一种基于现有网络提升带宽的方案

王小明　高宝阳

摘要：针对网络传输带宽的瓶颈限制，该文提出一种带宽改造方案，对现有网络进行改造，设计的依据是电话线传输上行链路信号，闭路电视传输下行链路信号。利用现有的网络既可以实现上网功能，又可保持原有电话线路和电视线路的功能，减少重新布线造成的资源浪费，对解决光纤入户的带宽瓶颈问题和今后的家庭智能化提供一种方式。该文改造方案可以增加带宽，提高传输速率。

关键词：xDSL技术；Cable Modem；复合 Modem

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）16-3750-04

Abstract： An scheme of bandwidth-improvement to improve the existing network for the bottleneck limitation of the networks transmission bandwidth was presented here in the paper . It depends on a principle that telephone line transmit up-links signals and CATV transmit down-links signals . The use of the existing network can be realized basic functions of telephone and television at the same time， extra function of surfing the Internet . This design presented in the paper can effectively reduce the resource wast and provide a good way to solve the bandwidth bottleneck in FTTB（Fiber To The Building） and intelligent home in the future . The scheme in the paper can effectively increase bandwidth and increase the transmit data bit rate.

Key words： xDSL；Cable Modem；multi-modem

随着移动通信业务的迅猛发展，电话网络在多数地方已经成为一种线路部署到位，而利用率不高的网络，而在其覆盖区域采用调制解调器上网，速率提升有限且代价昂贵。而电视网络在我国部署早，普及的范围广泛，但功能单一。文献[1]中对三网融合的终端机顶盒的功能进行了应用研究，但此方案没有具体明确操作方法。而文献[2]、[3]中提出的改造方案和系统设计只是针对现有的有线电视网络进行业务扩展。该文针对传输带宽瓶颈问题结合现有技术提出的提升带宽方案，利用已有设备，采取在终端改进的方式实现网络覆盖。

1 改造的必要性

城乡大部分地区网络只能用已经覆盖的电话线路，而对广电网络分布没有很好的利用，导致传输带宽不能提升，重新部署光纤网络代价又特别大，而且进行重复投资，对资源浪费，这样的情况下，我们提出了两网合并，既可以达到三网合并的目的，又能减少资源浪费，还可承载网络。

1.1 电话网络传输特点

电话网络成熟的技术是xDSL技术，是美国贝尔通信研究所为VOD业务开发和利用双绞线传输高速数据的成熟技术。随着网络通信技术的快速速发展，对固定链路的高速用户业务需求日益高涨，基于双绞线的xDSL技术以其低廉成本实现用户高速获取数据而备受青睐。

xDSL是DSL的统称，是以普通电话线为传输介质、点对点传输的宽带接入技术。它可以在一根铜线上传送数据和语音信号，其主要优势在于利用现有的电话网络架构，而不需要对现有接入系统进行改造，即可方便地开通宽带业务，被认为是解决“最后一公里”的最佳选择之一。

ADSL是以普通电话线作为传输介质，虽然传统的Modem也是以电话线路传输的，但它只用了0～4kHz的低频信号段，而通过实验电话线上有接近2MHz带宽，ADSL正是使用了电话线路中没有使用的26kHz以后高频带信号段才能提供如此高的速率。基本工作流程是：经ADSL Modem编码后的信息通过电话线传到局端，再通过一个信号识别/分离器，如果是音频信号就传送给端局交换机进行语音通信处理，如果是数字信号就接入到因特网中[4]。

当用户和终端局两端连接ADSL Modem时，在这段电话线上产生了三个信息通信信道：一条信道为速率1.5～8Mb/s的高速下行链接通道，用于传输下行链路信息流；一条为速率l6kb/s～1Mb/s的中速双工通信信道，用于ADSL传输控制信息流和上行的数据流；一条普通的电话业务信道；且这三条信道在互不干扰的情况下可以同时工作。该信道具有一条高速下行数据流传输信道（到用户端），一条中速双工数据流信道和一个POTS（Plain Ordinary Telephone Switching，普通电话交换）传输信道（4kHz），POTS信道用以保证即使在ADSL连接失败的情况下，语音通信信道仍能正常运转。高速和中速通信信道可利用复用技术创建多条低速数据通道。ADSL的信道结构如图1所示。[6]

1.2广电网络传输特点

有线电视网络设计初期是以满足用户广播电视业务的。因此它先天即是一个单向网络，这从根本上限制了有线电视网络为用户提供如VOD点播、收发邮件、在线聊天等双向传输的业务。而这种双向交互式的业务却是当今发展最快，用户使用最广泛的业务，这一服务的缺失限制了有线电视网络用户的发展。另一方面，诸如IPTV、VOIP、VOD、视频会议、VPN等业务是未来通信网络利润空间最大的地方，如果有线电视线路无法提供这些业务，就会降低有线电视网络用户的ARPU值、减少了有线电视运营商的抗风险能力，在今后的市场竞争中将处于不利地位。endprint

任何事物都要两面性看待，就如同有线电视网一样，其局限性的一面同时也是其发展的优势所在。有线电视网络主要具有以下特点：

1） 全国联网。有线电视局域网通过光缆、微波、卫星线路实现互联，构成实现有线电视网络各种功能的物理基础。

2） 多功能的传输业务。由于广播电视的宽频带宽和普及率高，有线电视系统发展方向必然从单一的电视广播扩展为多功能的传输业务，包括语音、图像、电视信号和数据等。

3） 以数字信道为主。由于数字信号无论在存储、传输和交换方而都具有模拟信号无法替代的优势，加上各种数字处理终端的普及，提高了有线电视节目的质量等级。

4） 宽带高速。利用有线电视网络的宽带、通信网的广泛、IP网的灵活等优势，建设国家和全球信息基础设施.统一规划宽带高速的共享信息网络。

2 改造的可行性分析

2.1电话网络改造方式

我们的改造思路是在电话线路三个信道基础上保留电话线路，将其他的两个数据流合并成一个数据流，用于传输上行数据，形成一个速率为1.6～9Mbps的高速上行通道，一个普通的电话服务通道。高速上行数据流中传输所有上行信息，包括控制信令的传输，而调制可随着技术的发展选择多种方式，这样可以提高上行传输的速率和带宽。改进后的结构如图2所示。

2.2电视网络改造方式

HFC采用负载波频分复用方式，各种图像、数据和语音信号通过调制解调器同时在同轴电缆上传输，同轴电缆中各种信号的频谱安排的典型建议方案如图3所示。

在图3中，低频端的5～42MHz，共37MHz频带作为上行通道，即所谓回传通道。其中5～30MHz可以用来传输上行电话线路，30～42MHz用来传输其他上行数据业务。还可以分配为5～8MHz传输状态监视信息，8～12MHz传输VOD信令，15～42MHz传输上行电话信息。

48.5～1000MHz频段用于传输下行信息，其中48.5～550MHz频段用来传输已有的模拟CATV信号，每一条通道的带宽为6～8MHz，总共可以传输各种不同制式的电视信号60～80路。550～750MHz频段用来传输附加的模拟CATV信号或数字CATV信号或传输双向交互型通信服务。如采用64QAM调制方式和MPEG-2图像信号则频谱效率可达到56ps/Hz，从而可在一个6～8MHz的模拟通路内传输约30Mbp速率的数字信号，除必须的前向纠错等辅助比特后，大致相当于6～8路4Mb/s速率的MPEG-2图像信号。因此这200M带宽至少可传输约200路VOD信号，也可利用这部分频带传输数据或多媒体以及话音信号。若采用QPSK调制方式，每3.5MHz带宽可传输90路64kbps速率的语音信号或128k/p的信令和控制信息，适当选取6个3.5MHz子频带置入6～8MHz通路即可提供540路下行电话信道。通常，这200MHz频段上传输的是混合型业务传输[5]。

我们的假设模型在通路中除原来传输下行数据的信道保留外，其他用于传输上行线路的信道调整为传输下行信道以及一些扩展的低频带信道或者控制信令通过这条信道传输，实现资源的综合利用，这样在不改变原始传输信道的情况下下行信道增加37MHz，这个简单的改造意味着信道中传输的方向的改变，保持原始电视网络的前提下满足新增业务的需求。结构如图4所示。

2.3技术分析

1）调制方式。结合现有的技术，我们选定已有的DMT调制技术作为电话网络和有线电视网络公用的调制方式，随着技术的提升，也可为后面扩展提供更多的新业务。DMT调制技术的原理是将频带在0～1.104MHz上的一条完整信道分割成256条带频率标识的正交子信道（每个子信道占用4kHz带宽），输入信号经过正交子信道比特分配和缓存，使输入信号分成比特块，经TCM（Trellis Coded Modulation，网格编码调制）编码后对其再进行一次512点离散傅里叶逆变换（IDFT）实现频域信号到时域的转换，此时比特块已转换成256个QAM子字符。进一步处理再对每个比特块加上用来消除码间干扰的循环前缀符比特，经D/A转换器变换，通过发送滤波器将信号传输到信道。在接收端利用相反变换进行相反的操作对数据进行接收解码。

2）同步方式。系统采用有线电视网络时间同步方式，即在有线电视和固话网中采用统一的时钟控制同步方式，以有线电视网络控制信令实现同步，电话网路只提供相关的服务和保障，确保信道传输回路建立。

3）信令控制方式。采用有线电视网络控制模式，利用复合 Modem控制回路并在此基础上完成电话线路的调制，确保电话线路的畅通的前提下利用调制方式实现信道的综合利用。

4）分离方式。在复合调制解调器中加入单向控制回路，强制信道中的上行链路通过电话线路传输，下行链路数据通过电视线路传输，同时还能确保信息不会出现倒灌造成网络拥塞。在后续线路中集成Hub和无线路由器方便功能扩充，其模型如图5所示。

3 改造方案

3.1改造原理

原理是基于当前拥有成熟电话、闭路电视用户的基础上，不增加线路的情况下，对原有线路进行改造，利用电话线路传输带宽小，而用户端下载和浏览带宽大的特点，结合二者的优势，对网络进行改造，使其满足用户需求。

上下行链路分离在不同的物理传输介质中，既可以减少相互占用带宽而需要对传输链路进行控制产生的多余带宽，又可以尽最大限度发挥各自在传输信道上的所具有的基本优势，无需再考虑过于复杂的技术问题，同时在解决光纤入户上的频带瓶颈问题是一个突破。现运行的网络在各自的交换局端已经实现了光纤互联，为量子通信的发展铺平了道路，但光纤进户的成本制约用户提升网络使用和后期实现家庭智能化的障碍。

3.2利用现有技术

通过对前面固定电话网络和有线电视网络的分析，相关性能对比如表1所示，从改造的成本看只需要将末端的机顶盒进行改造，此改造的成本相对于用户来说接受的可能性大，而且对开发商来说其利润空间较大。endprint

3.3复合Modem工作原理

复合Modem加电之后，必须进行初始化，使恢复到设置的正常操作，才能进入网络，接收CMTS发送的数据信号，通过固定电话网络上传数据。其工作过程如下：

①与CMTS建立同步，以搜索下行信道：首先复合Modem必须与一个下行信道建立同步。复合Modem连续地对下行链路信号进行扫描，直到发现一个有效的下行链路信号。复合Modem与下行信号同步的准则为：与QAM码元定时同步、与FEC帧同步、与MPEG分组同步并标识下行链路访问控制的同步报文。

②获取上行信道传输参数：建立同步后，复合Modem通过电话网络上传上行信道描述符，以获得上行信道的传输参数找到UCD，并从同步信息中提取上行定时参数，找到MAP。

③校准同步： 复合Modem在获得上行链路信道的传输参数后，就可以与CMTS进行通信。CMTS会在MAP中给该复合Modem分配一个初始维护的传输过程，用于调整复合Modem传输的电平、频率等同步参数。另外，CMTS还会周期性地给复合Modem发送维护信息，用于对复合Modem进行周期性的校准同步。

④建立IP连接：校准同步完成后，复合Modem通过动态主机配置协议（DHCP）服务器上获取本机的IP地址。DHCP服务器的响应中必须包含配置参数文件的文件名，放置这些配置参数的TFTP服务器的IP地址、时间服务器的IP地址等相关信息。

⑤建立时间（TOD）信息：复合Modem采用IETF定义的RFC868协议从时间服务器中获取当前的日期和时间信息。RFC868定义了获得时间的两种方式，一种方式是面向连接的对应获取，另一种方式是面向无连接的广播获取。CMTS采用面向无连接方式从TOD服务器获得复合Modem所需的时间信息。

⑥建立安全机制：作为通信的基础保障，这里可使用RSM模块建立安全保障。如果没有安全协定建立，那么复合Modem必须与安全服务器建立安全通道保障安全。安全服务器的IP地址可从DHCP服务器的响应中获取。

⑦传输操作参数：复合Modem须使用TFTP协议从TFTP服务器上下载配置基础信息参数文档，获取所需的各类参数值。

⑧初始化基本信息保密机制：在得到基本配置参数配置后，若RSM模块没有检测到，复合Modem需要进行初始化基本保密机制配置。完成初始化后，复合Modem将使用下载的配置参数向CMTS申请注册，当复合Modem接收到CMTS发出的注册信息后，复合Modem就进入正常的工作模式[4]。

其工作原理如图6所示：

4 小结

现代通信技术已经发展到光纤传输，其带宽和速率高，而最后一公里的进户问题解决中提出了不少方案，但在研制方面基于相互独立体系，没有对现有网络进行利用。该文所提的这种解决方案是基于实用的角度出发，在分析了相互之间已经存在成熟技术的基础上，对电路部分进行改进，不需要增加太多的设备，利用已有的电视、电话线路。交换部分设备只需要增加部分连接线路，可使电话端局与有线电视网络接入Internet，同时提高了带宽。

参考文献：

[1] 王兆庆.基于三网融合环境下机顶盒的应用研究[J].现代电子技术，2012，9：157-159.

[2] 刘文新.有线电视网络的双向改造技术[J].信息科技，2012，8：224.

[3] 刘静.基于EPON的三网融合通信服务系统的设计[J].计算机测量与控制，2011，19（11）：2868-2870.

[4] 姚军，毛昕蓉.现代通信网[M].北京：人民邮电出版社，2010，9：133-138.

[5] 詹青龙，常承阳，顾剑锋.网络视频技术[M].北京：清华大学出版社，2010，11：278-279.

[6] 王惠玲.有线电视：实用技术与新技术[M].西安：西安电子科技出版社，2010，6.endprint

3.3复合Modem工作原理

复合Modem加电之后，必须进行初始化，使恢复到设置的正常操作，才能进入网络，接收CMTS发送的数据信号，通过固定电话网络上传数据。其工作过程如下：

①与CMTS建立同步，以搜索下行信道：首先复合Modem必须与一个下行信道建立同步。复合Modem连续地对下行链路信号进行扫描，直到发现一个有效的下行链路信号。复合Modem与下行信号同步的准则为：与QAM码元定时同步、与FEC帧同步、与MPEG分组同步并标识下行链路访问控制的同步报文。

②获取上行信道传输参数：建立同步后，复合Modem通过电话网络上传上行信道描述符，以获得上行信道的传输参数找到UCD，并从同步信息中提取上行定时参数，找到MAP。

③校准同步： 复合Modem在获得上行链路信道的传输参数后，就可以与CMTS进行通信。CMTS会在MAP中给该复合Modem分配一个初始维护的传输过程，用于调整复合Modem传输的电平、频率等同步参数。另外，CMTS还会周期性地给复合Modem发送维护信息，用于对复合Modem进行周期性的校准同步。

④建立IP连接：校准同步完成后，复合Modem通过动态主机配置协议（DHCP）服务器上获取本机的IP地址。DHCP服务器的响应中必须包含配置参数文件的文件名，放置这些配置参数的TFTP服务器的IP地址、时间服务器的IP地址等相关信息。

⑤建立时间（TOD）信息：复合Modem采用IETF定义的RFC868协议从时间服务器中获取当前的日期和时间信息。RFC868定义了获得时间的两种方式，一种方式是面向连接的对应获取，另一种方式是面向无连接的广播获取。CMTS采用面向无连接方式从TOD服务器获得复合Modem所需的时间信息。

⑥建立安全机制：作为通信的基础保障，这里可使用RSM模块建立安全保障。如果没有安全协定建立，那么复合Modem必须与安全服务器建立安全通道保障安全。安全服务器的IP地址可从DHCP服务器的响应中获取。

⑦传输操作参数：复合Modem须使用TFTP协议从TFTP服务器上下载配置基础信息参数文档，获取所需的各类参数值。

⑧初始化基本信息保密机制：在得到基本配置参数配置后，若RSM模块没有检测到，复合Modem需要进行初始化基本保密机制配置。完成初始化后，复合Modem将使用下载的配置参数向CMTS申请注册，当复合Modem接收到CMTS发出的注册信息后，复合Modem就进入正常的工作模式[4]。

其工作原理如图6所示：

4 小结

现代通信技术已经发展到光纤传输，其带宽和速率高，而最后一公里的进户问题解决中提出了不少方案，但在研制方面基于相互独立体系，没有对现有网络进行利用。该文所提的这种解决方案是基于实用的角度出发，在分析了相互之间已经存在成熟技术的基础上，对电路部分进行改进，不需要增加太多的设备，利用已有的电视、电话线路。交换部分设备只需要增加部分连接线路，可使电话端局与有线电视网络接入Internet，同时提高了带宽。

参考文献：

[1] 王兆庆.基于三网融合环境下机顶盒的应用研究[J].现代电子技术，2012，9：157-159.

[2] 刘文新.有线电视网络的双向改造技术[J].信息科技，2012，8：224.

[3] 刘静.基于EPON的三网融合通信服务系统的设计[J].计算机测量与控制，2011，19（11）：2868-2870.

[4] 姚军，毛昕蓉.现代通信网[M].北京：人民邮电出版社，2010，9：133-138.

[5] 詹青龙，常承阳，顾剑锋.网络视频技术[M].北京：清华大学出版社，2010，11：278-279.

[6] 王惠玲.有线电视：实用技术与新技术[M].西安：西安电子科技出版社，2010，6.endprint

3.3复合Modem工作原理

复合Modem加电之后，必须进行初始化，使恢复到设置的正常操作，才能进入网络，接收CMTS发送的数据信号，通过固定电话网络上传数据。其工作过程如下：

①与CMTS建立同步，以搜索下行信道：首先复合Modem必须与一个下行信道建立同步。复合Modem连续地对下行链路信号进行扫描，直到发现一个有效的下行链路信号。复合Modem与下行信号同步的准则为：与QAM码元定时同步、与FEC帧同步、与MPEG分组同步并标识下行链路访问控制的同步报文。

②获取上行信道传输参数：建立同步后，复合Modem通过电话网络上传上行信道描述符，以获得上行信道的传输参数找到UCD，并从同步信息中提取上行定时参数，找到MAP。

③校准同步： 复合Modem在获得上行链路信道的传输参数后，就可以与CMTS进行通信。CMTS会在MAP中给该复合Modem分配一个初始维护的传输过程，用于调整复合Modem传输的电平、频率等同步参数。另外，CMTS还会周期性地给复合Modem发送维护信息，用于对复合Modem进行周期性的校准同步。

④建立IP连接：校准同步完成后，复合Modem通过动态主机配置协议（DHCP）服务器上获取本机的IP地址。DHCP服务器的响应中必须包含配置参数文件的文件名，放置这些配置参数的TFTP服务器的IP地址、时间服务器的IP地址等相关信息。

⑤建立时间（TOD）信息：复合Modem采用IETF定义的RFC868协议从时间服务器中获取当前的日期和时间信息。RFC868定义了获得时间的两种方式，一种方式是面向连接的对应获取，另一种方式是面向无连接的广播获取。CMTS采用面向无连接方式从TOD服务器获得复合Modem所需的时间信息。

⑥建立安全机制：作为通信的基础保障，这里可使用RSM模块建立安全保障。如果没有安全协定建立，那么复合Modem必须与安全服务器建立安全通道保障安全。安全服务器的IP地址可从DHCP服务器的响应中获取。

⑦传输操作参数：复合Modem须使用TFTP协议从TFTP服务器上下载配置基础信息参数文档，获取所需的各类参数值。

⑧初始化基本信息保密机制：在得到基本配置参数配置后，若RSM模块没有检测到，复合Modem需要进行初始化基本保密机制配置。完成初始化后，复合Modem将使用下载的配置参数向CMTS申请注册，当复合Modem接收到CMTS发出的注册信息后，复合Modem就进入正常的工作模式[4]。

其工作原理如图6所示：

4 小结

现代通信技术已经发展到光纤传输，其带宽和速率高，而最后一公里的进户问题解决中提出了不少方案，但在研制方面基于相互独立体系，没有对现有网络进行利用。该文所提的这种解决方案是基于实用的角度出发，在分析了相互之间已经存在成熟技术的基础上，对电路部分进行改进，不需要增加太多的设备，利用已有的电视、电话线路。交换部分设备只需要增加部分连接线路，可使电话端局与有线电视网络接入Internet，同时提高了带宽。

参考文献：

[1] 王兆庆.基于三网融合环境下机顶盒的应用研究[J].现代电子技术，2012，9：157-159.

[2] 刘文新.有线电视网络的双向改造技术[J].信息科技，2012，8：224.

[3] 刘静.基于EPON的三网融合通信服务系统的设计[J].计算机测量与控制，2011，19（11）：2868-2870.

[4] 姚军，毛昕蓉.现代通信网[M].北京：人民邮电出版社，2010，9：133-138.

[5] 詹青龙，常承阳，顾剑锋.网络视频技术[M].北京：清华大学出版社，2010，11：278-279.

[6] 王惠玲.有线电视：实用技术与新技术[M].西安：西安电子科技出版社，2010，6.endprint