基于DOCSIS1.1的新一代CableModem論文
摘要：以Broadcom公司生產的Cable Modem專用芯片BCM3345為基礎，開發了一種基于DOCSIS1.1的高性能Cable Modem產品實現方案，同時給出了該方案硬軟件的具體實現方法，并設計搭建了相應的調試平臺。該方案采用CMOS TUNER設計，相比以前同類設計，結構更簡單，成本也大大降低。
關鍵詞：電纜調制解調器 寬帶接入網 混合光纖同軸電纜網絡 媒體接入控制
現場通信網絡的光纖化、數字化不斷發展與成熟，其主干網基本實現了光纖寬帶化和數字化，容量有了新的突破，已能夠滿足當前多媒體信息傳輸的寬帶、實時、高速的要求。然而，因為技術和成本的原因、為廣大用戶提供接入服務的接入網，大部分卻還處于傳統的銅纜雙絞線接入方式，遠遠不能滿足人們對日益增長的Internet業務的需求。因此，尋找一種可以的寬帶接入網就成為當前網絡研究中的一個熱點問題。混合光纖同軸（HFC）網絡作為目前唯一的寬帶入戶網絡，其真正的寬帶介質和獨特的網絡結構，具有不可替代的優勢。
1 HFC接入網
1.1 HFC網絡介紹
混合光纖同軸網（HFC）的概念最初由貝爾實驗室提出。它的基本特征是在目前有線電視網的基礎上，以模擬傳輸方式綜合接入應用模擬和數字傳輸技術、光纖和同軸電纜技術、網絡技術等多種業務信息。HFC網具有速度快、收費低廉、永久連接、覆蓋范圍廣等優勢，且能同時支持目前的模擬和數字服務，可以平滑過渡到今后的光纖到戶和全數字化服務。它是光纖逐步推向用戶的一種新的發展策略。
HFC網絡主要采用Cable Modem技術來實現數據傳輸。一個Cable Modem系統由局端的中心設備CMTS（Cable Modem Terminal System即Cable Modem終端系統）和用戶端的CM（Cable Modem）兩部分設備組成，構成了一個網絡橋接設備，主要用來實現以太網與HFC網絡在媒體訪問控制（MAC）層的橋接以及IP網絡層的路由功能。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網絡協議標準
為了約束HFC網中數據傳輸設備的研制，從而保證由不同的廠商所開發的數據傳輸設備的一致性、兼容性、開放性以及通用性，Cable Modem的研制與開發必須遵循一定的國際標準。當前HFC網的國際標準主要包括IEEE802.14、DOCSIS、DAVIC等。其中DOCSIS規范相對來說比較完善，實現起來較為靈活，已經成為HFC領域應用最廣泛的國際標準。目前國際上大部分CM以及前端設備CMTS的研制工作都是基于DOCSIS規范的。本文所討論的Cable Modem的開發工作就是在DOCSIS1.1規范的基礎上所展開的。
DOCSIS標準由MCNS組織制定。對Cable Modem的各種接口、操作方式及網絡管理、安全控制等方面給出了詳細的規定。與IEEE802.14不同，MCNS從市場的角度出發，充分考慮如何做到最小的投資和最短的產品周期，在MAC層協議規范上采用了基于IP的可變長度分組包方案，為用戶提供IP透明的數據傳輸。并可同時與ATM兼容，從而使網絡的靈活性大大提高。
2 Cable Modem的實現方案分析
2.1 Cable Modem協議堆棧
電纜調制解調器（CM）作為HFC網中用戶端的終端設備，其主要作用除了調制解調外，還在用戶和HFC網絡端之間起信息傳遞的橋梁作用。CM接收并處理HFC網前端設備CMTS發送過來的各種數據以及管理信息，并將相應的數據信息傳送給與此CM相關連接的用戶應用設備CPE（Customer Premises Equipment），同時負責將CPE中的信息轉化為HFC網絡中的幀格式傳送到前端。圖1中說明了CM的協議堆棧[1～2]。
由圖1可以看出，CM對于HFC網中所傳遞的數據的處理工作大部分都是在IP層以下進行的，而對于IP包中所包含的具體內容則一般不做處理。左右兩部分的接口協議，分別對應了與HFC網的協議（DOCSIS1.1）以及與CPE相連網絡的協議（IEEE802.3以太網協議）。通過CM的橋接功能使得兩部分協議之間可以進行相互轉換。
在與HFC網相連接的一側，物理層的協議分為處理上行信道物理層信號的協議模塊Upstream Cable PMD（Physical Media Dependent）和處理下行信道物理層中信號的協議模塊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MAC層所傳來的MAC信息進行信道編碼和調制，轉化為中頻信號，送入HFC網的上行信道中進行傳輸。下行Cable PMD的主要功能是將在下行信道中接收的射頻信號轉化為MPEG2碼流形式的數字基帶信號，然后由DS TC Layer負責對MPEG2的包進行分解，恢復HFC網絡的MAC幀，向上送到MAC層。
Cable MAC模塊對應HFC網中的MAC層協議，主要功能是解決HFC上行信道中的時隙競爭、沖突解決、帶寬管理等問題，組織網絡中的數據傳輸，使HFC網的網絡資源得以充分利用。
Link Security的主要功能是對網絡中傳遞的用戶數據加密，保證傳遞信息的安全性。
由前端CMTS傳送來的一些專門針對CM的高層管理信息，包括SNMP、TFTP、DHCP協議的信息，都位于IP層以上。CM要對這些信息的IP包在IP層以上進行進一步處理，其協議棧中就要包含有IP的協議模塊。而對于CPE的數據信息，在與HFC網相連的一側CM只處理到數據鏈路層為止，將其還原為IP包后再由以太網的協議堆棧轉化為以太網的MAC幀，送給相應的CPE。
2.2 Cable Modem的實現方案
跟蹤CM的協議堆棧，在Cable Modem設計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、上層協議處理模塊、接口模塊。接口模塊包括與HFC網絡同軸電纜的接口以及與以太網之間的10Base-T接口，一個中央處理器來管理與協調各個模塊的工作進程以及模塊間的數據通信，此外還需要相應的存儲器單元作為軟件代碼的運行空間和各種數據的存儲空間。
在綜合考慮了各種性能指標、基本功能、成本、可靠性、體積等因素后，為了降低系統設計的復雜性，提高可靠性，選用Broadcom公司生產的Cable Modem專用芯片BCM3345作為系統的核心芯片。BCM3345是目前國際上功能最強大的基于DOCSIS1.1的Cable Modem專用芯片。它將140MHz的MIPS 32 Cable Modem CORE、一個10/100Mb以太網接口和一個上行功率放大集成到了一個單片機的CMOS集成電路中（0.18μm CMOS工藝）。提供了一個高性能、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的調諧器，并增加了上行功率放大功能，使得CM設計減少了許多外設，體積和成本方面有更大的優勢[3]。
根據BCM3345所提供的功能接口設計CM，整個CM的硬件實現包括射頻信號處理、存儲器的訪問方式、系統總線以及時序、各種接口電路以及調試電路的`設計與實現等。圖2示出了利用BCM3345實現Cable Modem的硬件結構框圖。
Cable Modem的射頻電路部門負責與HFC網之間的信息傳遞與交換工作。主要由一個調諧器（Tuner）及濾波電路組成。在下行方向，Tuner將CM的接收頻率調諧到某一個HFC網的卡行信道，接收其中的射頻信號，經過濾波后轉化為中頻信號，傳送到BCM3345中的下行方向物理層模塊中；在上行方向，Tuner接收來自BCM3345上行信道物理層模塊中的中頻信號，并按照一定的功率要求將其送入HFC網絡的上行信道中（在上行傳輸方向，BCM3345輸出已經經過調制的中頻信號，經過LC濾波網絡后重又送入BCM3345，在片內進行功率放大，最后送往Tuner。這樣功率的增益可以根據前端的要求在BCM3345中進行控制）。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轉化為中心頻率為44MHz的中頻信號。Tuner的工作狀態由BCM3345通過I2C總線進行控制。Tuner采用阻抗為75Ω的F端口與HFC網中的同軸電纜進行連接。
在Cable Modem中的存儲主要有兩種，分別是同步動態存儲器（SDRAM）和閃存（Flash）。SDRAM選用Micron MT48LC4M16A2TG-8EIT。它是整個Cable Modem系統的動態存儲器。一方面作為系統運行的內存空間，在系統正常運行時存放各種程序代碼以及臨時數據、操作系統所需的各種堆棧、隊列等，另一方面還作為CPU與MAC層模塊之間的數據共享緩存。
Flash在掉電后仍然保持數據不丟失，而且可以多次讀寫。因此將其用來存儲操作系統、功能軟件的可執行代碼以及各種重要的配置數據。選用兩片INTEL TE28F160作為Cable Modem中的Flash。它的數據存儲方式為1M×16bit，兩片的總存儲容量為4MB。其擦寫次數高達100，000次，足以保證在Cable Modem有效壽命內正常運行。
對于各種不同的存儲器，CPU將它們與BCM3345中的所有寄存器放在一起統一進行編址，使它們都處于同一個址編碼范圍之內。CPU為不同的存儲器分配一個基地址，對各個存儲單元或者寄存器的訪問通過基地址加上相應的偏移量即可實現。
在Cable Modem進行系統設計時為其留出了多種接口，作為用戶使用接口及系統調試之用。主要包括以太網接口、通用串行總線（Universal Serial Bus，簡稱USB）接口、RS-232口等。其中以太網接口、USB接口是用來與CPE相連接的，RS-232接口是用于系統調試的。以太網接口是符合IEEE802.3標準的10Base-T接口。在以太網接口電路中主要采用符合IEEE802.3標準的接口芯片Pulse h1102來完成以太網接口的設計。在USB接口電路中使用了德州儀器公司生產的SN75240。由于在USB的信號傳遞過程中會摻雜進瞬間的高壓噪聲，這些噪聲對USB口的收發電路將產生致命的危害，因此需要對這些噪聲電壓進行抑制。SN75240可以對USB接口中的不正常電壓進行有效的抑制，以保證硬件設備的安全。
2.3 Cable Modem的軟件結構
Cable Modem的設計采用嵌入式的系統結構，運行時需要嵌入式操作系統的支持。所謂嵌入式操作系統就是指操作系統與最終的功能軟件一起進行編譯鏈接，形成一個單獨的程序代碼，最后集成到硬件系統中，而不像普通操作系統那樣應用程序與操作系統分離。類似于BIOS的工作方式，具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點。在筆者開發的Cable Modem中，選用的操作系統為PSOS2.0。
建立在操作系統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調各硬件模塊的工作流程，以及完成CM中IP層以上的協議管理。其中軟件對硬件部門的控制操作功能主要是通過讀寫相關芯片中的寄存器來完成。由于PSOS系統要用多任務內核，允許系統同一個時刻可以多個任務同時運行。而Cable Modem的工作過程也需要同時進行多項操作以及工作，如下行信道的信號接收與上行信道的信號發送可能會同時進行，因此在CM的功能軟件中包含了多個任務。其中共有五個主要任務：主任務MainTask、同步任務SyncTask、雜項任務MiscTask、MAC層處理任務MacTask以及BCM3345的應用程序接口任務ApiTask。
MainTask的主要功能是在Cable Modem加電或者復位后進行相應的初始化工作。同步信號SyncTask在Cable Modem的運行過程中是一直處于激活狀態的，它的主要功能就是處理前端定時發送的同步信息。雜項任務MiscTask主要負責控制C模塊各個LED指示燈的開關，以顯示Cable Modem當前的運行狀態；同時還負責控制以太網口的開關、響應復位健等。MacTask的主要功能是管理與控制Cable Modem中MAC層硬件的工作情況，同時實現MAC層模塊與CPU之間的數據交換。BCM3345的應用程序接口任務ApiTask提供了一組與BCM3345相關的功能模塊寄存器讀寫的接口函數，當軟件要通過硬件實現某一功能時，只需調用相應的接口函數即可，無需關心具體的讀寫過程，簡經了軟件的開發過程。
2.4 系統調試平臺
在完成了Cable Modem的軟硬件設計后，必須進行系統的調試，以對當前所設計實現的CM功能進行測試，找出軟硬件設計中存在不足以及整個系統設計中可能出現的缺陷，從而加以改進，保證最終完成的Cable Modem產品的可靠性。
要進行Cable Modem的功能調試和性能檢測，需要搭建一個模擬的HFC網絡，將Calbe Modem放置在HFC網中，通過與CMTS之間的交互工作進行調試和檢測。為此，搭建了一個小型的HFC網，作為專門的Cable Modem功能和特性調試環境。
其中前端采用由北方電信（Nortel）公司生產的CMTS1000，前端下行輸出信號直接與射頻信號。經過一個兩部的分支分配器與上行信道合并為一個通道，經同軸電纜傳輸。CMTS還經過100BaseT的接口與基于WindowsNT4.0 Server的服務器相連接，該服務器提供DHCP、TFTP、SNMP的服務器端程序。客戶端程序運行在Cable Modem中。為了模擬真實的HFC網，在網絡中加入了一個20dB的衰減器，以增大傳輸衰減。Calbe Modem經同軸電纜與模擬HFC網相連接，經RS-232接口與調試所用的主機相連接。此外，Cable Modem還分別經HUB以及USB接口與CPE相連接。在調試環境中的CPE是基于Windows 98的個人電腦。
Cable Modem作為HFC網的用戶端設備，可以為用戶提供網絡的接入服務，是HFC網中的重要組成部分。通過分析Clabe Modem的協議堆棧以及功能要求等，綜合考慮系統的功能、成本、穩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開發方案。