基于DOCSIS1.1的新一代CableModem論文
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А?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。混合光纖同軸（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。
Cable Modem的射頻電路部門負(fù)責(zé)與HFC網(wǎng)之間的信息傳遞與交換工作。主要由一個(gè)調(diào)諧器（Tuner）及濾波電路組成。在下行方向，Tuner將CM的接收頻率調(diào)諧到某一個(gè)HFC網(wǎng)的卡行信道，接收其中的射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波后轉(zhuǎn)化為中頻信號(hào)，傳送到BCM3345中的下行方向物理層模塊中；在上行方向，Tuner接收來(lái)自BCM3345上行信道物理層模塊中的中頻信號(hào)，并按照一定的功率要求將其送入HFC網(wǎng)絡(luò)的上行信道中（在上行傳輸方向，BCM3345輸出已經(jīng)經(jīng)過(guò)調(diào)制的中頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)LC濾波網(wǎng)絡(luò)后重又送入BCM3345，在片內(nèi)進(jìn)行功率放大，最后送往Tuner。這樣功率的增益可以根據(jù)前端的要求在BCM3345中進(jìn)行控制）。這里采用的是專門定制的CMOS TUNER作為Cable Modem中使用的調(diào)諧器。該Tuner在上下行方向所覆蓋的頻率范圍分別是5～42MHz和50～860MHz，它可以將所接收的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為中心頻率為44MHz的中頻信號(hào)。Tuner的工作狀態(tài)由BCM3345通過(guò)I2C總線進(jìn)行控制。Tuner采用阻抗為75Ω的F端口與HFC網(wǎng)中的同軸電纜進(jìn)行連接。
在Cable Modem中的存儲(chǔ)主要有兩種，分別是同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（SDRAM）和閃存（Flash）。SDRAM選用Micron MT48LC4M16A2TG-8EIT。它是整個(gè)Cable Modem系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器。一方面作為系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)存空間，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)存放各種程序代碼以及臨時(shí)數(shù)據(jù)、操作系統(tǒng)所需的各種堆棧、隊(duì)列等，另一方面還作為CPU與MAC層模塊之間的數(shù)據(jù)共享緩存。
Flash在掉電后仍然保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失，而且可以多次讀寫。因此將其用來(lái)存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、功能軟件的可執(zhí)行代碼以及各種重要的配置數(shù)據(jù)。選用兩片INTEL TE28F160作為Cable Modem中的Flash。它的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式為1M×16bit，兩片的總存儲(chǔ)容量為4MB。其擦寫次數(shù)高達(dá)100，000次，足以保證在Cable Modem有效壽命內(nèi)正常運(yùn)行。
對(duì)于各種不同的存儲(chǔ)器，CPU將它們與BCM3345中的所有寄存器放在一起統(tǒng)一進(jìn)行編址，使它們都處于同一個(gè)址編碼范圍之內(nèi)。CPU為不同的存儲(chǔ)器分配一個(gè)基地址，對(duì)各個(gè)存儲(chǔ)單元或者寄存器的訪問(wèn)通過(guò)基地址加上相應(yīng)的偏移量即可實(shí)現(xiàn)。
在Cable Modem進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)為其留出了多種接口，作為用戶使用接口及系統(tǒng)調(diào)試之用。主要包括以太網(wǎng)接口、通用串行總線（Universal Serial Bus，簡(jiǎn)稱USB）接口、RS-232口等。其中以太網(wǎng)接口、USB接口是用來(lái)與CPE相連接的，RS-232接口是用于系統(tǒng)調(diào)試的。以太網(wǎng)接口是符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的10Base-T接口。在以太網(wǎng)接口電路中主要采用符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的接口芯片Pulse h1102來(lái)完成以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)。在USB接口電路中使用了德州儀器公司生產(chǎn)的SN75240。由于在USB的信號(hào)傳遞過(guò)程中會(huì)摻雜進(jìn)瞬間的高壓噪聲，這些噪聲對(duì)USB口的收發(fā)電路將產(chǎn)生致命的危害，因此需要對(duì)這些噪聲電壓進(jìn)行抑制。SN75240可以對(duì)USB接口中的不正常電壓進(jìn)行有效的抑制，以保證硬件設(shè)備的安全。
2.3 Cable Modem的軟件結(jié)構(gòu)
Cable Modem的設(shè)計(jì)采用嵌入式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行時(shí)需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持。所謂嵌入式操作系統(tǒng)就是指操作系統(tǒng)與最終的功能軟件一起進(jìn)行編譯鏈接，形成一個(gè)單獨(dú)的程序代碼，最后集成到硬件系統(tǒng)中，而不像普通操作系統(tǒng)那樣應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)分離。類似于BIOS的工作方式，具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。在筆者開發(fā)的Cable Modem中，選用的操作系統(tǒng)為PSOS2.0。
建立在操作系統(tǒng)之上的軟件部分就是Cable Modem的功能軟件了。Cable Modem功能軟件的主要作用是控制與協(xié)調(diào)各硬件模塊的工作流程，以及完成CM中IP層以上的協(xié)議管理。其中軟件對(duì)硬件部門的控制操作功能主要是通過(guò)讀寫相關(guān)芯片中的寄存器來(lái)完成。由于PSOS系統(tǒng)要用多任務(wù)內(nèi)核，允許系統(tǒng)同一個(gè)時(shí)刻可以多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行。而Cable Modem的工作過(guò)程也需要同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)操作以及工作，如下行信道的信號(hào)接收與上行信道的信號(hào)發(fā)送可能會(huì)同時(shí)進(jìn)行，因此在CM的功能軟件中包含了多個(gè)任務(wù)。其中共有五個(gè)主要任務(wù)：主任務(wù)MainTask、同步任務(wù)SyncTask、雜項(xiàng)任務(wù)MiscTask、MAC層處理任務(wù)MacTask以及BCM3345的應(yīng)用程序接口任務(wù)ApiTask。
MainTask的主要功能是在Cable Modem加電或者復(fù)位后進(jìn)行相應(yīng)的初始化工作。同步信號(hào)SyncTask在Cable Modem的運(yùn)行過(guò)程中是一直處于激活狀態(tài)的，它的主要功能就是處理前端定時(shí)發(fā)送的同步信息。雜項(xiàng)任務(wù)MiscTask主要負(fù)責(zé)控制C模塊各個(gè)LED指示燈的開關(guān)，以顯示Cable Modem當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)；同時(shí)還負(fù)責(zé)控制以太網(wǎng)口的開關(guān)、響應(yīng)復(fù)位健等。MacTask的主要功能是管理與控制Cable Modem中MAC層硬件的工作情況，同時(shí)實(shí)現(xiàn)MAC層模塊與CPU之間的數(shù)據(jù)交換。BCM3345的應(yīng)用程序接口任務(wù)ApiTask提供了一組與BCM3345相關(guān)的功能模塊寄存器讀寫的接口函數(shù)，當(dāng)軟件要通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)某一功能時(shí)，只需調(diào)用相應(yīng)的接口函數(shù)即可，無(wú)需關(guān)心具體的讀寫過(guò)程，簡(jiǎn)經(jīng)了軟件的開發(fā)過(guò)程。
2.4 系統(tǒng)調(diào)試平臺(tái)
在完成了Cable Modem的軟硬件設(shè)計(jì)后，必須進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試，以對(duì)當(dāng)前所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的CM功能進(jìn)行測(cè)試，找出軟硬件設(shè)計(jì)中存在不足以及整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的缺陷，從而加以改進(jìn)，保證最終完成的Cable Modem產(chǎn)品的可靠性。
要進(jìn)行Cable Modem的功能調(diào)試和性能檢測(cè)，需要搭建一個(gè)模擬的HFC網(wǎng)絡(luò)，將Calbe Modem放置在HFC網(wǎng)中，通過(guò)與CMTS之間的交互工作進(jìn)行調(diào)試和檢測(cè)。為此，搭建了一個(gè)小型的HFC網(wǎng)，作為專門的Cable Modem功能和特性調(diào)試環(huán)境。
其中前端采用由北方電信（Nortel）公司生產(chǎn)的CMTS1000，前端下行輸出信號(hào)直接與射頻信號(hào)。經(jīng)過(guò)一個(gè)兩部的分支分配器與上行信道合并為一個(gè)通道，經(jīng)同軸電纜傳輸。CMTS還經(jīng)過(guò)100BaseT的接口與基于WindowsNT4.0 Server的服務(wù)器相連接，該服務(wù)器提供DHCP、TFTP、SNMP的服務(wù)器端程序。客戶端程序運(yùn)行在Cable Modem中。為了模擬真實(shí)的HFC網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)中加入了一個(gè)20dB的衰減器，以增大傳輸衰減。Calbe Modem經(jīng)同軸電纜與模擬HFC網(wǎng)相連接，經(jīng)RS-232接口與調(diào)試所用的主機(jī)相連接。此外，Cable Modem還分別經(jīng)HUB以及USB接口與CPE相連接。在調(diào)試環(huán)境中的CPE是基于Windows 98的個(gè)人電腦。
Cable Modem作為HFC網(wǎng)的用戶端設(shè)備，可以為用戶提供網(wǎng)絡(luò)的接入服務(wù)，是HFC網(wǎng)中的重要組成部分。通過(guò)分析Clabe Modem的協(xié)議堆棧以及功能要求等，綜合考慮系統(tǒng)的功能、成本、穩(wěn)定性等方面因素的前提下，給出了一種高性能、低成本的Cable Modem開發(fā)方案。