浏览人次:【13326】
CATV系统升级概要
传统同轴缆线有线电视网络(Cable Television Network;CATV)已经逐渐被光纤同轴(Hybrid Fiber and Coaxial;HFC)混合系统取代。不过一般而言,HFC系统的光线节点(node)前段还是同轴缆线,光线节点则设置在距离客户约一英哩处,如此便可以提供2400个住户(600住户×4cell)相关有线电视服务,如(图一)所示。
《图一 HFC/FTTC/FTTH网络的基本结构》 |
由于同轴缆线的衰减幅度在770MHz(ψ12mm)频率时高达39dB/km,因此光线节点与客户之间必须设置2~5段的增幅器。
利用CATV进行数据传输服务仍然相当普遍,因此上传埠(port)便成为兵家必争之地,加上xDSL与FTTH的强力威胁,因此CATV业者无不以提高用户的比特率(bit rate)为方式,大规模进行cell微型化与深化HFC的系统革新工程。
虽然目前CATV都是以频率分割方式进行双向数据传输,不过一般来说数据上传的部分并未被纳入管理系统,因此业者陆续制定可以落实高速数据服务的架构规范,包括有线调制解调器(Cable Modem)DOCSIS1.x/2.0标准、次世代DOCSIS3.0超高速调制解调器、使用Last 300m的同轴网络、以及可以达到250Mbps传输速度的c.LINK(Coaxial LINK)标准等等。
DOCSIS发展经纬
1995年美国有线电视公司MSO针对CATV双向网络系统服务,制定标准规范DOCSIS(Data Over Cable System Interface Specification;DOCSIS),其发展经纬如(表一)所示,目前DOCSIS标准已成为业界的主流规范。
(表一) DOCSIS标准的发展经纬
|
DOCSIS 1.0 |
DOCSIS 1.1 |
DOCSIS 2.0 |
DOCSIS 3.0 |
规范公开 |
97/03 |
97/03 |
01/03 |
06/08/04 |
开始互换性测试 |
97/07 |
97/10 |
02/07 |
06/03 |
/10 |
97/03 |
97/03 |
02/03 |
08认证通过 |
/?
目前通过DOCSIS2.0认证的Cable Modem超过100种以上,需经过验证程序确保modem的兼容性。目前DOCSIS2.0已向ITU(International Telecommunication Union)登录,(表二)所示分别是欧洲、北美、日本地区的专用规范。
(表二) ITU-T J.112附属建议 |
附属建议 |
AnnexA |
主要差异
※欧洲用为目的使用Euro DOCSIS
※下传占用带宽8MHz
※变更上传splitter Band |
AnnexB |
※北美有线电视业团体MCNS制作的DOCSIS规范
※一般DOCSIS规范是指ITU-T J.112AnnexB而言。 |
AnnexC |
※考虑下传物理层与CATV数字化传输方式
(ITU-T J.83)的整合性,因应日本需求所制作的标准规范
※上传带宽5~55MHz |
DOSCIS系统技术概要
DOSCIS系统具有上传兼容性(Backward Compatible)的技术特性。从(图二)来看有线网络系统的基本架构,各用户必须先设置Cable Modem,接着再以PC等10/100BASE-T缆线连接,最后藉由CATV与中心调制解调器(Cable Modem Termination System;CMTS)进行连接。DOSCIS系统最长的传输距离为15英哩,管理服务器(Provision Server)利用CATV的初期登录,再与动态主机架构协议(Dynamic Host Configuration Protocol;DHCP)进行IP地址分配。
《图二 有线网络系统的基本结构》 |
DOSCIS系统能够支持的网络类别分别是传统CATV网络、同轴缆线网络以及HFC网络。DOCSIS1.0的整体共通规范与基本架构特征分别如下:
●非连接通讯(connectionless)。
●保证CM/CMTS的相互连接性。
●上传兼容性:尤其是DOCSIS1.1/2.0以后的升级版,可以轻易兼容旧型的Cable Modem。
●软件下载:可以透过中心端进行软件版本的升级更新作业。
●安全性:例如Pocket可以利用DES的56位,键交换可以利用RSA的768位,巩固安全性。
●QoS:可以限制上传与下传的速度。
●可以限制PC的连接数量。
●建档:可以在IP与LLC层进行描述,避免Cable Modem的PC端安全确认、以及RF端不必要的流量(traffic)爆增等问题。
●利用SNMP(Simple Network Management Protocol)进行管理。
●丰富的变复调模式:可以支持多样的传输路径。
●自动设定:尤其是针对特定与不特定的modem,只要透过预定结构档案(configuration file)自动下载,就能够设定规范频率与变调模式,同时还能利用输出强度(level)的自动最适宜设定功能,大幅节省繁琐的事前登录与现场设置等调整作业。
DOCSIS2.0规范之特征
(表三)是DOCSIS各版本的功能差异对照一览表。DOCSIS1.1版主要追加内容,是使QoS可以作复数设定,因此可以同时使用数据与VoIP。
(表三) DOCSIS各版本功能差异对照一览表
版本 |
特征 |
主要规范 |
DOCSIS 1.0 |
※97年美国CableLabs制定
※保证CTMS与加入住户设备(CM)之间的兼容性 |
以best effort型为前提的规格,最大上传速度为10Mbps(16QAM),下传为40Mbps(256QAM) |
DOCSIS 1.1 |
※针对要求VoIP等QoS保证,强化QoS机制为目的
※99年制定
※追加安全新功能 |
上传速度为10Mbps,速度下传为40Mbps |
DOCSIS 2.0 |
※透过提升上传速度的与利用CM达到对称服务
※提高上传信号的耐噪讯性为目的,01年制定 |
※最大上传速度31 Mbps
※追加S-CDMA方式
※追加符号率(symbol rate)
※追加高次变调模式
※强化Reed-Solomon错误修正能力
※提升收讯单元等价器的功能 |
(表四)是已经成为业界主流的DOCSIS2.0版相关规范一览表,其中终端传输规定主要内容与RFI(Radio Frequency Interface)规范有关,至于RFI规范如(表四)所示已经进入第8版。
(表四) DOCSIS 2.0接口规范摘要一览表
规范码 |
发布日期 |
版本 |
名称 |
SP-RFIv2.0 |
2004/08/08 |
Issued (08) |
Radio Frequency Interface |
SP-OSSIv2.0 |
2004/08/05 |
Issued (08) |
Operations System Support Interface |
SP-BPI+ |
2004/07/04 |
Issued (11) |
Baseline Privacy Plus Interface |
SP-BPI |
2001/06/01 |
Closed (08) |
Baseline Privacy Interface |
SP-CMCI |
2004/08/05 |
Issued (10) |
Cable Modem to Customer Premises Equipment Interface |
SP-CMTS-NSI |
1996/07/02 |
Interim (01) |
Cable Modem Termination System
Network Side Interface |
发布日期
传输速度一般DOCSIS规范是指ITU-T J.112 AnnexB,(表五)便是DOCSIS支持Cable Modem的Annex B规格范例。若与DOCSIS.x规范比较,在使用64 QAM正交振幅调幅法(Quadrature Amplitude Modulation)、利用6.4MHz带宽时,其最高上传速度为30Mbps。在下传频道方面,Annex B可以使用64或256QAM调变方式,在64QAM时,可以用 传送6b/symbol的信息量。
多重存取模式
如(表五)所示,Annex B具备2种多重存取模式(access mode)、6种变调模式和5阶段带宽,因此可以根据传输路径的噪讯状况,操作时可多样变更设定。2种多重存取模式分别是A-TDMA(Advanced Time Division Multiple Access)以及S-CDMA(Synchronous Code Division Multiple Access)。
S-CDMA亦即利用扩散码的多重化,要求严苛的频率同步特性,因此DOCSIS2.0版除了强化上传错误更正功能之外,还追加互生层(Interleave),同时大幅强化突发错误(Burst error)的耐性。
补正方式的租借功能
DOCSIS2.0版亦可补正上传传输路径反射特性与倾斜(tilt)的送讯补偿器(Transmit Equalizer),在DOCSIS1.1版以后的终端应用上成为必要设备之一,因此其补偿段数从1.1版的8段,提升至2.0版的24段。
有关补正的运作,以收讯端的中心调制解调器(CMTS)位计算的补正系数,会被送至数额进行租借(lending)动作。此外与DOCSIS1.X/2.0 modem在相同上传埠混合,只要带宽相同就能够作时间分割多重化(TDM)。
(表五) DOCSIS支持有线调制解调器的规格范例(Annex B)
下传 |
变调方式 |
64QAM,256QAM |
发布日期 |
32Mbps(64QAM),256QAM |
,43Mbps(256QAM) |
Reed-Solomon+Trellis |
带宽 |
88错误更正方式 |
~860MHz (Edge to Edge) |
6MHz |
占有带宽 |
45~75dB输入强度范围 |
上传 |
变调方式 |
A-TDMA : QPSK上传
S-CDMA: QPSK,8/16/32/64/128QAM |
发布日期 |
320,8/16/32/64/128QAM
480、640、1280、5120、10240 kbps (QPSK)
640、960、1920、3840、7680、15360 kbps (8QAM)
800、1280、2560、5120、10240、20480 kbps (16QAM)
960、1920、3840、7680、15360、30720 kbps (64QAM)
8960、17920、35840 kbps (128QAM) |
错误修正方式 |
Reed-Solomon+Trellis |
带宽 |
5错误修正方式 |
~860MHz (Edge to Edge) |
200~55MHz (Edge to Edge) |
占有带宽 |
A-TDMA、400、800、1600、3200、6400kHz
68,68~118dBμV (所有变调方式)
68~118dBμV (QPSK)
68~115dBμV (8/16QAM)
S-CDMA |
~114dBμV (32/64QAM)
所谓「租借」是DOCSIS规范规定的功能之一,CMTS能够从Cable Modem进行信号强度、频率、时序的控制。
(图三)是开启modem的电源之后,从租借一直到上传层设定为止的动作顺序。开启电源后modem立即开始搜寻下传QAM频道,一旦捕捉到可以支持DOCSIS格式的下传QAM频道时,就逐渐提高上传的送讯强度,并等待来自CMTS的响应。此时CMTS会从Cable Modem的租借功能中要求检测信号,会量测Cable Modem和CMTS距离之间以外的原因所造成基准时序的偏差,再将此偏差通知Cable Modem,后者会依此补正上传信号时序的偏差,调整送讯时序,并进行上述送讯补偿器的补正作业。结束以上PHY与MAC的租借后,最后在动态主机架构协议(Dynamic Host Configuration Protocol Server;DHCP)、供应服务器(Provisioning Server)之间进行上传层的各项设定。取得IP-Address后,接着再取得QoS、过滤(filtering)条件,等描述可以联机之PC台数的架构档案,并结束作业。如果该描述包含Cable Modem应该动作的上传和下传频率时,立即修正指定频率时的捕捉(capture)与租借。
此外与前半段的CMTS的物理租借动作,除了呈周期性进行之外,它还支持温度造成的强度变动。 |
《图三 租借动作范例》
微细孔送讯功能来自Cable Modem的上传送出要求,会变成触发器(trigger)进行一般通讯,此处只针对上传通讯顺序的TDMA方式进行说明。首先上传取得与下传频道同步,再以16μs左右的微细孔(mini-slot)单位控制。此slot相当于编号/随机预约/特定调制解调器指定微细孔的属性,此时Cable Modem端会对随机预约微细孔提出「送出要求」,接着通知必要数据量,CMTS会指定预期连续微细孔,进行Cable Modem的邮包(packet)送讯。
若随机细孔(random slot)发生冲突时,则以所谓的back off顺序送出「再度要求」,这个功能特别是在VoIP服务、尤其是成为上传数据带宽时的保证。因此DOCSIS1.1版以后的版本,该结构会依照以下顺序进入:亦即要求最初的上传带宽时,包含最低保证要求在内,会依照该数据速度,一次预约周期性地送出细孔。至于在VoIP的应用上,则有其它邮包有线(PacketCable)的规范可供参考,其与CMS(Call Management Server)一样,呈动态性赋予动态(Dynamic)的QoS。
传输汇集次层功能
传输汇集次层(Transmission Convergence SubLayer;TC),主要是为了利用MPEG进行影像数据(Video Data)与数据通讯而设。TC层的主结构,是以ITU-T Rec.H.222.0为平台,再以188b MPEG概括(packet)与4b MPEG顶部(header),指定184位有效负载(payload)的型式,MAC frame会横跨其中一个或是复数有效负载传送。
增加量测端FTP功能
最近由于xDL与同等级规范的强力威胁,因此连带使得量测端的FTP(File Transfer Protocol)功能与调制解调器的芯片供应(chip vendor)性能更加重要,因此DOCSIS规范特别追加以下功能。
(图四)是一般FTP时的数据传输操作顺序;(图五)是改善数据传输速度的范例。在量测端,通常是以档案下载时间推测数据传送速度,然而在FTP则是接收来自PC的收取确认邮包(Acknowledgment packet;ACK)之后,才会送出下个一连串的数据。
《图四 数据传输的一般操作顺序》 |
《图五 改善数据传输速度的范例》 |
如上所述,一般上传会先送出每次的「送出要求」,收到来自CMTS的细孔要求之后,才会进行送出作业。该机一般只有大约2ms的时间,因此产生的等待时间,会造成FTP的速度降低。此时若捆绑(concatenation)复数ACK邮包(packet)再送出,或是拉开途中的ACK只送出最后的ACK,就能够缩短等待时间,结果便可使速度大幅提升。
虽然本功能的前身已经在DOCSIS规范内有详细规定,不过实际上CMTS的处理量却截然不同。虽然后者除了DOCSIS规范以外,还要求Cable Modem端一直到上传层为止都必须经过稽核处理,不过CMTS的处理量与流量并未因此增加。由于它的增速效应非常大,加上最近有线数额用芯片的处理能力大幅提高,因此上述增速效应更加明显。
DOCSIS3.0的特征
一直到DOCSIS2.0版为止,DOCSIS属于视野(scope)内的上传兼容线路规范。DOCSIS3.0版则是全新大幅改良的版本,尤其是随着数字技术的进化,造成空频道与Cable Modem专用芯片的开发风险增加,加上模块化CMTS(Modular Cable Modem Termination System;M-CMTS)的问世,因此2005年4月以后,DOCSIS3.0版规范,便采用以既有物理层的上传层捆绑频率固定(channel bonding)方式。
M-CMTS是NGNA(Next Generation Network Architecture)中心端(cent side)的延伸,外置VoD低价而且常用的下传QAM调变器(Edge QAM),因此系统整体非常有效率。(图六)是M-CMTS的基本架构,能够维持与既有数额兼容性,是捆绑频率固定方式的最大特征。
《图六 Cable Laboratory的M-CMTS架构》 |
(图七)是混合运用时的基本架构,如图所示,DOCSIS2.0与3.0两种调制解调器,可以共享相同下传频道与上传频道。
(表六)是DOCSIS3.0的主要规格摘要;(表七)是2006年8月所公布的DOCSIS3.0接口规范摘要。一般认为,因为认证的商品会延宕到2008年左右,目前则要求调制解调器端可以支持4频道的下传与上传。
《图七 DOCSIS 1.x与Pre3.0、3.0调制解调器的共存》 |
(表六) DOCSIS3.0的规格摘要
下传(收敛) |
物理层几乎延用DOCSIS2.0,1.x,并且将DOCSIS物理频道(channel)复数收敛,采取同步高速化,线路大容量化技术(1~4ch)。 |
上传(收敛) |
与下传一样采用复数收敛(1~4ch)。 |
发布日期 |
与下传一样采用复数收敛(1~4ch)。
每个下传频道43Mbps@256QAM;上传频道30Mbps@64QAM |
与传统DOCSIS的兼容性 |
维持与传统DOCSIS2.0,1.x的下传兼容性(可以共存) |
IPv6封装 |
维持与传统DOCSIS2.0,1.x的下传兼容性(可以共存) |
IP多分配(multi cast) |
设定成影像溢满(Video over)IP的IP多分配 |
追加商业用途服务 |
透过DOCSIS追加T1的Layer2VPN服务功能 |
PHY(物理层)的扩充 |
扩大上传带宽:5~42或是85MHz Upstream |
安全性的强化 |
采用AES编码 |
(表七) DOCSIS3.0接口规范摘要
规范码 |
发布日期 |
版本 |
名称 |
(表七) DOCSIS3.0接口规范摘要 |
SP-SEC v3.0 |
2006/08/04 |
Issued(01) |
Security Spec.230 |
230 |
SP-PHY v3.0 |
2006/08/04 |
Issued(01) |
Physical Layer Spec. |
164 |
SP-MULPI v3.0 |
2006/08/04 |
Issued(01) |
MAC and Upper Layer
Protocols Interface Spec. |
750 |
页数
DOCSIS3.0的最大传输速度上传为120Mbps,下传为160Mbps,未来block可以直接转换100MHz带宽的芯片问世时,下传最大传输速度可望达到640Mbps1/16频道。
上述邮包有线(PacketCable)规范,已经有数种商业化整合型终端机器(Embedded Multimedia Terminal Adaptor;eMTA)问世。此外有线家庭(Cable Home)内建路由器(Router)、无线局域网络(WLAN)、防火墙(Fire Wall)的Modem,可以透过中心端进行设定、变更、缆线更新等服务。
目前美国MSO正在主导NGNA计划,打算将包含DOCSIS在内VoD、VoIP、家庭网络等各种服务进行效率性的整合,试图建构包含上传在内的全新中心端系统。
c.LINK系统的发展
2004年松下、东芝、Motolar等8家公司共同设立MoCA(Multimedia over Coax Alliance),计划以Entropic公司的e.LINK技术为平台,利用既有的同轴缆线网络,开发高速通讯技术。
(图八)是c.LINK存取系统结构的应用范例,而MoCA公司所发表的c.LINK通讯规格如下:
●频率范围:800MHz~1.5GHz;
●占有带宽:50MHz/ch;
●物理层速度:250Mbps(50dB衰减时);
●变调方式:128QAM。
c.LINK的主要特征分别如下:
●最大物理层速度高达250Mbps,可作高速通讯;
●不需要修改传统同轴缆线网的分配器;
●与VDSL比较,c.LINK属于1对N的通讯系统,主机端的占用空间相对变小;
●自动补正分配器衰减、反射的途中,即使条件改变造成暂时性速度降低,也能够维持正常通讯联机。
反面缺点是因为:c.LINK属于TDMA通讯,相同带宽上传与下传采用时间分割技术,如果超越增幅器的容量时,就必需使用特殊的带宽滤波器。
《图八 c.LINK存取系统结构范例》
|
网状网络(mesh network)如果建置正确,应能大幅增加今日IEEE 802.11网络的涵盖面和容错能力。然而,无线网状网络标准,例如IEEE802.11s和IEEE 802.16f,数年后才会出现。在此同时,虽然有数种专属性方案可供采纳,不过这些方案设定过于复杂而且可能没有解决QoS问题。于是,在目前网状网络技术仍为专属性情况下,除了在校园或企业内部等封死循环境以外的领域,成长将极为有限。
《图八 c.LINK存取系统结构范例》
|