58Представляем приборы

предыдущая статья | оглавление | в архив



EuroDOCSIS: стандарт и технология (по материалу tComLabs)


А. Бителева Теле-Спутник - 6(104) Июнь 2004 г.


Осенью прошлого года в Киеве прошла конференция EEBC 2003 "Тенденции и опыт развития телекоммуникаций", на которой, в частности, рассматривались различные вопросы, касающиеся технических аспектов функционирования кабельных сетей.

В конференции принимал участие сотрудник TComLabs Вим де Кателлар, представивший три презентации, рассматривающие проблемы внедрения интерактивных услуг на базе сетей DOCSIS. Напомним, что TComLabs — независимая бельгийская организация, занимающаяся сертификацией модемов и головных систем в рамках работы сертификационной комиссии Euro-DOCSIS. Помимо этого, TComLabs систематически проводит консультации и обучающие семинары по вопросам, касающимся технологий передачи данных, голоса и видео.

В этом материале вниманию читателей предлагается изложение презентации, посвященной основам технологии Euro-DOCSIS. Большая часть изложенной информации применима и к стандарту DOCSIS, так как EuroDOSIS является адаптацией DOCSIS под европейскую сетку частот.

Разные аспекты технологии DOCSIS рассматривались в наших изданиях уже неоднократно. Тем не менее, не было ни одного материала, который бы освещал ее всесторонне, а некоторые из моментов, затронутых на презентации, не рассматривались вовсе. Надеемся, что этот материал позволит операторам, планирующим строительство сетей DOCSIS и EuroDOCSIS, составить комплексное представление о данной технологии.

Структура сети EuroDOCSIS

Общая структура сети Euro DOCSIS, ее составляющие части и интерфейсы с другими сетями отображены на рис 1. EuroDOCSIS регламентирует интерфейсы взаимодействия CMTS кабельных модемов на физическом и канальном уровнях, а также интерфейсы для подключения абонентских модемов к абонентским терминалам. Кроме того, он определяет методы защитной шифровки информации, передаваемой между CMTS и абонентскими модемами, а также протокол администрирования сети (SNMP) и переменные (MIB) для этого протокола, регламентируемые спецификациями OSS (Operational Support System).

Рис. 1. Структура сети EuroDocsis

Спецификации OSSI (Operation Support Systems Interfaces) определяют интерфейсы между элементами сети и станциями, выполняющими администрирование, а также методы реализации основных процедур администрирования, таких как регистрация ошибок, биллинг и т.д

Механизмы защиты информации от несанкционированного использования определяются спецификацией BPI (Baseline Privacy Interface), а также ее расширенной версией BPI+.

Они определяют метод скремблирования информации и протоколы обмена ключами.

В BPI+ к шифровке информации добавлена идентификация модема по цифровой подписи, посылаемой вместе с сообщением. Цифровая подпись содержит зашифрованный МАС-адрес модема1. Добавление подписи препятствует несанкционированному получению информации путем подделки МАС-адреса.

Абонентские модемы

Кабельные модемы могут выпускаться в разном исполнении. Они могут представлять собой отдельные устройства, платы, интегрируемые в ПК (PCI-карты) или же встраиваться в интерактивные приставки (STB) для передачи служебных сообщений в прямом и обратном направлениях.

Абоненты услуги VoIP (например, на базе Euro-Packet Cable) используют мультимедийные адаптеры MTA (Multimedia Terminal Adapter) со встроенными модемами, обеспечивающими прием и передачу данных со стороны сети.

Модемы, выпускаемые в виде отдельных устройств, подключаются к абонентским ПК через порты Ethernet или USB, а некоторые модели для этой цели дополнительно имеют беспроводные интерфейсы.

CMTS (головное оборудование)

CMTS выпускаются двух основных типов.

Первый тип работает как Ethernet бридж. CMTS этого типа не выполняет IP маршрутизации, но в большинстве случаев поддерживает некоторые функции сетевого уровня, связанные с сетевым конфигурированием и безопасностью. В этом случае сеть внешнего провайдера и сеть DOCSIS представляют собой сегменты одной локальной сети, элементы, и при прохождении CMTS в МАС-заголовке изменяется только номер сегмента.

Второй тип CMTS строится на базе IP маршрутизатора. В этом случае сеть DOCSIS отделена от сети провайдера, и на их стыке выполняется маршрутизация IP пакетов.

Многие CMTS могут конфигурироваться как под бридж, так и под маршрутизатор.

Рис. 2. Схема уплотнения в обратном канале

Транспортные каналы

Для транспортировки данных в прямом канале, от CMTS к кабельным модемам, используется непрерывный поток транспортных пакетов MPEG-2, модулирующих несущие в соответствии со стандартом DVB-C.

В обратном канале технологии EuroDOCSIS 1.X используют комбинацию FDMA (Frequency Division Multiple Access) и TDMA (Time Division Multiple Access) (рис. 2).

Инициализация модема

При начальном подключении модема к сети он должен пройти процедуру инициализации, включающую ряд этапов:

  1. Сканирование полосы прямого канала для поиска канала, на котором передается служебная информация.
  2. Обнаружение служебной информации и считывание частоты обратного канала, выделенного новым модемам для выхода на связь.
  3. Выход на связь и проведение ранжирования. В процессе ранжирования CMTS задает модему оптимальный уровень выходного сигнала, при необходимости корректирует частоту передачи, на которой модем выходит на связь, и задает временную поправку, используемую для определения времени выхода на связь и предназначенную для компенсации расстояния между CMTS и модемом.
  4. Назначение модему IP адреса, выполняемое сервером DHCP.
  5. Установка единого сетевого времени и синхронизация модема с другими устройствами сети, выполняемые сервером Time of Daу.
  6. Загрузка в модем конфигурационного файла с его эксплуатационными параметрами. Конфигурационный файл включает идентификационный номер модема Class ID, параметры обслуживания и администрирования, пометку об использовании или отключении защиты и многое другое. Файл загружается с помощью протокола TFTP.
  7. Регистрация модема в сети, выполняемая CMTS.
  8. Если в конфигурационном файле заложена защита, то она инициализируется после регистрации модема.

Доступ к обратному каналу

После проведения перечисленных операций модем готов к приему и передаче данных.

Для получения доступа к обратному каналу модемы предварительно посылают запросы CMTS в специально отведенные для этого временные промежутки. Отправка запросов регулируется унаследованным от Ethernet МАС-протоколом CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ к среде с детектированием несущей и обнаружением конфликтов). При попытке двух и более модемов послать заявку одновременно заявки теряются и, не получив подтверждения, модемы через некоторое время повторяют попытку.

Начало и длительность интервала, выделенного для отправки запросов, определяются CMTS, и она передает эту информацию модемам в служебном сообщении. Момент посылки запроса в пределах выделенного интервала модем определяет самостоятельно.

Если запрос успешно принят и авторизован CMTS, она посылает модему указание, в каком временном слоте (слотах) разместить свое сообщение, адресуя модем с помощью SID-идентификатора.

Если к моменту отправки первой порции информации у модема уже готова для передачи следующая, то он может во время первого сеанса передачи пристыковать к информации новый запрос на выделение слотов для передачи, но не более, чем для одного сеанса.

Обеспечение QoS с использованием сервисных потоков

В EuroDOCSIS 1.1 введено понятие сервисных потоков (Service Flows), представляющих собой потоки передачи пакетов с определенными характеристиками QoS.

Заданное качество и приоритезация трафика обеспечивается совместными усилиями CMTS и модемов.

Сервисные потоки могут рассматриваться как сегменты информационной трубы, соединяющей CMTS и кабельный модем. Решение о том, в какой поток следует поместить те или иные пакеты принимается в результате анализа адресной части пакетов — IP адреса и номера порта, на который передается пакет. Эта процедура называется классификацией и выполняется классификаторами.

EuroDOCSIS версий 1.1 и 2.0 используют сервисные потоки 5 типов.

Первый тип, Best Effort (лучшее из возможного), гарантирующий только поддержку скорости в заданных пределах, но не обеспечивающий качественных параметров передачи.

UGC Unsolicited Grant Service (предоставление канала без дополнительного запроса) предназначен для передачи услуг с постоянной скоростью, то есть с фиксированным размером пакета и постоянным интервалом между посылками. Используется преимущественно для передачи VoIP.

RTPS Real Time Polling Service (предоставление канала по результатам опроса для передачи в реальном времени) предназначен для периодического использования канала в целях передачи потоков переменной скорости с требуемым уровнем задержки и джиттера.

Он дает возможность в приоритетном режиме получать разрешение на сеанс передачи переменной длительности. Для этого услуге в обратном канале с определенной периодичностью выделяются слоты, в которых она может посылать запрос на выделение ей интервала для передачи, и указывает требуемую длительность интервала.

Типичное приложение — передача видео в MPEG формате.

Тип UGS/AD Unsolicited Grant Service with Activity Detection (предоставление канала без дополнительного запроса с выявлением активизации услуги) предназначен для передачи потоков с постоянной скоростью, при наличии нерегулярных продолжительных пауз в передаче. Пример использования — IP-телефония с подавлением периодов молчания. Является комбинацией режимов UGS и RTPS. Во время передачи используется режим UGS, а на период молчания услугу переводят на обслуживание в режиме RTPS.

Non-Real-Time Polling Service (предоставление канала по результатам опроса для передачи вне реального времени) предназначен для поддержки нерегулярной передачи переменных объемов информации вне реального времени. Пример — передача объемных FTP файлов.

Сервисные потоки могут устанавливаться как при регистрации модема, так и динамически, в процессе его работы, причем это может происходить как по инициативе CMTS, так и по инициативе модема.

Механизмы повышения эффективности использования канала

Начиная с версии 1.1, в EuroDOCSIS вводится ряд механизмов, повышающих эффективность использования полосы канала.

Один из них — фрагментация, позволяющая разделять большие пакеты на несколько и отправлять в нескольких временных слотах. Фрагментация производится по инициативе CMTS и позволяет более эффективно использовать ресурсы обратного канала.

Другой — объединение пакетов (concatenation) — позволяет объединять несколько мелких пакетов в один большой. Он, в частности, дает возможность сильно увеличить пропускную способность TCP сессий.

Еще один способ повышения эффективности использования обратного канала — Payload Header Supression — исключение постоянных фрагментов заголовка пакета. Он применяется в основном при передаче VoIP, когда пункт назначения имеет постоянный IP адрес, номер порта и используется один и тот же протокол (UDP).

Характеристики сигналов

Ниже, в 4 таблицах, приведены характеристики сигналов в сетях EuroDOCSIS 1.Х

В таблице 1 указаны символьные и битовые скорости передачи в обратном канале в зависимости от ширины полосы и схемы модуляции.

Таблица 1.
Символьная
скорость
Ширина
канала
Битовая скорость (кбит/с)
(кбод)(кГц)QPSKQAM 16
160200320640
3204006401280
64080012802560
1280160025605120
25603200512010240

В таблице 2 приведены рабочие диапазоны сигналов на входе модемов в зависимости от схемы модуляции в прямом канале. Диапазон частот прямого канала составляет 112-858 МГц.

Таблица 2.
Схема
модуляции
диапазон уровней сигналов на входе модемов
ДбмкВ                                  ДбмВ
64 QAM +43 — + 73-17 — +13
256 QAM+ 47 — + 77-13 — +17

В таблице 3 указаны допустимые диапазоны уровней сигналов на входе приемников обратного канала CMTS в зависимости от символьной скорости передачи. Рабочий уровень мощности входного сигнала устанавливается оператором.

Диапазон частот обратного канала составляет 5-65 МГц.

Таблица 3.
Символьная
скорость (кбод)
диапазон уровней сигналов
на входе приемников ОК CMTS
ДбмкВ                                  ДбмВ
160+44 — +74 -16 — +14
320+47 — + 77 -13 — +17
640+50 — + 80 -10 — +20
1280+ 53 — + 83 -7 — + 23
2560+ 56 — + 86 -4 — +26

В таблице 4 приведены рабочие диапазоны уровней выходных сигналов модемов в зависимости от схемы модуляции в обратном канале.

Таблица 4.
Схема
модуляции
диапазон уровней выходных
сигналов модемов
ДбмкВ                                  ДбмВ
QPSK68-1188 — 58
16 QAM68 — 1158 — 55

В таблице 5 приведены скорости передачи в прямом канале шириной 8 МГц в зависимости от типа модуляции.

Таблица 5.
64 QAM42 Мбит/с
256 QAM56 Мбит/с

EuroDOCSIS 2.0

Последняя версия стандарта — EuroDOCSIS 2.0. Она разработана с целью увеличить пропускную способность обратного канала и сделать сеть EuroDOCSIS более пригодной для симметричных приложений. Соответственно, добавления в EuroDOCSIS 2.0 коснулись обратного канала, причем только физического уровня его работы, а МАС-механизмы остались прежними.

Версия 2.0 предусматривает использование двух типов уплотнения сигналов в обратном канале.

Один из них, A-TDMA (Advance Time Division Multiplexing), принципиально ничем не отличается от TDMA, используемого в предыдущих версиях. Его усовершенствование заключается в увеличении скорости и помехозащищенности передачи.

Версия 2.0 допускает формирование обратного канала шириной 6.4 МГц, что вдвое превышает ширину канала, максимально допустимую версией 1.1. Одновременно она разрешает применение дополнительных схем модуляции — 8QAM, 32 QAM и 64 QAM. Расширение обратного канала с одновременным введением схем модуляции более высокого уровня позволяет увеличить символьную скорость в обратном канале до 5.12 Мбод/с, а битовую — до 30720 бит/с. Это вдвое превышает возможности версии 1.1.

Символьные и битовые скорости при использовании A-TDMA в зависимости от ширины канала и схемы модуляции приведены в таблице 6.

Таблица 6.
символьная
скорость
(кбод)
Ширина
канала
(кГц)
битовая скорость (кбит/с)
QPSKQAM
8
QAM
16
QAM
32
QAM
64
160200320480640800960
320400640960128016001920
64080012801920256032003840
1280160025603840512064007680
2560320051207680102401280015360
512064001024015360204802560030720

Для компенсации дополнительных искажений, обусловленных увеличением скорости, новая версия стандарта предусматривает увеличение количества контрольных байт в защитном коде Рида-Соломона, а также более глубокое перемежение данных.

Усовершенствованию подвергся и адаптивный эквалайзер, используемый для компенсации частотных и временных искажений сигнала в процессе передачи.

Второй метод уплотнения сигналов S-CDMA основан на совершенно другом принципе.

Он предполагает модулирование информационными сигналами до 128 несущих, представляющих собой ортогональные2 псевдослучайные цифровые последовательности. Эта схема позволяет в одном канале одновременно передавать сигналы от 64 модемов. При этом для передачи одного сигнала используется 2 ортогональных последовательности. Если передачу в канале ведет только один модем, то его сигнал может модулировать от 2 до 128 ортогональных несущих.

На приемной стороне каждое сообщение выделяется детекторами, генерирующими тот же набор ортогональных последовательностей, который это сообщение модулирует на передающей стороне. Для исключения помех генераторы на приемной и передающей сторонах жестко синхронизированы.

Для того, чтобы псевдослучайные последовательности могли быть выявлены на приемной стороне, их символьная скорость должна быть существенно выше скорости изменения модулирующего сигнала. В соответствии со стандартом, каждый информационный символ модулирует 128 символов псевдослучайной последовательности, и для того, чтобы результирующий сигнал поместился заданную полосу, передача информационных символов растягивается по времени. В силу этого S-CDMA используется только в каналах с шириной не менее 1.6 МГц. В противном случае прием информационных символов требовал бы слишком большого интервала времени, что вызывало бы чрезмерные задержки работы CMTS. В режиме S-CDMA допускаются те же схемы модуляции, что и для A-TDMA, но добавлена возможность треллистного кодирования3. Совместно с треллистным кодированием допустима схема модуляции 128 QAM. При этом достигается такая же скорость, как при использовании 64 QAM без треллисного кодирования, но большая помехозащищенность.

Символьные и битовые скорости в зависимости от ширины канала, схемы модуляции и наличия треллистного кодирования при использовании S-CDMA приведены в таблице 7.

Таблица 7.
Символьная
скорость
(кбод)
ширина
канала
(кГц)
скорость передачи (кбит/с)
QPSKQAM
8
QAM
16
QAM
32
QAM
64
QAM
128
1280160025603840 640064007680-
1280
(Тр. код)
1600128025605120512064007680
2560320051207680128001280015360
2560
(Тр.код.)
32002560512010240102401280015360
512064001024015360256002560030720
5120
(Тр.код)
640051201024020480204802560030720

Так как приемник обратного канала может принять сигнал ограниченной мощности, модем вынужден регулировать мощность, приходящуюся на одну несущую, в зависимости от общего числа несущих.

Максимально допустимая суммарная мощность сигналов, передаваемых модемами, в зависимости от схемы модуляции и метода уплотнения, приведена в таблице 8.

Таблица 8.
Максимальная
мощность передачи
2.0 A-TDMA
(дБмкВ)
2.0 S-CDMA
(дБмкВ)
QPSK5853
QAM 855 
QAM 1655 
QAM 3254 
QAM 6454 
QAM 128  

Обе системы уплотнения могут сосуществовать в одной сети DOCSIS. В этом случае часть модемов использует A-TDMA, а другая часть — S-CDMA. Более того, обе системы могут поочередно использоваться в одном и том же обратном канале.

Многоканальные сети

Многоканальные сети EuroDOCSIS могут иметь различную конфигурацию.

В простейшей конфигурации несколько оптических узлов обслуживаются одним передатчиком прямого канала, но каждый из них имеет один отдельный приемник обратного канала.

В другом варианте каждый оптический узел может быть подключен к двум или более приемникам обратного канала. В этом случае CMTS заносит в конфигурационный файл каждого модема данного коаксиального сегмента номер назначенного ему обратного канала, и постоянно отслеживает сбалансированность загрузки обратных каналов.

При очень насыщенном трафике между CMTS и коаксиальным сегментом оптический узел может обслуживаться не только несколькими обратными, но и несколькими прямыми каналами. В этом случае в конфигурационный файл модема дополнительно заносится частота назначенного ему прямого канала.

Различия между DOCSIS и EuroDOCSIS

Рис. 3. Распределение шумов в полосе обратного канала

Основное различие между двумя стандартами — ширина прямого канала и полосы, выделенной для организации обратного канала.

В прямом направлении спецификация DOCSIS регламентирует использование каналов шириной 6 МГц, что не позволяет использовать более широкие каналы европейских сетей с максимальной эффективностью. EuroDOCSIS предусматривает 2 варианта ширины прямого канала — 7 МГц и 8 МГц.

Еще более важным является различие в ширине спектра, выделенного для организации обратных каналов. DOCSIS позволяет размещать обратный канал в частотном диапазоне 5-42 МГц, а EuroDOCSIS — в диапазоне 5-65 МГц.

Расширение полосы обратного канала в EuroDOCSIS оказывается особенно существенным с учетом того, что добавленный участок гораздо менее зашумлен, нежели нижняя часть спектра обратного направления. Типичное распределение шумов на этом участке спектра показано на рисунке (рис. 3). Разумеется, это обобщенная картина, и радиочастотная обстановка в каждом конкретном районе должна исследоваться отдельно.

На основании этого обобщения были сделаны расчеты максимально возможной загрузки обратного канала с учетом степени зашумленности отдельных участков. Результаты этих вычислений приведены в таблице 9.

Таблица 9.
Частота (МГц)МодуляцияПропускная способность
> 20- -
20-26QPSK9.6 Мбит/с
26-28--
28-33QPSK8Мбит/с
33-4216QAM 36 Мбит/с
42-65 16QAM92 Мбит/с

Они показывают, что суммарная пропускная способность обратных каналов DOCSIS1.1 составляет 49.6 Мбит/с, а EuroDOCSIS 1.1 — 141.6 Мбит/с. Для версий 2.0 это различие будет еще более значительным.


1 Напомним, что MAC-адрес — является уникальным номером сетевого устройства, который присваивается ему заводом производителем. Он имеет 6 байтный формат, 3 старшие байта содержат идентификатор фирмы — производителя, а три младшие отведены для нумерации производителем выпускаемых ифм устройств.
2 ортогональность кодов исключает их искажающее влияние друг на друга при сосуществовании в одном канале.
3 Способ повышения помехоустойчивости сигнала, заключающейся в искусственном увеличении Эвклидова расстояния между соседними символами модулированного сигнала (в дополнительном разнесении их в пространстве сигналов).



 
Теле-Спутник Июнь 2004
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт