傳統同軸纜線有線電視網路（Cable Television Network；CATV）已經逐漸被光纖同軸（Hybrid Fiber and Coaxial；HFC）混合系統取代。不過一般而言，HFC系統的光線節點（node）前段還是同軸纜線，光線節點則設置在距離客戶約一英哩處，如此便可以提供2400個住戶（600住戶×4cell）相關有線電視服務，如(圖一)所示。

《圖一　HFC/FTTC/FTTH網路的基本結構》

由於同軸纜線的衰減幅度在770MHz（ψ12mm）頻率時高達39dB/km，因此光線節點與客戶之間必須設置2～5段的增幅器。

利用CATV進行資料傳輸服務仍然相當普遍，因此上傳埠（port）便成為兵家必爭之地，加上xDSL與FTTH的強力威脅，因此CATV業者無不以提高使用者的位元率（bit rate）為方式，大規模進行cell微型化與深化HFC的系統革新工程。

雖然目前CATV都是以頻率分割方式進行雙向資料傳輸，不過一般來說資料上傳的部分並未被納入管理系統，因此業者陸續制定可以落實高速資料服務的架構規範，包括有線數據機（Cable Modem）DOCSIS1.x／2.0標準、次世代DOCSIS3.0超高速數據機、使用Last 300m的同軸網路、以及可以達到250Mbps傳輸速度的c.LINK（Coaxial LINK）標準等等。

DOCSIS發展經緯

1995年美國有線電視公司MSO針對CATV雙向網路系統服務，制定標準規範DOCSIS（Data Over Cable System Interface Specification；DOCSIS），其發展經緯如(表一)所示，目前DOCSIS標準已成為業界的主流規範。

目前通過DOCSIS2.0認證的Cable Modem超過100種以上，需經過驗證程序確保modem的相容性。目前DOCSIS2.0已向ITU（International Telecommunication Union）登錄，(表二)所示分別是歐洲、北美、日本地區的專用規範。

DOSCIS系統技術概要

DOSCIS系統具有上傳相容性（Backward Compatible）的技術特性。從(圖二)來看有線網路系統的基本架構，各用戶必須先設置Cable Modem，接著再以PC等10／100BASE-T纜線連接，最後藉由CATV與中心數據機（Cable Modem Termination System；CMTS）進行連接。DOSCIS系統最長的傳輸距離為15英哩，管理伺服器（Provision Server）利用CATV的初期登錄，再與動態主機架構協定（Dynamic Host Configuration Protocol；DHCP）進行IP位址分配。

《圖二　有線網路系統的基本結構》

DOSCIS系統能夠支援的網路類別分別是傳統CATV網路、同軸纜線網路以及HFC網路。DOCSIS1.0的整體共通規範與基本架構特徵分別如下：

• ●非連接通訊（connectionless）。





• ●保證CM／CMTS的相互連接性。





• ●上傳相容性：尤其是DOCSIS1.1／2.0以後的升級版，可以輕易兼容舊型的Cable Modem。





• ●軟體下載：可以透過中心端進行軟體版本的升級更新作業。





• ●安全性：例如Pocket可以利用DES的56位元，鍵交換可以利用RSA的768位元，鞏固安全性。





• ●QoS：可以限制上傳與下傳的速度。





• ●可以限制PC的連接數量。





• ●建檔：可以在IP與LLC層進行描述，避免Cable Modem的PC端安全確認、以及RF端不必要的流量（traffic）爆增等問題。





• ●利用SNMP（Simple Network Management Protocol）進行管理。





• ●豐富的變復調模式：可以支援多樣的傳輸路徑。





• ●自動設定：尤其是針對特定與不特定的modem，只要透過預定結構檔案（configuration file）自動下載，就能夠設定規範頻率與變調模式，同時還能利用輸出強度（level）的自動最適宜設定功能，大幅節省繁瑣的事前登錄與現場設置等調整作業。

DOCSIS2.0規範之特徵

(表三)是DOCSIS各版本的功能差異對照一覽表。DOCSIS1.1版主要追加內容，是使QoS可以作複數設定，因此可以同時使用資料與VoIP。

(表四)是已經成為業界主流的DOCSIS2.0版相關規範一覽表，其中終端傳輸規定主要內容與RFI（Radio Frequency Interface）規範有關，至於RFI規範如（表四）所示已經進入第8版。

傳輸速度

一般DOCSIS規範是指ITU-T J.112 AnnexB，(表五)便是DOCSIS支援Cable Modem的Annex B規格範例。若與DOCSIS.x規範比較，在使用64 QAM正交振幅調幅法（Quadrature Amplitude Modulation）、利用6.4MHz頻寬時，其最高上傳速度為30Mbps。在下傳頻道方面，Annex B可以使用64或256QAM調變方式，在64QAM時，可以用 傳送6b／symbol的資訊量。Annex B處於 6MHz頻寬時的符號率（symbol rate），利用64QAM調變方式時大約是5.06M symbols／s，依此換算位元率等於是6b／symbol×5.06M symbols／s=30.3Mbps；符號率5.36Msymbols/s、利用256QAM調變方式，其傳輸速度大約是43Mbps。

多重存取模式

如（表五）所示，Annex B具備2種多重存取模式（access mode）、6種變調模式和5階段頻寬，因此可以根據傳輸路徑的噪訊狀況，操作時可多樣變更設定。2種多重存取模式分別是A-TDMA（Advanced Time Division Multiple Access）以及S-CDMA（Synchronous Code Division Multiple Access）。

S-CDMA亦即利用擴散碼的多重化，要求嚴苛的時脈同步特性，因此DOCSIS2.0版除了強化上傳錯誤更正功能之外，還追加互生層（Interleave），同時大幅強化突發錯誤（Burst error）的耐性。

補正方式的租借功能

DOCSIS2.0版亦可補正上傳傳輸路徑反射特性與傾斜（tilt）的送訊補償器（Transmit Equalizer），在DOCSIS1.1版以後的終端應用上成為必要設備之一，因此其補償段數從1.1版的8段，提升至2.0版的24段。

有關補正的運作，以收訊端的中心數據機（CMTS）位元計算的補正係數，會被送至數額進行租借（lending）動作。此外與DOCSIS1.X／2.0 modem在相同上傳埠混合，只要頻寬相同就能夠作時間分割多重化（TDM）。

所謂「租借」是DOCSIS規範規定的功能之一，CMTS能夠從Cable Modem進行信號強度、頻率、時序的控制。

(圖三)是開啟modem的電源之後，從租借一直到上傳層設定為止的動作順序。開啟電源後modem立即開始搜尋下傳QAM頻道，一旦捕捉到可以支援DOCSIS格式的下傳QAM頻道時，就逐漸提高上傳的送訊強度，並等待來自CMTS的回應。此時CMTS會從Cable Modem的租借功能中要求檢測信號，會量測Cable Modem和CMTS距離之間以外的原因所造成基準時序的偏差，再將此偏差通知Cable Modem，後者會依此補正上傳信號時序的偏差，調整送訊時序，並進行上述送訊補償器的補正作業。

結束以上PHY與MAC的租借後，最後在動態主機架構協定（Dynamic Host Configuration Protocol Server；DHCP）、供應伺服器（Provisioning Server）之間進行上傳層的各項設定。取得IP-Address後，接著再取得QoS、過濾（filtering）條件，等描述可以連線之PC台數的架構檔案，並結束作業。如果該描述包含Cable Modem應該動作的上傳和下傳頻率時，立即修正指定頻率時的捕捉（capture）與租借。此外與前半段的CMTS的物理租借動作，除了呈周期性進行之外，它還支援溫度造成的強度變動。

《圖三　租借動作範例》

微細孔送訊功能

來自Cable Modem的上傳送出要求，會變成觸發器（trigger）進行一般通訊，此處只針對上傳通訊順序的TDMA方式進行說明。首先上傳取得與下傳頻道同步，再以16μs左右的微細孔（mini-slot）單位控制。此slot相當於編號／隨機預約／特定數據機指定微細孔的屬性，此時Cable Modem端會對隨機預約微細孔提出「送出要求」，接著通知必要資料量，CMTS會指定預期連續微細孔，進行Cable Modem的郵包（packet）送訊。至於各數據機的QoS差異，則被當作各數據機的送收訊，概括優先順序依次處理。

若隨機細孔（random slot）發生衝突時，則以所謂的back off順序送出「再度要求」，這個功能特別是在VoIP服務、尤其是成為上傳資料頻寬時的保證。因此DOCSIS1.1版以後的版本，該結構會依照以下順序進入：亦即要求最初的上傳頻寬時，包含最低保證要求在內，會依照該資料速度，一次預約周期性地送出細孔。至於在VoIP的應用上，則有其它郵包有線（PacketCable）的規範可供參考，其與CMS（Call Management Server）一樣，呈動態性賦予動態（Dynamic）的QoS。

傳輸匯集次層功能

傳輸匯集次層（Transmission Convergence SubLayer；TC），主要是為了利用MPEG進行影像資料（Video Data）與資料通訊而設。TC層的主結構，是以ITU-T Rec.H.222.0為平台，再以188b MPEG概括（packet）與4b MPEG頂部（header），指定184位元有效負載（payload）的型式，MAC frame會橫跨其中一個或是複數有效負載傳送。

增加量測端FTP功能

最近由於xDL與同等級規範的強力威脅，因此連帶使得量測端的FTP（File Transfer Protocol）功能與數據機的晶片供應（chip vendor）性能更加重要，因此DOCSIS規範特別追加以下功能。

(圖四)是一般FTP時的資料轉送操作順序；(圖五)是改善資料轉送速度的範例。在量測端，通常是以檔案下載時間推測資料傳送速度，然而在FTP則是接收來自PC的收取確認郵包（Acknowledgment packet；ACK）之後，才會送出下個一連串的資料。

《圖四　資料轉送的一般操作順序》

《圖五　改善資料轉送速度的範例》

如上所述，一般上傳會先送出每次的「送出要求」，收到來自CMTS的細孔要求之後，才會進行送出作業。該機一般只有大約2ms的時間，因此產生的等待時間，會造成FTP的速度降低。此時若捆綁（concatenation）複數ACK郵包（packet）再送出，或是拉開途中的ACK只送出最後的ACK，就能夠縮短等待時間，結果便可使速度大幅提升。

雖然本功能的前身已經在DOCSIS規範內有詳細規定，不過實際上CMTS的處理量卻截然不同。雖然後者除了DOCSIS規範以外，還要求Cable Modem端一直到上傳層為止都必須經過稽核處理，不過CMTS的處理量與流量並未因此增加。由於它的增速效應非常大，加上最近有線數額用晶片的處理能力大幅提高，因此上述增速效應更加明顯。

DOCSIS3.0的特徵

一直到DOCSIS2.0版為止，DOCSIS屬於視野（scope）內的上傳相容線路規範。DOCSIS3.0版則是全新大幅改良的版本，尤其是隨著數位技術的進化，造成空頻道與Cable Modem專用晶片的開發風險增加，加上模組化CMTS（Modular Cable Modem Termination System；M-CMTS）的問世，因此2005年4月以後，DOCSIS3.0版規範，便採用以既有物理層的上傳層捆綁頻率固定（channel bonding）方式。

M-CMTS是NGNA（Next Generation Network Architecture）中心端（cent side）的延伸，外置VoD低價而且常用的下傳QAM調變器（Edge QAM），因此系統整體非常有效率。(圖六)是M-CMTS的基本架構，能夠維持與既有數額相容性，是捆綁頻率固定方式的最大特徵。

《圖六　Cable Laboratory的M-CMTS架構》

(圖七)是混合運用時的基本架構，如圖所示，DOCSIS2.0與3.0兩種數據機，可以共用相同下傳頻道與上傳頻道。

(表六)是DOCSIS3.0的主要規格摘要；(表七)是2006年8月所公佈的DOCSIS3.0介面規範摘要。一般認為，因為認證的商品會延宕到2008年左右，目前則要求數據機端可以支援4頻道的下傳與上傳。

《圖七　DOCSIS 1.x與Pre3.0、3.0數據機的共存》

DOCSIS3.0的最大傳輸速度上傳為120Mbps，下傳為160Mbps，未來block可以直接轉換100MHz頻寬的晶片問世時，下傳最大傳輸速度可望達到640Mbps1／16頻道。

美國某些CATV業者，不願等待正式DOCSIS3.0規範問世，陸續利用無相容性Pre-3.0的2～3頻道固定版，拓展CATV業務，由於Pre-3.0在特定的CMTS與Cable Modem之間，以下傳相容方式動作，因此一般認為未來DOCSIS3.0規範正式發佈後，可能需要終端交換處理。

上述郵包有線（PacketCable）規範，已經有數種商業化整合型終端機器（Embedded Multimedia Terminal Adaptor；eMTA）問世。此外有線家庭（Cable Home）內建路由器（Router）、無線區域網路（WLAN）、防火牆（Fire Wall）的Modem，可以透過中心端進行設定、變更、纜線更新等服務。

目前美國MSO正在主導NGNA計劃，打算將包含DOCSIS在內VoD、VoIP、家庭網路等各種服務進行效率性的整合，試圖建構包含上傳在內的全新中心端系統。

c.LINK系統的發展

2004年松下、東芝、Motolar等8家公司共同設立MoCA（Multimedia over Coax Alliance），計劃以Entropic公司的e.LINK技術為平台，利用既有的同軸纜線網路，開發高速通訊技術。

(圖八)是c.LINK存取系統結構的應用範例，而MoCA公司所發表的c.LINK通訊規格如下：

• ●頻率範圍：800MHz～1.5GHz；





• ●占有頻寬：50MHz／ch；





• ●物理層速度：250Mbps（50dB衰減時）；





• ●變調方式：128QAM。

c.LINK的主要特徵分別如下：

• ●最大物理層速度高達250Mbps，可作高速通訊；





• ●不需要修改傳統同軸纜線網的分配器；





• ●與VDSL比較，c.LINK屬於1對N的通訊系統，主機端的占用空間相對變小；





• ●自動補正分配器衰減、反射的途中，即使條件改變造成暫時性速度降低，也能夠維持正常通訊連線。

反面缺點是因為:c.LINK屬於TDMA通訊，相同頻寬上傳與下傳採用時間分割技術，如果超越增幅器的容量時，就必需使用特殊的頻寬濾波器。

《圖八　c.LINK存取系統結構範例》

結語

以上介紹次世代有線電視通訊最新技術動向。有線電視通訊網路屬於雙向寬頻傳輸通路，很適合雙向通訊應用，其對於VoIP的拓展非常有利。隨著有線電視通訊進入全面數位化的階段，未來可望對VoD的商機，產生正面助益，目前唯一亟需克服的問題，是如何更新傳統傳輸纜線，強化網路應用與管理機制。