据发送时隙，头端通过下行信道给终端分配数据发送时隙，用户终端收到时隙分配指令后，将有效数据切割、编码成定长包，在指定的时隙发送数据；
(10)头端收到终端发送的定长包，对其解码、解复接，恢复出有效数据，并查看要发送的有效数据的目的地址，若目标地址为小区内部，则从对应地址表中查找该目的地址对应的逻辑标识和下行子信道号，将数据存到相应的下行发送缓冲区，然后根据调度策略，将有效数据按照优先级排队，在指定的时隙，打成定长包下行发送，若目标地址为小区外部，则启动路由算法，根据业务的质量要求，选择合适的路由及速率，并按照公网协议打包发送。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20031217 |