摘要：以Broadcom公司生產(chǎn)的Cable Modem專用芯片BCM3345為基礎(chǔ),開發(fā)了一種基于DOCSIS1.1的高性能Cable Modem產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方案,同時(shí)給出了該方案硬軟件的具體實(shí)現(xiàn)方法,并設(shè)計(jì)搭建了相應(yīng)的調(diào)試平臺(tái)。該方案采用CMOS TUNER設(shè)計(jì),相比以前同類設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,成本也大大降低。

    關(guān)鍵詞：電纜調(diào)制解調(diào)器 寬帶接入網(wǎng) 混合光纖同軸電纜網(wǎng)絡(luò) 媒體接入控制

現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的光纖化、數(shù)字化不斷發(fā)展與成熟,其主干網(wǎng)基本實(shí)現(xiàn)了光纖寬帶化和數(shù)字化,容量有了新的突破,已能夠滿足當(dāng)前多媒體信息傳輸?shù)膶拵�、�?shí)時(shí)、高速的要求。然而,因?yàn)榧夹g(shù)和成本的原因、為廣大用戶提供接入服務(wù)的接入網(wǎng),大部分卻還處于傳統(tǒng)的銅纜雙絞線接入方式,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)日益增長(zhǎng)的Internet業(yè)務(wù)的需求。因此,尋找一種可以的寬帶接入網(wǎng)就成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題�；旌瞎饫w同軸（HFC）網(wǎng)絡(luò)作為目前唯一的寬帶入戶網(wǎng)絡(luò),其真正的寬帶介質(zhì)和獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

1 HFC接入網(wǎng)

1.1 HFC網(wǎng)絡(luò)介紹

混合光纖同軸網(wǎng)（HFC）的概念最初由貝爾實(shí)驗(yàn)室提出。它的基本特征是在目前有線電視網(wǎng)的基礎(chǔ)上,以模擬傳輸方式綜合接入應(yīng)用模擬和數(shù)字傳輸技術(shù)、光纖和同軸電纜技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種業(yè)務(wù)信息。HFC網(wǎng)具有速度快、收費(fèi)低廉、永久連接、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢(shì),且能同時(shí)支持目前的模擬和數(shù)字服務(wù),可以平滑過(guò)渡到今后的光纖到戶和全數(shù)字化服務(wù)。它是光纖逐步推向用戶的一種新的發(fā)展策略。

HFC網(wǎng)絡(luò)主要采用Cable Modem技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)Cable Modem系統(tǒng)由局端的中心設(shè)備CMTS（Cable Modem Terminal System即Cable Modem終端系統(tǒng)）和用戶端的CM（Cable Modem）兩部分設(shè)備組成,構(gòu)成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)橋接設(shè)備,主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與HFC網(wǎng)絡(luò)在媒體訪問(wèn)控制（MAC）層的橋接以及IP網(wǎng)絡(luò)層的路由功能。其他的一些管理功能（如頻譜管理,軟件下載等）則加載到IP上。

1.2 HFC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

為了約束HFC網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的研制,從而保證由不同的廠商所開發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的一致性、兼容性、開放性以及通用性,Cable Modem的研制與開發(fā)必須遵循一定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前HFC網(wǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)主要包括IEEE802.14、DOCSIS、DAVIC等。其中DOCSIS規(guī)范相對(duì)來(lái)說(shuō)比較完善,實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為靈活,已經(jīng)成為HFC領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)際上大部分CM以及前端設(shè)備CMTS的研制工作都是基于DOCSIS規(guī)范的。本文所討論的Cable Modem的開發(fā)工作就是在DOCSIS1.1規(guī)范的基礎(chǔ)上所展開的。

DOCSIS標(biāo)準(zhǔn)由MCNS組織制定。對(duì)Cable Modem的各種接口、操作方式及網(wǎng)絡(luò)管理、安全控制等方面給出了詳細(xì)的規(guī)定。與IEEE802.14不同,MCNS從市場(chǎng)的角度出發(fā),充分考慮如何做到最小的投資和最短的產(chǎn)品周期,在MAC層協(xié)議規(guī)范上采用了基于IP的可變長(zhǎng)度分組包方案,為用戶提供IP透明的數(shù)據(jù)傳輸。并可同時(shí)與ATM兼容,從而使網(wǎng)絡(luò)的靈活性大大提高。

2 Cable Modem的實(shí)現(xiàn)方案分析

2.1 Cable Modem協(xié)議堆棧

電纜調(diào)制解調(diào)器（CM）作為HFC網(wǎng)中用戶端的終端設(shè)備,其主要作用除了調(diào)制解調(diào)外,還在用戶和HFC網(wǎng)絡(luò)端之間起信息傳遞的橋梁作用。CM接收并處理HFC網(wǎng)前端設(shè)備CMTS發(fā)送過(guò)來(lái)的各種數(shù)據(jù)以及管理信息,并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息傳送給與此CM相關(guān)連接的用戶應(yīng)用設(shè)備CPE（Customer Premises Equipment）,同時(shí)負(fù)責(zé)將CPE中的信息轉(zhuǎn)化為HFC網(wǎng)絡(luò)中的幀格式傳送到前端。圖1中說(shuō)明了CM的協(xié)議堆棧[1～2]。

由圖1可以看出,CM對(duì)于HFC網(wǎng)中所傳遞的數(shù)據(jù)的處理工作大部分都是在IP層以下進(jìn)行的,而對(duì)于IP包中所包含的具體內(nèi)容則一般不做處理。左右兩部分的接口協(xié)議,分別對(duì)應(yīng)了與HFC網(wǎng)的協(xié)議（DOCSIS1.1）以及與CPE相連網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議（IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議）。通過(guò)CM的橋接功能使得兩部分協(xié)議之間可以進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。

在與HFC網(wǎng)相連接的一側(cè),物理層的協(xié)議分為處理上行信道物理層信號(hào)的協(xié)議模塊Upstream Cable PMD（Physical Media Dependent）和處理下行信道物理層中信號(hào)的協(xié)議模塊DS TC Layer(Downstream Transmission Convergence Sub-layer)、Cable PMD兩大部分。其中Upstream Cable PMD的主要功能是對(duì)MAC層所傳來(lái)的MAC信息進(jìn)行信道編碼和調(diào)制,轉(zhuǎn)化為中頻信號(hào),送入HFC網(wǎng)的上行信道中進(jìn)行傳輸。下行Cable PMD的主要功能是將在下行信道中接收的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為MPEG2碼流形式的數(shù)字基帶信號(hào),然后由DS TC Layer負(fù)責(zé)對(duì)MPEG2的包進(jìn)行分解,恢復(fù)HFC網(wǎng)絡(luò)的MAC幀,向上送到MAC層。

Cable MAC模塊對(duì)應(yīng)HFC網(wǎng)中的MAC層協(xié)議,主要功能是解決HFC上行信道中的時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)、沖突解決、帶寬管理等問(wèn)題,組織網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸,使HFC網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)資源得以充分利用。

Link Security的主要功能是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中傳遞的用戶數(shù)據(jù)加密,保證傳遞信息的安全性。

由前端CMTS傳送來(lái)的一些專門針對(duì)CM的高層管理信息,包括SNMP、TFTP、DHCP協(xié)議的信息,都位于IP層以上。CM要對(duì)這些信息的IP包在IP層以上進(jìn)行進(jìn)一步處理,其協(xié)議棧中就要包含有IP的協(xié)議模塊。而對(duì)于CPE的數(shù)據(jù)信息,在與HFC網(wǎng)相連的一側(cè)CM只處理到數(shù)據(jù)鏈路層為止,將其還原為IP包后再由以太網(wǎng)的協(xié)議堆棧轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)的MAC幀,送給相應(yīng)的CPE。

2.2 Cable Modem的實(shí)現(xiàn)方案

跟蹤C(jī)M的協(xié)議堆棧,在Cable Modem設(shè)計(jì)方案中主要包含以下功能模塊：上/下行方向物理層處理模塊、MAC層處理模塊、上層協(xié)議處理模塊、接口模塊。接口模塊包括與HFC網(wǎng)絡(luò)同軸電纜的接口以及與以太網(wǎng)之間的10Base-T接口,一個(gè)中央處理器來(lái)管理與協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作進(jìn)程以及模塊間的數(shù)據(jù)通信,此外還需要相應(yīng)的存儲(chǔ)器單元作為軟件代碼的運(yùn)行空間和各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。

在綜合考慮了各種性能指標(biāo)、基本功能、成本、可靠性、體積等因素后,為了降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,提高可靠性,選用Broadcom公司生產(chǎn)的Cable Modem專用芯片BCM3345作為系統(tǒng)的核心芯片。BCM3345是目前國(guó)際上功能最強(qiáng)大的基于DOCSIS1.1的Cable Modem專用芯片。它將140MHz的MIPS 32 Cable Modem CORE、一個(gè)10/100Mb以太網(wǎng)接口和一個(gè)上行功率放大集成到了一個(gè)單片機(jī)的CMOS集成電路中（0.18μm CMOS工藝）。提供了一個(gè)高性能、高集成度的專用CM芯片。較之Broadcom公司推出了上一代CM專用芯片BCM3350,BCM3345采用了CMOS的調(diào)諧器,并增加了上行功率放大功能,使得CM設(shè)計(jì)減少了許多外設(shè),體積和成本方面有更大的優(yōu)勢(shì)[3]。

根據(jù)BCM3345所提供的功能接口設(shè)計(jì)CM,整個(gè)CM的硬件實(shí)現(xiàn)包括射頻信號(hào)處理、存儲(chǔ)器的訪問(wèn)方式、系統(tǒng)總線以及時(shí)序、各種接口電路以及調(diào)試電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等。圖2示出了利用BCM3345實(shí)現(xiàn)Cable Modem的硬件結(jié)構(gòu)框圖。