一种基于HFC网络的宽带接入系统

摘要

本发明公开一种基于HFC网络的宽带接入系统，由前端接入系统、HFC网络及终端接入系统组成，其特征在于：前端接入系统设置有CFMTS和CDC，终端接入系统设置有CMF以及到用户终端的传输媒体，CFMTS通过交换机与IP骨干网连接，CFMTS与CMF之间有混合器、光发送器、光电转换节点、上变频器、光接收器以及上行分配器；通过对原有系统的网络结构、网络设备、网络带宽分配作改进，扩大了上行信道带宽，阻断了接入电缆传来的上行噪声，增强了网络传输能力，提供了上、下行信道视频流复用与解复用功能，保证了上行数据、话音和视频混合传输，保证现有模拟电视、EQAM及机顶盒等设备正常工作的同时，适应了三网融合需要。

说明书

技术领域

本发明涉及到宽带网络接入技术，具体地说，是一种基于HFC网络的宽带接入系统。

背景技术

目前基于HFC（Hybrid Fiber Coaxial，混合光纤同轴电缆）网络的宽带接入网，采用DOCSIS（Data-Over-Cable Service Interface Specifications）标准，这个技术标准是美国提出并被国际电信联盟接受了的技术标准。欧洲在DOCSIS的基础上提出了EUR-DOCSIS标准，即欧洲的DOCSIS标准，中国参考EUR-DOCSIS V1.1标准提出了“HFC有线电视数据传输系统”标准，这三种技术标准虽然在物理层的带宽、QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制）调制的星座图及反向信道所用的频率范围等方面有些不同，但它们所基于的网络结构和MAC（Media Access Control，媒体访问控制）层及其以上的协议是相同的。

结构如图1所示，传统的DOSIS网络的参考结构包括前端接入系统、终端接入系统和HFC网络，前端接入系统和终端接入系统通过HFC网络连接，这种HFC网络的结构可以分成光传输和同轴电缆传输两部分：从前端的光收、发器到用户小区的光电转换节点之间是光传输部分，用户小区的光电转换节点的输出端到用户的输入端是同轴电缆传输部分。一个小区是指在HFC网络中一个光节点所覆盖的区域，通常一个小区有大约500个家庭用户，如果某个小区用户的信息量特别大，这个小区的HFC网络的传输能力不能达到要求，小区的用户数就应该减少，反之亦然。

在同轴电缆传输部分，DOCSIS网络依赖电缆网，对这种网络进行双向改造，使上、下行信号采用频分方式都在这种网络中传送。网络的终端接入系统是CM(Cable Modem，电缆调制解调器)，前端接入系统是CMTS(Cable Modem Termination System，电缆调制解调器头端系统)，CM是单用户设备，置于用户家中与用户端的设备相连，CMTS置于HFC网络的前端或分前端，它与前端或分前端的交换机相连，并通过交换机与骨干网及前端的服务器相连。从骨干网、服务器及其它CMTS来的下行信号通过交换机送到CMTS，经协议处理、调制和上变频后，通过HFC网络发送给CM。通常一个CMTS和多个CM共享一个上行信道和一个下行信道的传输能力。CMTS以广播的方式将前端要传的信息传送到一个小区或多个小区使用这个频道的所有CM中，CM则根据信息中的业务流标识（SFID，Service Flow Identifier）的地址信息决定舍弃该信息，或将该信息转发给相应的用户设备。SFID是CMTS分配给CM的，一个CM最少有两个SFID，其中一个用于下行，一个用于上行，有时可以有好几个。用户的上行信号发送采用时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）技术，CM的发送部分平时是不发送信息的，如果有信息要发送，它首先要与其它的CM竞争给CMTS发送带宽分配请求信息的发送机会，如果不成功还要继续争取，如果发送了带宽分配请求信息，CMTS要根据该CM要发送的信息的SFID和网络状况，给它分配带宽，CM收到带宽分配的信息后，按CMTS指定的发送开始时间和时间间隔发送信息。因此要求所有的CM时间上要与CMTS同步，此外为了使各个CM发来的信息到达CMTS接收点的幅度、频率和时间都比较准确，CMTS与各个CM还需要经常进行测距、频率调整及幅度调整。上行信号经HFC网络送到CMTS经解调及协议处理后通过交换机送给前端设备或骨干网。

现有的这种网络存在的一些固有缺陷是：

   ①同轴电缆网是一种树形结构，反向通道存在严重的漏斗噪声，使上行信号只能采用抗干扰能力较强的16QAM和QPSK（Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控）调制格式，难于采用频带利用效率高的64QAM或256QAM。而且上行带宽太窄，难于保证未来业务的需要。

②DOCSIS 3.0之前的标准没有信道捆绑技术，多个用户共享一个下行和一个上行信道，对于64QAM调制，一个下行信道的最高速率为41.712Mb/s，不可能提供100 Mb/s这样的接口速率。DOCSIS 3.0采用信道捆绑技术，可以提供高速接口，但要多个CMTS和多个CM，用户要多个CM，费用高。

 ③这种网络的传输设备CMTS和CM虽然可以混合传送下行的数据和视频流，但它们只对数据信息进行处理，对视频信号的复用/解复用等问题都不进行处理，不能同时传送多个单节目流。

④这种网络多个用户共享一个上行信道，采用时分多址或码分多址方式工作，采用时分多址时，用户都要先与电缆调制解调器头端系统的时钟同步，还需要不断进行测距、带宽分配、时钟同步等，不仅操作复杂，而且额外开销大，使可用带宽的利用效率低。

⑤由于DOCSIS协议复杂，CMTS和CM都要进行复杂的协议处理，设备比较贵，要提供宽带传输能力，网络建设费用比较高。

⑥网络采用频分方式工作，一个下行频道的带宽为6或8MHz，数量众多的节目被安排在多个频道中传输，即使机顶盒能同时给多个节目解压，由于机顶盒在同一时间只能接收一个频道中的节目，不能同时收看不同频道的节目，这样，一个家庭要同时收看不同频道的节目，就必须有另外的机顶盒。

⑦DOCSIS的上行信道不能采用会聚子层，不适应数据与视频流信号的混合传送。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于HFC网络的宽带接入系统，主要解决的技术问题是：提出一种适合HFC宽带接入网的新型网络架构和运行方式，充分、有效地使用HFC网络的资源，提高HFC网络的上、下行传输能力，以适应未来业务的需要，同时降低网络的建设费用，增强会聚子层的功能适应三网融合的需要，并保证现有的模拟电视、数字电视、EQAM (Edge Quadrature Amplitude Modulator，边缘正交调幅)及机顶盒等设备能正常工作，不受影响。

为达到上述目的，本发明采用技术方案如下：

一种基于HFC网络的宽带接入系统，由前端接入系统、HFC网络及终端接入系统组成，所述前端接入系统和终端接入系统通过HFC网络连接，该HFC网络由光传输部分和同轴电缆传输部分组成，其中光传输部分包括光发送器、光接收器、光电转换节点以及光纤，同轴电缆传输部分为同轴电缆网；

其关键在于：所述前端接入系统设置有至少一个电缆多媒体转发器头端系统（CMFTS：Cable Multimedia Forwarder Termination System）和一个信道调度控制器（CDC：Channel Dispatch Controller），所述终端接入系统设置有至少一个电缆多媒体转发器(CMF：Cable Multimedia Forwarder)；

所述HFC网络通过前端接入系统与交换机相连，该交换机与IP骨干网或前端服务器连接，所述IP骨干网或前端服务器通过交换机传送下行信号到所述电缆多媒体转发器头端系统中，该电缆多媒体转发器头端系统用于实现下行信号的协议处理、调制以及上变频处理，该电缆多媒体转发器头端系统（CMFTS）输出的下行信号通过混合器与有线电视的视频信号混合，该混合器的输出端与所述光发送器连接，混合后的下行信号通过所述光发送器传送到所述光电转换节点，该光电转换节点至少与一个电缆多媒体转发器相连，该电缆多媒体转发器用于实现下行信号的解调与协议处理，该电缆多媒体转发器通过传输媒体与用户群的用户设备连接，该用户群包括至少一个用户；

所述用户群中用户的上行信号通过所述传输媒体会聚到所述电缆多媒体转发器中，该电缆多媒体转发器用于实现上行信号的协议处理、调制及混合，该电缆多媒体转发器将处理后的上行信号送入所述HFC网络，该HFC网络中的光电转换节点通过至少一根干线电缆与与不同位置的电缆多媒体收发器及用户连接，在所述光电转换节点处，不同的干线电缆设置有不同频率的上变频器，不同干线电缆的上行信号在经不同频率变频后通过混合器混合到所述光电转换节点中，该光电转换节点通过光纤回传通道与光接收器的输入端连接，该光接收器的输出端连接有上行分配器，该上行分配器用于将所述光接收器收到的上行信号分配到所述电缆多媒体收发器前端系统中，所述电缆多媒体转发器头端系统用于实现上行信号的解调和协议处理，再通过所述交换机转发到IP骨干网络、别的电缆多媒体转发器头端系统（CMFTS）或前端服务器中。

本发明所提供的一种基于HFC网络的宽带接入系统，与现有DOCSIS网络的不同之处在于：

（1）网络结构

本发明的网络根据地理位置的远近将小区内的用户划分为若干个用户群，一个用户群与一个电缆多媒体转发器连接，从电缆多媒体转发器到用户可采用基带EOC (Ethernet Over Coax)或5类双绞线连接，通过5类双绞线连接用户设备，阻断把HFC网络接入到用户的接入电缆的上行通道，电缆多媒体转发器CMF也可以设置EOC单元，交换机单元与该EOC单元连接，该EOC单元通过用户接入电缆连接用户设备，用户接入电缆的上行信道只能传送基带信号。HFC网络的接入电缆传送下行的信号，不传送经调制的上行信号，阻断从用户接入电缆引入的上行漏斗噪声。

同时，小区内的光电转换节点通常以空分的方式通过n根干线电缆分别连接到不同位置的用户，在所述光电转换节点处将n-1根不同的干线电缆送来的上行信号上变频到不同的频率（或解调），然后通过混合器把全部上行信号合并起来，通过回传光通道送回前端。此外，也可以从小区的光电转换节点到各个CMF敷设回传电缆，彻底解决上行带宽不足的问题。实际上，还可以利用同轴电缆网空分的特点来增加小区的下行传输能力，方法就是将要传送给不同干线电缆的信号安排在不同的频段，然后合并到一起由光传输部分传送到小区光电转换节点后，将不同频段的信号分离出来，再将这些频段变换到适合电缆传送的频率范围，由相应的干线电缆传送给相应的用户。当然，这样做的条件是光传输系统有足够的带宽。

（2）网络设备

为了适应网络结构的改变，本发明提及的网络设备主要包括信道调度控制器CDC、电缆多媒体转发器头端系统CMFTS和电缆多媒体转发器CMF，所述前端接入系统中的CMFTS与所述终端接入系统中的CMF都是多个用户共享的公共设备，CMFTS设置有m个上行信道和k个下行信道，CMF设置有i个上行信道和j个下行信道，其中：

电缆多媒体转发器头端系统CMFTS包括控制器、上行高频集线器和下行高频集线器，所述上行高频集线器的输入端与所述上行分配器连接，该上行高频集线器的输出端与所述控制器之间通过m个解调器并行连接，所述控制器与下行高频集线器之间通过k个调制器并行连接，在每个调制器与下行高频集线器之间还设置有上变频器，所述下行高频集线器的输出端与所述混合器相连，在所述控制器上还设置有网络接口，该网络接口用于连接所述交换机或前端服务器；

电缆多媒体转发器CMF包括高频集线器、调制解调器、控制器单元以及交换机单元，所述高频集线器的一端与同轴电缆网连接，该高频集线器的另一端通过i个调制器和j个解调器与所述控制器单元并行连接，在该控制器单元上还连接所述交换机单元，该交换单元通过所述传输媒体与用户群设备连接。

本系统中的CMFTS和CMF与DOCSIS网络的CMTS和CM有如下的差别：

1）CMF是一个用户群的公共设备，它可同时接收本用户群所需的单播、组播和广播信息，发送群内用户的上行信号，包括单播和组播信息，可包括多个调制器和多个解调器，CMF也允许群内用户交换信息，所以包括有交换机。

2）CMFTS和CMF叠加了多个上行和下行信道的传输能力再与前端交换机及用户接口，从而能给用户提供上、下行各100Mb/s的接口，下行的速率可达1Gb/s。

3）一个电缆多媒体转发器头端系统（CMFTS）的一个上行信号接收器对应于一个电缆多媒体转发器（CMF）中的一个上行信号发送器，一个电缆多媒体转发器头端系统（CMFTS）中的一个下行单播信息发送器对应于一个电缆多媒体转发器（CMF）中的一个下行信号接收器，不需要采用时分多址和突发工作方式。

4）所述电缆多媒体转发器CMF和电缆多媒体转发器头端系统CMFTS转发信息的协议栈中，上、下行信道都设置有会聚子层，用于实现视频流的复用和解复用功能，都能将多个单视频流及数据复用成传输流，也能将传输流解复用成多个单视频流及数据。

5）根据不同的用户需要，所述电缆多媒体转发器CMF和电缆多媒体转发器头端系统CMFTS中的上行信道采用16QAM、64QAM或256QAM调制格式，该上行信道的码元速率为1280ksym/s、2560 ksym/s或6952 ksym/s，最大带宽分别为1.6 MHz，3.2 MHz或8 MHz。

CMF中的上行信道采用16QAM、64QAM和256QAM中的一种调制格式，带宽可做成两种类型：一种频带窄、速率低（最高码元速率为2.56Msym/s），不处理多视频流的复用问题；另一种上行信道采用8MHz的带宽，码元速率为6.952Msym/s，提供多视频流的复用与解复用的功能。这样CMFTS和CMF都能对数据、话音及视频进行双向的综合传输。

6）上行信道的带宽分配由CMF负责，而不是前端（或分前端）的CMFTS负责。

7）不采用业务流的方式来提供QoS（Quality of Service，服务质量）而是采用区分服务 (diffServ) 的方式提供QoS。

（3）网络带宽的用法

所述电缆多媒体转发器CMF中设置有组播接收信道，该组播信道用于接收广播信息和组播信息，还设置有数字电视广播接收信道，用于接收数字电视广播信息。

  所述电缆多媒体转发器头端系统CMFTS还设置有信道调度控制器，用于实现一个小区公共的上、下行信道的调度管理。网络中设置信道调度控制器，根据网络的状况调度网络中的公用信道，使之适应用户的需要，所述信道调度控制器可以由一个担任组播的CMFTS兼任，不需要专门的设备。

本发明从多方面采取措施，使新系统产生有益的效果，采用的技术措施及其有益效果主要包括以下几方面：

1）       在小区光节点处，通过把n根干线电缆中的n-1根干线电缆的上行信号变换到不同的频段，这样每根电缆都可单独使用60MHz (5 MHz～65 MHz)的频带，整个小区就有60n MHz的带宽可用于上行传输。使上行信道的带宽增加了(n-1)倍，而且多根电缆的噪声也不相互叠加，降低了噪声。

2）   通过设置组播信道使小区内的组播不占用多个下行频道，一个小区可以有94个8MHz的下行信道，如果广播频道用去26个，用于单播和组播的频道还有68个，即使用64QAM，下行传输速率也不低于2.8Gb/s。而且，一个组播信道的传输效果相当于多个单播信道的传输；此外，还可以利用同轴电缆网空分的特点来增加小区的下行传输能力，方法就是将要传送给不同干线电缆的信号安排在不同的频段，然后合并到一起由光传输部分传送到小区光电转换节点后，将不同频段的信号分离出来，再将这些频段变换到适合电缆传送的频率范围，由相应的干线电缆传送给相应的用户。当然，这样做的条件是光传输系统有足够的带宽。所以本发明的网络在传输能力方面，比DOCSIS网络强。

3）   通过改变CMTS和CM的功能、运行方式和实现方法，使之成为CMFTS和CMF，使这对设备成为用户群设备，能将多个上、下行信道的传输能力叠加起来，然后再与前端交换机及用户接口，从而能给用户提供上、下行各100Mb/s的接口，而且如果需要，下行的速率还可以提高到1Gb/s。

4）   采用CMF后，通过阻断接入电缆传来的上行噪声，去掉了绝大部分的漏斗噪声，漏斗噪声电平有可能降低20dB。所以，本发明的上行信道可采用16QAM、64QAM及256QAM，即使采用64QAM，上行信道的传输能力比采用16QAM也提高了50%。一根电缆的上行带宽为5～65MHz,总的传输速率可高于280Mb/s。如果光电转换节点通过4根电缆与用户连接，那么一个小区总的上行传输能力可高于1Gb/s。

5）   由于有效地降低了上行漏斗噪声和利用电缆空分增加了n-1倍的上行频带，上行信道可以采用8MHz的带宽，这样一方面可减少上行信道和设备的数量，另一方面这样的上行信道，可使传输数据与传输视频的信道在物理层得到统一，加之信道采用连续工作方式使上行信道有可能适合综合信息的传输。

6）   目前的CMTS和CM主要用于数据传输，下行信道虽然有传输会聚子层，但它不能将多个单视频流复用成传输流。CM不能提取PSI（Program Specific Information，特定节目信息）和SI（Service Information，业务信息），无法将传输流解复用成单视频流。本发明增强了下行信道会聚子层的功能，CMFTS和CMF提供了下行信道的视频流复用与解复用功能。不仅能传输多个单视频流，而且使数据传输和视频传输可在同一信道中混合传输，保证了下行综合业务信息传输的需要。

7）   CMTS和CM的上行信道带宽窄，也没有会聚子层，不大适合数据与视频流的综合传输。本发明的上行信道可以采用8MHz的带宽，采用与下行信道相同的调制格式，也都采用适合数据传输和视频传输的信道编码，同时采用了增强的会聚子层，CMF和CMFTS也具备对8MHz带宽上行信道的视频流完成复用与解复用功能，数据和多个视频流也可在同一信道中混合传输，能保证上行数据、话音和视频混合传输，适应三网融合的需要。

8）   本发明的电缆多媒体转发器将视频的传输流解复用后再用组播方式转发给用户，使转发的信息量大为减少，同时也解决了区分不同频道的不同节目具有相同PID（Packet Identifier，包标识符）的问题。

9）       与DOCSIS网络不同，上行信道采用点对点的连续传输方式，不采用时分多址协议，而采用统计时分复用方式，设备的复杂性大大下降，使设备的费用大幅度下降。一台提供1Gb/s传输能力的CMFTS的价格，目前大约是一台具有相同传输能力、采用DOCSIS 3.0标准的CMTS的价格的十分之一。电缆多媒体转发器是一种价廉的设备，它又是用户的公用设备，用户不需要Cable Modem，电缆多媒体转发器分摊给用户的费用比Cable Modem低。

10）  本方案对网络改造的要求与DOCSIS网络基本一致，能保证现有的模拟电视、EQAM及机顶盒等设备能照常工作，不受影响。

11）  电缆多媒体转发器用100Mb/s的以太网交换机与用户交换信息，一方面保证了用户对速率的要求，另一方面通过叠加多个信道的传输能力，把频分复用的信息转换成统计时分复用的信息，用户使用计算机就可以接收视频广播，机顶盒和数字电视机不需要高频解调部分，降低了对这些设备的要求。一个家庭只要用户端设备能同时处理多个视频节目，就可以同时收看多个原来不同频道的节目，不仅可以看标清的节目，也可以看高清的节目。

附图说明

图1现有的DOCSIS网络参考结构示意图；

图2本发明的网络结构示意图；

图3本发明中电缆多媒体转发器头端系统的电路原理框图； 

图4本发明中电缆多媒体转发器的电路原理框图；

图5本发明中调制器对信息处理流程图；

图6本发明通过CMFTS和CMF转发信息的协议栈；

图7本发明CMFTS和CMF在数据传输过程中的优先级与地址信息的比特分配示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的实施例及其工作原理进行详细的描述。

在实施本发明时，与DOCSIS网络不同的技术其实现方法如下：

（一）系统的网络改造

如图2所示，一种基于HFC网络的宽带接入系统，由前端接入系统、HFC网络及终端接入系统组成，所述前端接入系统和终端接入系统通过HFC网络连接，该HFC网络由光传输部分和同轴电缆传输部分组成，其中光传输部分包括光发送器、光接收器、光电转换节点以及光纤，同轴电缆传输部分为同轴电缆网；

所述前端接入系统设置有至少一个电缆多媒体转发器头端系统CMFTS和一个信道调度控制器CDC，所述终端接入系统设置有至少一个电缆多媒体转发器CMF；

所述HFC网络通过前端接入系统与交换机相连，该交换机与IP骨干网或前端服务器连接，所述IP骨干网或前端服务器通过交换机传送下行信号到所述电CMFTS中，该CMFTS用于实现下行信号的协议处理、调制以及上变频处理， CMFTS输出的下行信号通过混合器与有线电视的视频信号混合，该混合器的输出端与所述光发送器连接，混合后的下行信号通过所述光发送器传送到所述光电转换节点，该光电转换节点至少与一个CMF相连，CMF用于实现下行信号的解调与协议处理，CMF通过传输媒体与用户群的用户设备连接，该用户群包括至少一个用户；

所述用户群中用户的上行信号通过所述传输媒体会聚到CMF中，该CMF用于实现上行信号的协议处理、调制及混合，CMF将处理后的上行信号送入所述HFC网络，该HFC网络中的光电转换节点通过至少一根干线电缆与与不同位置的CMF及用户连接，在所述光电转换节点处，不同的干线电缆设置有不同频率的上变频器，不同干线电缆的上行信号在经不同频率变频后通过混合器混合到所述光电转换节点中，该光电转换节点通过光纤回传通道与光接收器的输入端连接，该光接收器的输出端连接有上行分配器，该上行分配器用于将所述光接收器收到的上行信号分配到CMFTS中，CMFTS用于实现上行信号的解调和协议处理，再通过所述交换机转发到IP骨干网络或前端服务器中。

依据小区网络覆盖的范围的大小、用户的密集程度及对网络传输能力要求的差别，具体实施过程中，网络改造有三种子方案：

子方案一：对原来的HFC网络不进行双向改造，另外从光电转换节点敷设上行电缆到CMF所在地，并用5类双绞线从CMF敷设到用户家中。这样得到的HFC网络仍然是树形结构。此方案适用于用户密度大、光电转换节点覆盖范围较小、对网络传输能力要求高的小区。因为我国居民居住比较集中，特别是城市，一个小区常常只包括几幢楼，光电转换节点与大楼的距离通常不超过300米，上行电缆只敷设到电缆多媒体转发器所在的位置不进入用户家庭，所以工作量并不很大，而且费用也不太高。这样做的主要的优点是保证了上行有充裕的带宽，此外，上下行信道特性差别小，所用的设备差别小易于开发。

子方案二：对HFC网络进行双向改造，改造的方法与DOCSIS标准有两点不同：一是要设置CMF，从CMF到用户仍采用5类双绞线，同时要阻断用户接入电缆送来的上行噪声。二是在光电转换节点处要将各根干线电缆上、下行信号分离，并将这些上行信号送入各自的上变频器；将不同电缆送来的上行信号变换到不同的频率，然后将他们混合起来，通过回传光通道送到前端CMFTS 去解调。如果光电转换节点到用户有n根电缆，这样这个小区总的上行带宽就有60n MHz，比原来增加(n-1)倍。

此方案适用于对上行传输能力要求比较高、要求用户接口速率为100Mb/s的小区。上变频只是把不同电缆送来的上行信号搬移到不同的频段，此法的费用不会很高，另一种方法是将各电缆的上行信号在光电转换节点处解调，然后合并为高速数据，通过光通道回传到前端（或分前端）。

子方案三：HFC网络的双向改造与子方案二类似，只是从电缆多媒体转发器到用户是星形结构，电缆多媒体转发器通过EOC与用户连接。此方案为用户提供的接口速率受EOC速率影响，目前提供的速率为10Mb/s。如果不需要增加上行带宽，就不需进行频谱搬移。

此外，如果需要提高同轴电缆网的传输能力，而且光纤信道能适应，可将传送给送给不同干线电缆的信号安排在不同的频段，然后合并到一起由光传输部分传送到小区光电转换节点后，将不同频段的信号分离出来，再将这些频段变换到适合电缆传送的频率范围，由相应的干线电缆传送给相应的用户。这样可充分电缆网的传输能力。

（二）网络设备

 由于网络的改变，网络中需要用户群设备，而不是单用户设备，CM和CMTS的上行信道采用时分多址的方式工作，不适应新网络的需要，必须做相应的改变。

如图3所示，CMFTS包括控制器、上行高频集线器和下行高频集线器，所述上行高频集线器的输入端与所述上行分配器连接，该上行高频集线器的输出端与所述控制器之间通过m个解调器并行连接，所述控制器与下行高频集线器之间通过k个调制器并行连接，在每个调制器与下行高频集线器之间还设置有上变频器，所述下行高频集线器的输出端与所述混合器相连，在所述控制器上还设置有网络接口，该网络接口用于连接所述交换机、别的电缆多媒体转发器头端系统（CMFTS）或前端服务器；

如图4所示，CMF包括高频集线器、调制解调器、控制器单元以及交换机单元，所述高频集线器的一端与同轴电缆网连接，该高频集线器的另一端通过i个调制器和j个解调器与所述控制器单元并行连接，在该控制器单元上还连接所述交换机单元，该交换单元通过所述传输媒体与用户群设备连接。

1） 本发明中提及的两种关键的网络设备CMFTS和CMF的单播信道是一一对应的关系，使CMFTS对信息的协议处理大为简化，比较适应做成传输容量比较大（例如1Gb/s）的设备，它可以包含18～24个下行信道。

2） CMF中可以包含单播、组播及广播的接收信道，单播的信道数量取决与用户群的大小及用户的使用要求，通常不是很大，例如用户群为36户，平均的传输速率为5Mb/s，用于单播的下行信道为4～5个。显然，一个CMFTS可以为多个CMF提供单播信道，只是事先需要安排好。组播可以小区为单位组织，数据组播的信息量比较小，需要的信道少，用于视频点播的信道数量变化很大，比较适合动态调整，开始时设一个，然后根据需要增加。当然，调制器与解调器应做成模块便于加减。数字电视的频道多，如果小区内机顶盒已经很多，不愿意接受由CMF提供服务，可以不设广播节目接收频道。如果用户要求由CMF提供服务，就应根据数字广播电视频道的数量设置接收器，因为所需的数量较大，如果与邻近的CMF距离近，也可将这部分资源共享。

3） 每个CMF和CMFTS中的调制器要进行的处理如图5所示，包括：形成数据块、FEC(Forward Error Correction Coding, 前向纠错)编码、生成扰码、符号映射（生成同相和正交分量）、进行奈奎斯特滤波并进行调制。FEC编码包括RS(Reed-Solomon)编码和交织编码，为了保证8MHz信道能同时传送视频和数据信号，交织编码的交织深度应为12，增量为17。

解调是调制的逆过程，解调器的处理包括：解调、滤波、符号到数据的映射、解扰、译码及形成数据流。

4） 在HFC网络中，上行信道的漏斗噪声是影响上行传输能力的重要因素，引起漏斗噪的因素比较多，影响最大的是侵入噪声，而侵入噪声的大部分是从用户家中进入的，另外，有20～30%的噪声通过接入电缆侵入系统。用作干线或支干线的同轴电缆（SYWV-75-12或SYWV-75-9）的屏蔽衰减都达到100 dB以上。进入用户的那段电缆一般为SYWV-75-5，屏蔽衰减为50～80dB，如果按65 dB算，干线或支干线电缆的屏蔽衰减，比接入电缆的屏蔽衰减大3000倍以上。现在一个小区的范围都比较小，即使干线或支干线电缆比到用户的接入电缆长100倍，也只有1%的噪声功率是通过干线或支干线电缆侵入的。本发明在CMF所在地阻断了用户接入电缆送来的上行噪声，这就去掉了大部分的漏斗噪声。发明人实际测量过DOCSIS网络及本发明的网络的漏斗噪声，网络和用户是一样的，只是改造的方法不同，按本发明的方法改造的网络，噪声比DOCSIS网络可以小约20dB。新网络的上行信道可以采用64QAM甚至256QAM的调制格式。上行调制器提供16QAM、64QAM和256QAM，以适应不同网络的情况。

如果网络改造采用第一种方案，上、下行信道由不同的电缆传输，上下行的调制解调器可以相同，只是下行信号可以通过交换机直接转发给用户，上行信号则转发到骨干网或前端设备，转发的软件会有些差别。

如果网络改造采用第二、三种方案，一个小区的上行带宽就有60n MHz，比原来增加(n-1)倍，上行信道可以采用比较宽的带宽，以减少设备的数量，上行信道的码元速率为1280ksym/s、2560 ksym/s及6952 ksym/s，最大带宽分别为1.6 MHz，3.2 MHz及8 MHz。在CMF中，上行带宽虽然变了，但频率范围不变。上行带宽为8 MHz的调制器与下行调制器相同，带宽为1.6 MHz和3.2 MHz的调制器仍采用DOCSIS的编码和调制解调技术，只是要包括64QAM和256QAM。

显然，在CMFTS中，上行信号接收的频率范围需要覆盖经上变频后的上行带宽。

5） 图6 是通过CMFTS和CMF转发信息的协议栈，与CMTS和CM转发信息的协议栈相比，最明显的差别是上行信号也采用会聚子层。为了使8MHz的信道能传送多个单视频流，需要加强会聚子层的功能。对于下行信道，在CMFTS中增加视频信号的去抖动、PID重映射、视频流复用、PSI的生成和插入等会聚子层的处理功能；在CMF中增加PSI和SI信息的提取、传输流的解复用等功能。 上行信道也都采用会聚子层，只是宽带小于8 MHz的上行信道不处理多个单视频流的复用与解复用。宽带为8 MHz的上行信道则要提供对多个单视频流的复用/解复用功能。

6） CMF有多个下行信号的接收器，多个频道的视频流要在CMF中汇集，然后传送到用户家中。在HFC网络中信道是按频率划分的，因为一个机顶盒在一段时间内它接收某一频道的节目，这时它不能同时接收另一频道的节目，因此，不同频道的不同节目可以使用相同的PID。在本发明的网络中，一个用户可能同时收视不同频道来的多个节目，有可能出现不同的节目有相同的PID，这可能出现差错。解决这个问题的方法是CMF给每个节目分配一个组播地址，因为这个组播地址是CMF给用户转发信息时用的，范围小，自由度大。可以使这个地址包括两方面的内容，一是频道的信息，二是节目的编号，使之在EPG(Electronic Program Guide，电子节目指南)的显示与现在机顶盒的EPG一样。用户群中要收看该节目的用户就加入这个组播组，接收这个组播地址的信息。此外，每个频道还需要一个组播地址，这个地址用于组播SI信息，以便用户能产生EPG。这个组播组应包括这个用户群的该频道所有节目的所有用户。即使一个用户同时收看不同频道的多个节目，不同频道的不同节目的PID相同，这时用户参看一下组播地址就可以区分了，不会出错。

7）一个CMFTS有多个下行信道同时工作时，同一个以太帧的信息，不安排到多个频道中传送，而安排在同一个频道中顺序传送。

8）本发明中CMF负责上行信道的带宽分配，因此不会有上行带宽申请，CMFTS不需要上行带宽分配的功能。用户群的上行信号首先汇集到CMF，CMF依据信息的类型确定它的优先级，设备中设置多个队列，用于不同优先级的信息，然后按一定的算法发送信息。如果上行信道带宽不足，电缆多媒体转发器 可向信道调度控制器请求增加信道，反之亦然。

9） 为了适应网络信息量的快速变化，CMFTS和CMF中要备份上行信道和下行信道并处于热备份状态，如果工作的上、下行信道负荷过重，CMF和CMFTS可分别向信道调度控制器提出请求，要求增加上、下行信道，经信道调度控制器同意并指定信道的数量、中心频率与带宽后，通知CMFTS或CMF准备接收，经初始化后，进行信息传输，信道负荷正常后归还增加的信道。如果与别的用户群有矛盾，由信道调度控制器仲裁解决。其实CMFTS备份的下行信道，可以由小区来备份，CMF备份的下行信道接收器依据扩展头中的用户群编号信息来确定是否接收该帧，随时可以接收公共CMFTS发给本用户群的单播信息。

10）在本发明中上行信道的带宽分配由电缆多媒体转发器负责，采用区分服务的方法来实现QoS，决定优先顺序和调度的方法与DOCSIS一致。

11） 在DOCSIS网络中，分布在不同位置的多个用户（多个CM）共享一个上行信道，上行通信是多对一的突发方式，需要测距、需要调节CM 的频率和输出电平，本发明的上行信道是一个接收器对应一个发送器，是一一对应的连续工作方式，不需要进行测距，也不必调节频率和输出电平。

12） CMFTS传送到CMF的单播信息需要转发给用户，为了及时有效地转发这些信息，CMF希望不打开射频MAC帧的“净负荷”部分就能知道以太网帧的优先级和目的地址，这就要求在射频MAC 帧头上带有这个信息。实现方法就是在扩展头上原来传SFID的地方，用3个字节传这个消息，其参考格式如图7所示，其中3比特标示优先级，4个比特用于指示信息的顺序，一位保留给将来使用，其余16位标示地址。其中一位用来指示是组播还是单播，用7位来标示用户群的编号，剩下的8位用于用户编号，这个编号可以和交换机的端口号连系起来。组播的条件下，有15位可用于组播地址。

（三）网络带宽的安排

一个小区的下行频道实际分为四部分：视频广播频道、组播频道、单播频道和公用备份频道。视频广播频道的数量是由运营者决定的，组播频道中的信息包括广播的数据或组播的数据和视频点播的信息，组播的数据信息量较小，决定组播频道数量的主要是视频点播，因用户要求不同，各个小区之间不同，同一个小区也随时段的变化而变化，所以要根据用户随时的要求而变化。

各CMF单播频道的数量，取决于用户群的大小和用户信息量的大小，但最少应保持一个上行和一个下行信道，以保证用户随时可用，然后根据需要增减信道。

本发明的上行带宽比较宽裕，上行信道漏斗噪声比较小，采用比较宽的频道，着重使用8MHz，3.2 MHz和1.6 MHz。通常一个40户的用户群，有一个8MHz和一个1.6MHz的上行通道，也就能很好满足用户的要求了，其余的带宽可用于备份。

本系统对信息进行处理的主要步骤：

第一、CMFTS和CMF进行初始化

首先，CMFTS和CMF分别设置各自的上、下行信道的中心频率、调制格式、码元速率、交织深度及输出电平等。CMFTS下行信道的频率是指定的，CMFTS和CMF都知道。完成设置后，下行信道不断发送上行信道描述符，告诉CMF上行信道的中心频率、码元速率、调制格式及交织的深度等。CMF设置好上行信道的中心频率、码元速率、调制格式及交织的深度等，然后在设定的下行信道的中心频率附近扫描下行信号，如果能正常接收下行信号，就给CMFTS发填充报文表示下行信道工作正常。

CMF上行信道的频率也是指定的，CMF和CMFTS都知道，上行信道不断发送填充报文，CMFTS在设置的中心频率附近扫描上行信号，如果能正常接收上行信号，就给CMF改发填充报文表示上行信道工作正常。

接着，优化信道参数：CMFTS与CMF根据信道的传输情况（信号电平的高低、误码率的高低等），由接收端对相应信道的发送电平、码元速率、调制格式等提出优化申请，双方约定后进行实施。

然后，建立IP连接：主要包括：

A、     建立CMF的IP连接：由CMF发出请求；

B、     建立用户设备的IP连接：CMF和交换机转发用户设备的请求；

接着，通过TFTP（Trivial File Transfer Protocol，小文件传送协议）下载传输操作参数；

最后，设备注册，完成系统初始化；

第二、CMFTS控制器对下行信号进行处理

    主要包括，差错检测及处理；区分信息类型：视频或数据；用户地址处理：把组播地址所包含的用户通知CMF；视频信息的处理（包括A、视频信号的去抖动、节目参考时钟（Program Clock Reference，PCR）的处理；B、PID重映射、PSI的生成和插入等的处理；C、视频流复用处理）；数据信息的处理（包括优先级处理、地址信息处理、信息封装以及数据与视频流的复用）。

第三、调制、解调器对上、下行信号的处理

调制器对下行信号的处理包括：形成数据块：把控制器送来的信息分成块，并形成188字节的MPEG(Moving Picture, Experts Group，活动图像专家组)数据包；FEC 编码：FEC编码包括RS(Reed-Solomon)编码和交织编码；加扰；符号映射；滤波；调制。

解调器对下行信号的处理就是调制器对下行信号处理的逆过程。

调制、解调器对上行信号的处理与对下行信号的处理一致；不同的是上行信道分为两种，一种是码元速率为6.952Msym/s的信道，另一种是码元速率不高于2.56Msym/s的信道，前者与下行信道一致，可用于视频传输，后者不太适合视频传输。

第四、CMF对下行信号的转发

对于单播信道送来的信息，CMF的控制器先把解调后的信息分为视频与数据，对于数据，控制器要打开MPEG数据包，恢复射频MAC帧，然后再恢复以太网的MAC帧，并依据射频MAC帧扩展头中的优先及用户编号，把信息转发给用户。

对于视频信息，控制器要提取出SI、PSI并依据这些信息对视频信息解复用、恢复以太网帧并转发给用户。

下行的信息还包括广播信息和组播信息。这里的广播信息是指广播频道对网络覆盖地区发送的信息，主要是数字电视和广播信息。这种信息应根据用户的需要进行转发，方法如下：

1)      CMF把提取的SI和PSI信息转发给用户，使用户能产生EPG，用户根据EPG选择自己喜欢的节目，用户设备同时把这个信息发送给CMF，CMF就把这个用户加入到这个节目的组播组。以这种方法形成各个节目的组播组。

2)      CMF把节目的组播地址发送给用户，用户则根据组播地址接收所选的节目。

3)      CMF把解复用后的各个节目信息，按节目组播组的信息、组播地址及其相关的端口，转发给用户。

4)      CMF还要形成各个频道的组播组，这个组播组包括这个频道所有节目的用户，这个组播组用于发送SI和PSI信息。

组播信道的信息有些涉及使用费，需要授权，对于这类信息需要处理授权问题，CMFTS和CMF都无权处理，他们的任务是转发信息并根据授权信息形成组播组，要转发的信息还可能包含三种情况，分别为数据信息、管理信息、点播信息：

1)数据信息组播的处理：差错检测、区分优先级、发现并记录用户地址形成组播组、转发信息；

2)组播的管理信息处理：差错检测、区分优先级、管理信息的处理；

3)点播信息组播的处理：差错检测、区分优先级、发现并记录用户地址形成组播组、转发信息；

第五、CMF对上行信号的处理

主要包括：差错检测及处理、区分信息类型（视频或数据）、把视频送入带宽为8MHz的频道及其相关部件处理；用户地址处理；视频信息的处理（包括：视频信号的去抖动、节目参考时钟的处理、PID重映射、PSI的生成和插入等的处理以及视频流复用）；数据信息的处理（包括优先级处理、信息封装以及数据视频流复用处理）；

第六、CMFTS对上行信号的处理

CMFTS对上行信号的处理包括：差错检测、区分优先级、地址和转发处理，最终依据地址信息将上行的数据视频流传送到前端设备（服务器及CMFTS）或骨干网络中。