Вопрос о пропускной способности каналов двунаправленных сетей кабельного телевидения, использующих семейство стандартов DOCSIS для передачи данных и голоса, широко обсуждается тремя категориями заинтересованных лиц: абонентами, выбирающими поставщика услуг, операторами сетей и оппонентами (в том числе конкурентами).

Первая категория выступает как потребитель услуг и требует, чтобы передача информации в обоих направлениях осуществлялась со все большей и большей скоростью. Сейчас скорости, соответственно, 256 кбит/с и более в прямом канале и 128 кбит/с в обратном канале считаются обыденным явлением для частных пользователей и малого бизнеса, и многих эти цифры устраивают. Однако имеется небольшая группа пользователей, 5-7% от общего количества интерактивных абонентов, потребляющая до 70% скоростного трафика. Именно они создали проблему P2P (peer-to-peer), осуществляя взаимный обмен обширной информацией в виде передачи больших массивов данных (программ, цветных фото, музыки в формате MP3 и пр.). Этот поток, нагружающий обратный канал (ОК), не может не создать снижения скорости передачи для всех абонентов, причем в обоих направлениях.

Вторая категория (операторы кабельных сетей) выступает в качестве поставщика услуг и заинтересована в привлечении дополнительного количества абонентов. При этом с целью заинтересовать потенциальных клиентов вводятся различные внутрисетевые услуги (интерактивные сетевые игры, личные web-странички и пр.). Таким образом, как за счет простого увеличения числа интерактивных абонентов, так и упомянутого роста объема внутрисетевого трафика, оператор сам себе создает дополнительные сложности с нагрузкой на ОК. Однако его интерес и в том, чтобы обеспечивать сервис на должном уровне, для чего оператор должен не только понимать проблему в целом, но предпринимать все возможные меры для ее решения. Его действия в первую очередь должны быть направлены на увеличение пропускной способности в обоих направлениях, что позволит не только повысить качество предоставления существующих услуг, но и вводить новые (видеоконференцсвязь, VOD и пр.).

Третья категория лиц (оппоненты) видит свой интерес в том, чтобы представить интерактивный широкополосный доступ с использованием DOCSIS как бесперспективный или, как минимум, ограниченный по возможностям пропускной способности, особенно в обратном канале, ссылаясь на то, что вся доступная битовая скорость распределяется между всеми интерактивными пользователями. Это является основным аргументом, например, со стороны операторов xDSL, выступающих в качестве конкурентов по предоставлению широкополосного доступа. Безусловно, такое утверждение приводит к радикальному занижению возможностей сетей с использованием DOCSIS. Авторам хотелось бы верить, что это — бескорыстное заблуждение.

Целью настоящей статьи является попытка проанализировать текущее состояние и перспективы развития широкополосного доступа с точки зрения пропускной способности каналов КТВ по передаче данных (для краткости изложения под данными будем подразумевать передачу любой информации в пакетном режиме, включая голос, запросы VOD и пр.).

Поскольку наиболее остро стоит вопрос о пропускной способности обратного канала, то в дальнейшем мы будем говорить в основном об этом. Параллельно будут проанализированы возможности увеличения пропускной способности прямого канала.

1. Уточнение терминов

В связи с тем, что недостаточную скорость передачи информации в обратном канале часто неправильно связывают с ограниченной полосой частот обратного канала (5...30 МГц или 5...65 МГц), разберемся с терминологией. Полоса частот обратного канала (bandwidth) -это спектр частот в МГц, выделенный в нижней части общего спектра сигналов КТВ, который занимают сигналы одного или нескольких каналов передачи информации. Пропускная способность (throughput, capacity) — это скорость передачи информации в Мбит/с одного канала, по которому предоставляется некоторая услуга. Общая пропускная способность — это совокупная пропускная способность всех каналов передачи информации, которые размещаются в полосе частот обратного канала сети КТВ.

Определенная сумятица внесена при обозначении пропускной способности прямого и обратного каналов, соответственно, терминами downstream bandwidth и upstream bandwidth, а иногда и просто bandwidth, что при одном из вариантов дословного перевода можно трактовать как полосу частот прямого или обратного каналов. Возможно, это и явилось отправной точкой неправильного толкования терминов.

Вместе с тем, любой сигнал канала передачи данных с определенной пропускной способностью занимает свою определенную полосу частот. Например, при передаче сигнала QPSK с максимальной скоростью 5,12 Мбит/с занимаемая им полоса частот составляет 3,2 МГц, что существенно меньше общей полосы частот обратного канала 5...30 МГц (или, тем более, полосы частот 5...65 МГц).

В этом разделе мы хотели подчеркнуть, как важно четко разграничивать понятия пропускной способности канала передачи данных в занимаемой им полосе частот и выделенного диапазона частот для оказания услуг в целом. Ниже мы постараемся показать, так ли уж мала в действительности пропускная способность ОК.

2. Общая пропускная способность обратного канала

Теоретически пропускная способность любого информационного канала определяется формулой Шеннона. Если сигнал занимает полосу пропускания F, а отношение мощностей сигнала и помехи составляет Рс/Рп, то максимальное количество информации, которое можно передать в секунду со сколь угодно малой вероятностью ошибок, есть величина

C = F log₂(1+Рс/Рп).        (1)

Используя известную из теории передачи сигналов формулу, связывающую количество уровней (состояний) информационного сигнала L и отношение сигнал/помеха для каналов с белым шумом

L =,        (2)

из выражения (1) подстановкой получаем формулу Найквиста

C = 2 F log₂ L        (3).

Рассмотрим обратный канал с диапазоном 5..30 МГц, считающийся наиболее проблематичным. В нем имеется полоса частот от 12 МГц до 27 МГц с приемлемым для размещения рабочих сигналов уровнем помех. Для сигнала (например, QPSK), у которого число уровней состояния (символов) равно 4=2, где показатель означает количество битов в символе, из уравнения (3) получаем

C = 2 • 15 МГц • log ₂4 = 60 Мбит/с.        (4)

Такая пропускная способность могла бы быть получена и из формулы (1) при соотношении Рс/Рп = 15 (10 lg 15 = 12 дБ по мощности).

Итак, теоретически возможная удельная пропускная способность канала для сигнала QPSK составляет 4 Мбит/с /МГц (60 Мбит/с: 15 МГц).

В реальной жизни, помимо обычных шумов и наводок, в спектре сигнала ОК присутствуют импульсные помехи, продукты нелинейных искажений и паразитные сигналы, возникающие в результате микроотражений. Указанные виды помех влияют на эффективную скорость передачи пакетов данных. В приемниках портов Upstream (US), выполненных по первой версии DOCSIS 1.0, при обработке сигнала и вычислении отношения сигнал/шум эти факторы не учитывались. Результатом явилось некоторое снижение пропускной способности канала, реализуемое на практике для сигналов с определенным видом модуляции.

Например, при использовании упомянутого выше сигнала QPSK, занимающего полосу 3.2 МГц, максимальная пропускная способность, приведенная к единице частоты, составляет 5.12 Мбит/с: 3.2 МГц = 1.6 Мбит/с/МГц, то есть в два с лишним раза меньше теоретической. Соответственно, и общая пропускная способность снижается до 24 Мбит/с.

В обратном канале диапазона 5...65 МГц за счет использования дополнительных (и не зашумленных) участков общая пропускная способность увеличивается до 36...40 Мбит/с для DOCSIS 1.0, который ограничивает полосу частот в CMTS величиной 42 МГц, и до 60 Мбит/с для CMTS с использованием стандарта EuroDOCSIS.

Реализация определенной в соответствии с DOCSIS 1.0 пропускной способности, а также ее повышение путем использования более эффективных способов модуляции, предоставляемых стандартами DOCSIS 1.1 и DOCSIS 2.0, будут рассмотрены ниже.

Определение нагрузки на канал

Еще в процессе проектирования интерактивных кабельных сетей, при расчете числа потенциальных абонентов, приходящихся на коаксиальный кластер (зону обслуживания), необходимо учесть возможное количество интерактивных абонентов и требуемый в этот момент скоростной трафик на абонента.

Выполним расчет для кластера на 500 потенциальных абонентов, при этом возьмем данные мирового опыта. Предположим также, что CMTS имеет один порт downstream (DS) и четыре порта upstream (US), при этом поток DS делится на абонентов четырех кластеров, а поток одного US — на абонентов одного кластера.

Предположим, услугами КТВ изъявит желание пользоваться 70% от общего числа потенциальных абонентов, из них на интерактивные услуги подпишется 30%. Примем, что в час наибольшей нагрузки количество одновременно работающих абонентов не превышает 25%. Тогда число таких пользователей (500*0.7*0.3*0.25) не превысит 26 человек.

При использовании наиболее распространенного в отечественных сетях стандарта DOCSIS 1.0 пропускная способность канала DS с использованием модуляции 64QAM составляет 30,34 Мбит/с, а порта US при модуляции QPSK — 5,12 Мбит/с (максимум). Следовательно, на одного абонента в гипотетически наихудшем варианте по прямому каналу приходится 292 кбит/с, а по обратному каналу — 197 кбит/с.

Сложившаяся в настоящее время практика предусматривает введение операторами определенных ограничений по скоростному трафику, при этом максимальная скорость передачи по обратному каналу, как правило, ограничена величиной 182 кбит/с. Здесь и далее в расчетах участвуют значения полной пропускной способности каналов, учитывающей передачу как служебных битов, так и битов полезной информации.

А что делать, если кластер имеет более 500 абонентов (например, 1000...1500), или востребована более высокая скорость передачи? Здесь имеются три возможности:

• использование оператором структурных решений, связанных с сегментацией сети в целом или сегментацией коаксиальных кластеров (оптических узлов);
• введение дополнительных каналов передачи информации в полосе частот прямого и обратного каналов (новых несущих);
• использование оборудования, сертифицированного по новым версиям стандартов DOCSIS 1.1 и DOCSIS 2.0.

Рис.1. Фрагмент сети на 8 оптических узлов

Топологическая сегментация сети

Если сеть большая, то естественным начальным шагом повышения пропускной способности, приходящейся на абонента, является увеличение числа портов US с целью уменьшения коэффициента суммирования кластеров на один порт. Предполагается, что до этого с целью экономии количества портов было выполнено определенное суммирование кластеров на порт с учетом количества модемов и уровня помех. На рис. 1 показано суммирование по ОК в отношении 2:1, то есть, к одному порту US подключены два кластера.

Увеличение количества портов осуществляется или установкой дополнительных интерфейсных карт LC (Line Card) в CMTS или установкой новых, дополнительных или более мощных CMTS. В любом случае в сеть поступает уже не один сигнал DS, а несколько (N) с разными частотами. Положительным фактором при этом является увеличение общей пропускной способности прямого канала в N раз. Однако при этом возникают и два отрицательных момента: дополнительная загрузка спектра прямого канала и некоторое снижение полезной пропускной способности (модем тратит время на поиск своей несущей в DS).

Решением проблемы является так называемая топологическая сегментация сети. Суть ее заключается в полном делении всей сети на N частей, при этом оптические узлы с коаксиальными кластерами по ОК должны быть подключены на порты US той карты CMTS, от которой они получают сигнал DS. При этом в каждой части сети будет всего один сигнал DS (можно принять одну частоту несущей для N сегментов), а предельным вариантом является возможность подключения одного кластера на один порт US (рис.2).

Рис.2. Фрагмент сегментированной сети (4 кластера в сегменте)

Очевидным положительным последствием топологической сегментации сетиявляется возможность передачи по прямому каналу адресной информации (narrowcasting), например трансляции канала местной телестудии для определенного муниципального образования.

Сегментация оптического узла

Этот вид сегментации фактически означает деление кластера на независимые коаксиальные ветви с уменьшенным количеством абонентов, которые могут быть подключены на отдельные порты US.

Операция предусматривает наличие нескольких независимых передатчиков ОК (до 4) в оптическом узле или их установку вне узла. Технология и используемое оборудование при передаче данных по одному или нескольким волокнам от оптического узла до головной станции в достаточной мере изложены в [1]. Здесь лишь дополним, что при передаче по одному волокну, помимо технологий DWDM и конверсии спектра, используется также цифровое мультиплексирование TDM.

Параллельно с сегментацией ОК в оптическом узле в ряде случаев полезно выполнить и сегментацию ПК (с использованием дополнительных приемников), если предполагается для увеличения пропускной способности ПК вводить дополнительные каналы DS.

Альтернативой сегментации оптического узла (или ее дополнением, если она выполнена) является процедура ввода дополнительных каналов передачи данных (уплотнение каналов), иначе называемая виртуальной сегментацией.

Уплотнение каналов передачи данных

Аналогично тому, как в полосе частот обратного канала могут существовать сигналы различных услуг (Интернет, телеметрия, VOD, телефония), для передачи данных любой услуги можно вводить дополнительные каналы (новые несущие). Рассмотрим это на примере высокоскоростного доступа в Интернет. Технология предусматривает введение новых несущих частот, заполняющих свободную и пригодную для использования часть спектра обратного канала [2], при этом сигнал каждой из частот поступает на свой порт US. Частота каждого порта и приписанные к ним модемы должны быть заданы программно.

Возможны два варианта реализации:

• использование портов US одной карты CMTS (рис. 3);
• использование портов US разных карт, что дает еще и увеличение пропускной способности по прямому каналу для оптического узла в целом или сегментированной ее части, так как вводятся новые каналы DS (рис.4).

Рис.3 Виртуальная сегментация (4 канала на кластер)

Рис. 4 Виртуальная сегментация (8 каналов на кластер), распределенных на две карты CMTS)

Обе схемы предусматривают применение обратного канала диапазона 5...65 МГц. Условно обозначенный на схемах узел деления (суммирования) сигналов US и DS может быть или простым пассивным делителем (сумматором) или представлять собой совокупность выходов (входов) сегментированных участков оптического узла.

Следует заметить, что метод уплотнения каналов требует меньших финансовых затрат, по сравнению с сегментацией оптических узлов, так как не связан с модернизацией сетей.

Таким образом, сегментация и уплотнение каналов в ОК позволяет уменьшить количество интерактивных абонентов на порт US до нескольких десятков (и даже единиц в кластерах до 1000 абонентов) и увеличить разделяемую ими пропускную способность передачи данных до нескольких десятков Мбит/с (DOCSIS 1.0, EuroDOCSIS).

В сети кабельного телевидения ЗАО "Комкор-ТВ" практически реализованы топологическая и виртуальная сегментации.

Дальнейшее увеличение пропускной способности каналов связано с применением CMTS и кабельных модемов, сертифицированных по DOCSIS 1.1 и DOCSIS 2.0. Этого увеличения в ряде случаев достаточно, чтобы уменьшить объемы сегментации и количество используемых портов US.

Применение DOCSIS 1.1.

Одним из основных механизмов, введенных в DOCSIS 1.1 на физическом уровне в процессе передачи в обратном канале, является использование процесса эквализации. Его суть заключается в том, что модем получает от CMTS некие коэффициенты, приобретенные на предыдущем этапе обработки сигнала с учетом нелинейных искажений, и на основе этих коэффициентов модем меняет уровни битов в пакете данных. Это в последующем позволяет осуществить компенсацию возможных вредных воздействий. В результате эквализации (и еще ряда усовершенствований) удалось реально перейти на более высокий уровень модуляции сигнала 16 QAM, который имеет шестнадцать уровней состояния.

Если в формулу (3) подставить L=16=2 (а не L=4, как для QPSK), получим удвоение пропускной способности, по сравнению с DOCSIS 1.0. То есть, вместо 5.12 Мбит/с получается пропускная способность 10.24 Мбит/с для канала 3.2 МГц.

Применение DOCSIS 2.0

В этом стандарте получили дальнейшее развитие методы формирования пакетов данных и способы повышения помехоустойчивости сигналов, направленные на уменьшение влияния помех и микроотражений. Рекомендованы к применению два новых режима работы: A-TDMA (Advanced Time Division Multiple Accsess) и S-CDMA (Synchronous Code Division Multiple Accsess). Все это позволяет перейти в обратном канале к модуляции с более высоким индексом 64 QAM и ширине спектра сигнала 6.4 МГц, что, в свою очередь, увеличивает пропускную способность до 30.72 Мбит/с на канал передачи данных (сигнал 64 QAM имеет 64 уровня состояния L=2). В прямом направлении за счет использования модуляции 256 QAM пропускная способность повышается до 42.88 Мбит/с (для EuroDOCSIS — до 55.62 Мбит/с).

Более совершенные методы помехоустойчивого кодирования, а также используемые в приемниках CMTS второго поколения методы цифровой обработки сигналов позволили снизить требования к отношению несущая/помеха на 5...7 дБ. Это дает возможность размещать дополнительные каналы передачи на участках спектра ОК, ранее недоступных из-за значительных помех.

По оценкам западных специалистов, применение стандарта DOCSIS старших версий ведет к снижению затрат на пропускную способность, приведенную к одному абоненту [3].

В таблицах 1 и 2 представлены сводные данные для максимальных значений пропускной способности на канал, соответственно, в прямом и обратном направлениях в зависимости от применяемых версий DOCSIS (EuroDOCSIS).

В таблице 3 представлена максимальная пропускная способность (Мбит/с) на абонента в обратном направлении из расчета максимальной загрузки (26 пользователей в соответствии с примером раздела 3). Прочерки в таблице означают нецелесообразность выполнения сегментации кластеров, поскольку эквивалентную битовую скорость может обеспечить более простой и дешевый метод виртуальной сегментации (уплотнение каналов).

Таблица 1. DOCSIS 1.0, 1.1, 2.0 EuroDOCSIS

Таблица 2

Таблица 3

Разумеется, при принятии решения о проведении сегментации сети тем или иным методом в первую очередь необходима оценка экономической целесообразности. Однако подобные оценки требуют значительного числа допущений нетехнического характера, сильно зависящих от условий, в которых работает конкретный оператор и прогнозов развития рынка. Поэтому приводить такой анализ в данной статье не имеет смысла.

Литература