HFC 和 DOCSIS HSD 和 VoIP 我們處于 IP技術爆炸式發(fā)展的時代 “處處有 IP”! IP 數據業(yè)務 , VoIP, IP video, etc IP 沖擊著每一種傳統(tǒng)通信方式 電話 電視 郵政 傳媒 IP帶來了新的交流方式 IM QQ MSN IP帶來了新的生活方式 虛擬空間 有線電視（廣電）行業(yè)的影響 發(fā)展的機遇 北美的 Cable行業(yè)已經抓住了這個很好的發(fā)展機遇 我國的廣電行業(yè)面臨著挑戰(zhàn) 雙向 HFC網絡依然是我國廣電發(fā)展的瓶頸 雙向 HFC的建設的重視程度 “我的雙向網已經建設好了” 經?；乇軉栴} “不用改造的雙向技術” “5類線入戶” 單向網的 VOD技術 盲目樂觀 “我已經開通了數據業(yè)務，所以 VoIP也應該沒問題” “DOCSIS 2.0 或 SCDMA 可以使得雙向變的容易” 關于 IPTV的擔心 “IPTV 是 DTV的終結者” 在機遇中求發(fā)展 討論關于在 IP洪流中的發(fā)展機遇是一個很大的題目 我們的觀點 雙向 HFC是我們賴以生存和發(fā)展的基礎 北美的發(fā)展軌跡可以借鑒 HFC是廣電的優(yōu)勢所在 以技術為本是我們發(fā)展的保證 掌握好雙向技術可取得事半功倍的效果 科學的管理 以用戶需要為原則是獲得市場的唯一途徑 已經有成功的例子 主要的對手是 xDSL 電信的優(yōu)勢是其管理水平 標準的形成 基礎標準 FCC part 76 國內的一系列標準 在 HFC（或有線電視）網絡上進行寬帶業(yè)務的標準 DOCSIS 1.0, 1.1, 2.0 關于語音的標準 Packet Cable SIP 關于 DOCSIS MCNS：多媒體有線網絡系統(tǒng)。其參與者有： Comcast, COX, TCI, Time Warner, MediaOne, Rogers Cablesystems and CableLabs MCNS的成員代表了 80%左右北美的有線用戶 MCNS成立的目的 建立委員會以制定在雙向 HFC網上進行數據通信的接口規(guī)范 DOCSIS 統(tǒng)一性和開放性： 其目的是使各經銷商間產品的互操作性得以實現 標準的制定可以使 Cable Modem 在普通電器商店就可買到，從而 擴大市 場規(guī)模，同時也使網絡運營商有更多的選擇 關于 DOCSIS的版本 版本 1.0 版本 1.1 版本 2.0 關于版本 3.0 DOCSIS-基本框架 DOCSIS 1.1 增加了 QoS Primary focus of DOCSIS 1.0 RF Cable Specification Wide-Area Network CMTS Network Side Interface Modem Termination System CMTS Cable Network Cable Modem (CM) CM Customer Premises Equipment Interface Customer Premises Transparent IP Traffic Through the System 關鍵詞 : CMTS - 電纜調制解 調器終端系統(tǒng) Equipment CM - Cable Modem DOCSIS - 在 Cable上傳輸數據的接口協(xié)議 Cablelab- 代表 MCNS, 開發(fā)并管理 DOCSIS標準 MCNS - 多媒體 Cable 網絡系統(tǒng) , 主要包括北美有線電視運營商及一些設備供應商 Cable Data 數據傳輸業(yè)務接口規(guī)范 SP-CMCI 電纜調制解調器與用戶裝用設備間的接口規(guī)范 SP-CMTS-NSI 電纜調制解調器系統(tǒng)網絡側接口規(guī)范 SP-RFI 射頻接口規(guī)范 SP-CMTRI 電纜調制解調器電話回傳接口規(guī)范 SP-OSSI 操作支持系統(tǒng)接口規(guī)范 SP-BPI+ 基線保密增強型接口規(guī)范 DOCSIS 協(xié)議層 OSI DOCSIS Data Over Cable 高層 傳輸層 網絡層 數據鏈路層 Applications TCP or UDP IP IEEE 802.2 DOCSIS MAC DOCSIS Control Messages MPEG- based applics, e.g. Video 上行 TDMA (mini-slots) 下行 TDM (MPEG) 物理層 5-42 MHz (QPSK or 16QAM) 6 MHz ITU-T J.83 Annex B HFC DOCSIS下行 /上行技術規(guī)范 下行 , ITU J.83 Annex-B 調制 : 64QAM或 256QAM, 最大的數據速率 :27Mbps或 38Mbps 帶寬 :6MHz頻道 頻率范圍 :88-860MHz 上行 調制 :16QAM或 QPSK,符號速率可變 數據速率 : 320Kbps-10Mbps 帶寬 : 200kHz-3.2MHz 頻率范圍 : 5-42MHz Upstream Symbol Rate (ksps) 160 320 640 1,280 2,560 QPSK Data Rate (kbps) 320 640 1,280 2,560 5,120 16QAM Data Rate (kbps) 640 1280 2,560 5,120 10,240 Bandwidth Used (KHz) 200 400 800 1,600 3,200 MCNS由 GI(現 Motorola CHS部門 )設計的部分 頻率捷變 , 5-42MHz(以邊帶為準 ) 二種調制格式 , 16QAM/QPSK 五種不同的符號速率 ,160Ksps-2.56Msps Euro-DOCSIS和 tComLabs EuroDOCSIS 下行特性 帶寬為 8MHz 頻率范圍是 108到 862MHz 網絡阻抗是 75 Ohms 調制方式為 64QAM&256QAM 符號速率為 6.952MSym/Sec 最大數據速率為 41.71&55.61MBit/Sec CMTS輸出功率電平為 50到 61dBmV EuroDOCSIS 上行特性 信道帶寬為 .2, .4, .8, 1.6 & 3.2MHz 頻率范圍 5到 65MHz 傳輸模式為 burst carrier 載噪比為 25dB typical 調制方式為 QPSK&16QAM 符號速率為 .16, .32, .64, 1.28 & 2.56MSym/Sec 功率輸出范圍為 8到 58dBmV 符號長度為 2Bit(QPSK)&4Bit(16QAM) 最大數據速率為 5.12&10.24MBit/Sec 功率輸入線性范圍為 -16到 26dBmV EuroDOCSIS和 DOCSIS比較 下行 Euro Domestic 中心頻率 (MHz) 符號速率 (Msym/sec) 64QAM 256QAM 帶寬 (MHz) 頻率范圍 (MHz) FEC interleave Tap/Increment 112 858 6.952 6.952 8 上行 5 65 交織 12/17 91 857 5.056941 5.360537 6 5 42 8/16 16/8 32/4 64/2 128/1 DOCSIS 1.1 服務質量 分類： 算出哪些包獲得更好的服務 策略制訂： 避免包獲得過多的服務 緩沖： 確保包可停留在某處 調度安排： 實際提供服務 DOSCIS 1.1 - Data Grant QoS 定義在 v1.1 MAC (media access control) protocol QoS 分類 : 傳統(tǒng)的 best-effort 業(yè)務 實時輪訊業(yè)務 Real-time polling service MPEG video 非實時輪訊業(yè)務 No-real-time polling service 需要調度但是非實時 Scheduled but non-real-time such as FTP Unsolicited grant service (UGS) Voice 帶有自動監(jiān)測的 UGS with activity detection Voice w/ silence suppression DOSCIS 1.1 分片 Fragmentation 為什么需要“分片” ? G729 的語音需要每 10ms 10 byte的數據量 10ms 在 160 Kbit/s的速率 , 一個 1518 byte 的數據包傳送需要 40 msec 40ms DOSCIS 1.1 分片 Fragmentation 如果在同一個上行頻道傳送兩種數據包 10ms 40ms 這樣會引起抖動和無法接受的延遲，從而影響話音的質量 What is the solution ? DOSCIS 1.1 分片 Fragmentation CMTS allocates a partial grant to CM, allowing it to send part of its data packet. Initial grant will be for part of the packet. Subsequent grants may be in the same or a different MAP. CMTS may also issue Grant Pending as it awaits an opportunity to schedule the rest of the grant 10ms Timing is maintained for voice packets and data packet is reassembled by CMTS prior to forwarding 40ms DOSCIS 1.1 其他的功能 載荷頭部壓縮 Payload header suppression (PHS) Used in UGS and UGS w/ activity detection 上行預均衡 Upstream pre-equalization 利用記錄在 CMTS中的信道失真系數 發(fā)送到每個 modem 調整預均衡器來補償信道失真 8 taps (DOCSIS 2.0: 24 taps) QPSK 16QAM 串聯聚合 Concatenation 在單個上行的時間“槽”內，聚合若干個數據包 具有相同的 MAC header 注冊和升級提供更高的安全性 并保護用戶的通信 - BPI+ 支持 IGMP 以便于在 DOCSIS域中設定 IP multicast DOCSIS 1.0 SID 單向數據流 DOCSIS 1.0 每方向提供 1 個服務流，具有一定的服務質量 CMTS SFID 1 纜線 SID 1 調制解調器 DOCSIS 1.1 SID DOCSIS 1.1 引入了多 SID 的概念?；诹髁糠诸?，每個 SID 都具 有特定的、可定義的服務質量能力 CMTS SFID 1（ Web 瀏覽） SID 1（ Web 瀏覽） SID 2（視頻） SFID 2（視頻） 纜線 調制解調器 加權平均排隊 當今大多數 CMTS 系統(tǒng)采用基于等級的排隊 (WFQ) 與 RED 或 WRED 一起使用 通常將包分配給 8 個服務等級（典型 值）中的一個并放置在該等級的緩沖器中 在過載情況下，從服務等級緩沖器廢棄這些包。當廢棄包發(fā)生時， CMTS 不能區(qū)別對待 緩沖器中單獨的包。 分層次的按流排隊 為每一 DOCSIS 服務流分 配其自己的緩沖器，并且調度程序根據優(yōu)先級決定哪些緩沖器將提供服務。最長 的隊列推出與層次調度程序一起使用。在過載情況中，可以作出智能決策以決定廢棄哪些包并對這些包按 優(yōu)先級排序。 為什么在 HFC上開展數據會有這么多困難 ? 有線電視網絡的形成 歷史上有線電視網絡的出現是僅用于廣播 很少考慮冗余 網絡建設和網絡維護的規(guī)范不甚健全 電纜入戶的工藝規(guī)范 系統(tǒng)中斷的避免 在傳統(tǒng)的有線電視網絡上直接開展數據業(yè)務是有問題的 沒有雙向規(guī)范和經驗 工藝質量問題 冗余和故障恢復 定量的分析有助于了解我們所面臨的困難 規(guī)范中的技術指標 對數據業(yè)務 /語音業(yè)務的影響 關于 HFC的網絡技術規(guī)范 毫無疑問，有線電視網絡是可以很好承載數據的語音業(yè)務的 北美的率先發(fā)展 國內的方興未艾 但前提是你的 HFC網絡必須滿足一些最低的技術指標要求 FCC Rules Part 76 的技術指標 /nara/cfr/waisidx_03/47cfr76_03.html DOCSIS 的射頻接口規(guī)范中所假設的射頻傳輸信道的技術指標 /specifications 保證 HFC網絡的“不可用性”貢獻不超過 0.01%，參見 “PacketCable 可用性參考架構” /specifications FCC Rules: Part 76 最低視頻載波幅度要求 : 0 dBmV 在用戶端口 +3 dBmV 在 30m的用戶線的末端 最大視頻載波幅度 : 不至于造成用戶端接收設備或終端設備過載 音頻載波幅度 : 10 dB 17 dB 低于視頻載波 視頻載波幅度變化 : 在 6個月的期間內，任何頻道的電平變化不超過 8dB 在有線電視的整個帶寬內，任何相鄰的頻道之間的電平差別不超過 3dB 在 300MHz帶寬內，任意兩個頻道之間的電平差別不超過 10dB，帶寬每 增加 100MHz，差別范圍可增大 1dB FCC Rules: Part 76 音頻載波頻率 : 偏離正常頻率（例如， NTSC頻道的音頻載波位于高于視頻載波的 4.5MHz處）不超過 +/- 5 kHz 頻道內頻率響應 : NTSC制式從最低頻帶邊界算起， 0.75MHz到 5.0MHz之間的頻率響應小 于 +/- 2 dB 視頻載波 /噪聲比 : 43 dB （相對于 4MHz的 NTSC電視頻道噪聲帶寬） 視頻載波 /相干干擾比 (CTB, CSO, XMOD) 51 dB 對于 IRC 頻道規(guī)劃 ； 47 dB 對于 HRC 頻道規(guī)劃 終端隔離 : 至少 18 dB, 并且足以防止由于用戶端設備開路 -短路所引起的反射影響 到其他用戶終端設備的正常圖像收看 FCC Rules: Part 76 低頻干擾 （哼聲） : 由低頻干擾引起的視頻信號電平變化的峰 -峰值，不超過視頻信號的 3% 色亮延遲不均衡 : 170 ns 或更小 差分增益 : 最大 +/-20% 差分相位 : 最大 +/-10 度 信號泄漏（小于并包括 54MHz，并且大于 216MHz） : 不大于 15 V/m 的場強，使用半波陣子在距離 30 米處測量 信號泄漏（大于 54 MHz 小于并包括 216 MHz） : 不大于 20 V/m 的場強，使用半波陣子在距離 3 米處測量 121 i t o n ) t e i o t i o i o i i e e n l i i i m i m e i s n s e y y l l l l l l t n i t n i l DOCSIS 1.1 Assumed Downstream RF Channel Transmission Characteristics P aram eter F requency range R F channelspacing (design bandw dth) T ransi delay from headend to m ost distant custom er C arrier -to-noise rati i a 6 M H z band (analog video evel C arrier -to-C om posie tripl beat distorton rati C arrier -to-C om posie second order distorton rati C arrier -to-C ross-m odulaton rati C arrier -to-any other discrete nterference (ingress) A m pltude rippl G roup delay rippl i the spectrum occupied by the C M T S Micro-refectons bound for dom nant echo C arrier hum m odulaton B urst noise M axi um analog video carrier evelat the C M nput M axi um num ber of analog carriers V alue C abl system norm aldow nstream operatng range i from 50 M H z to as high as 860 M H z； how ever, the values i thi tabl appl onl at frequencies = 88 M H z 6 M Hz =0.800 m sec (typicaly m uch ess) N ot ess than 35 dB 3 N ot ess than 41 dB 3 N ot ess than 41 dB 3 N ot ess than 41 dB 3 N ot ess than 41 dB 3 3.0 dB w ihi the design bandw dth 75 ns w ihi the design bandw dth -10 dB c = 0.5 sec -15 dB c = 1.0 sec -20 dB c 1.5 sec N ot greater than 26 dB c (5% ) N ot onger than 25 sec at a 10 H z average rate 17 dB m V 傳輸時延 信號從前端到用戶家傳輸所經過的時間，例如， 18 km 的光纖外加 1 km 的同軸 : 共產生大約 95 微秒的傳輸時延 DOCSIS的傳輸時延的規(guī)定： 0.800 ms （單方向） 0.800 毫秒相當于 100 英里的單模光纖，或者 130英里的同軸電纜 0.800 毫秒相當于 160 公里的單模光纖，或者 200公里的同軸電纜 95 sec 載波 /失真或載波 /干擾比 這個例子表示在某一頻 道內的載波干擾比為 48.3 dB，在大約偏離中 心頻率 0.5 MHz 的地方 幅度不平坦 幅度不平坦 /群延遲 /微反射 微反射 微反射，也稱作反射或回聲，是由于網絡上的不匹配點所引起的 在一個理想的網絡中，各處的阻抗最好都是正常的 但是，阻抗不匹配是處處存在的：接頭、放大器的輸入和輸出端口、 無源器件的輸入和輸出端口、甚至電纜本身。 上行方向的電纜損耗要明顯小于下行方向的電纜衰減，所以上向的微 反射影響更甚 在發(fā)生失配的地方，一部分入射波的能量被反射回來。反射回的波和 入射波相互疊加形成駐波，利用掃頻設備可以顯示出幅度的頻率特性 出現起伏。 高階的調制方式對微反射造成的影響更加敏感，例如， 256-QAM 比 64-QAM, 16-QAM 比 QPSK更容易受到微反射的影響 下行信號受到微反射和群延遲的影響，可以通過自適應均衡器補償。 這種功能在所有符合 DOCSIS標準的 modem中都有 上行信號受到微反射和群延遲的影響，也可以通過自適應均衡器進行 補償，但這種功能只在 1.1和 2.0的 modem中具備 上行信號的自適應均衡并不是所有的 1.0 modem都具備 ImaginaryImpedance(Ohms) 110 100 90 70 60 50 40 -10 -20 20 10 0 -30 -40 -50 -60 -70 dB 微反射 Return Loss Real Impedance vs. Imaginary Impedance Return Loss = 6 dB 右圖表示阻抗的實部和虛部 與回波損耗之間的關系 80 RL = 20*LOG10|(|Z|-75)/(|Z|+75)| 其中 |Z| = real + imaginary 30 -80 -90 -100 -110 Return Loss = 12 dB Return Loss = 19 dB Return Loss = 31 dB 圖中的藍色圓圈表示 6dB的回波損耗， 在圓圈上的任何實部與虛部的組合都可 以得到 6dB的回波。 因此， 25 Ohm 或 225 Ohm 的電阻得到 的也是 6dB回波損耗 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Real Impedance (Ohms) 微反射 原因 : 末端負載損壞或丟失 過流型防水分支分配器的未用端口的負載損壞或丟失 針形接頭中心導體的螺釘未擰緊 未使用的用戶分支分配端口未加負載 特別是那些低值的分支分配器 用戶線的末端空載 電纜收過損傷，例如電纜扭結，損壞。（包括電纜的破裂，會引起反射 和侵入噪聲 有源設備或無源設備損傷或損壞（如：進水，腐蝕，虛焊，電路板螺釘 松動，等） 很多電視機或錄像機的匹配性能很差，直接連到系統(tǒng)上造成的不匹配。 一些為“加密”而使用的陷波器、濾波器，其匹配性能很差，特別是上行 ReturnLoss(dB) -20 -25 -30 -35 微反射影響回傳的回波損耗 2-WAY SPLITTER RETURN PATH RETURN LOSS RESPONSE 0 -5 -10 Out 1 & Out 2 = 75 Ohms -15 Out 1 - 3 dB PAD -Open & Out 2 = 75 Ohms Out 1 - 3 dB PAD - 5 ft Coax & Open & Out 2 = 75 Ohms Out 1 - NO PAD - 5 ft Coax & CM & Out 2 = 75 Ohms Out 1 Open & Out 2 = 75 Ohms -40 -45 -50 Out Out Out Out 1 2 1 2 SA12 dB & 5 ft Coax & CM & = 75 Ohms SA12 dB & 5 ft Coax & Open & = 75 Ohms -55 -60 2 6 10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70 74 78 82 Frequency (MHz) Amplitude(dB) -10 -25 -30 -35 微反射影響正向的回波損耗 Return Loss Response (S11) of a 2-WAY SPLITTER INPUT- OUTPUT 2 - 75 Ohm Term OUTPUT 1 Terminated as Specified in Legend 0 -5 Output 1-NO PAD-5 ft Coax Open Output 1-3dB PAD-5 ft Coax Open -15 Output 1-NO PAD- 0 ft Coax Open -20 Output 1-NO PAD- 0 ft Coax 75 Ohm Output 1-6 dB PAD- 0 ft Coax -Open Output 1-3 dB PAD- 5 ft Coax 6 dB PAD-Open -40 -45 82 242 402 562 722 882 1042 1202 1362 1522 1682 Frequency (MHz) 關于微反射的一個試驗 Directional Coupler 23 dB TAP DC-(16dB) 3.5 dB Loss 2-WAY 3.5 dB Loss 2-WAY 3.5 dB Loss 2-WAY PORT 1 PORT 2 PORT 3 PORT 4 典型的 23 dB 4 端口分支 分配器 端口 3 到端口 4 的隔離要比端口 1 到端口 4 之間的隔離要差 分支分配器端口匹配不好 理想的 DOCSIS 2.0 信號 (E-4438C VSG) - 16-QAM 5.12 Msym/s (BW = 6.4 MHz) Fc = 28.6 MHz 4 個分支口的配置 Port 1 75 Ohm 終端 Port 2 75 Ohm 終端 Port 3 50 英尺的用戶電纜，連 接 DOCSIS 1.0 Cable Modem Port 4 E-4438C & 15 英尺的用 戶電纜 SNR = 36.7dB 分支分配器端口匹配不好 理想的 DOCSIS 2.0 信號 (E-4438C VSG) - 16-QAM 5.12 Msym/s (BW = 6.4 MHz) Fc = 28.6 MHz 4 個分支口的配置 Port 1 75 Ohm 終端 Port 2 75 Ohm 終端 Port 3 6dB衰減器 + 50 英尺 的用戶電纜，連接 DOCSIS 1.0 Cable Modem Port 4 E-4438C & 15 英尺的 用戶電纜 SNR = 42.8 dB (+6.1 dB) 分支分配器端口匹配不好 理想的 DOCSIS 2.0 信號 (E-4438C VSG) - 16-QAM 5.12 Msym/s (BW = 6.4 MHz) Fc = 28.6 MHz 4 個分支口的配置 Port 1 75 Ohm 終端 Port 2 75 Ohm 終端 Port 3 12dB衰減器 + 50 英尺的 用戶電纜，連接 DOCSIS 1.0 Cable Modem Port 4 E-4438C & 15 英尺的用 戶電纜 SNR = 45.2 dB (+8.5 dB) 微反射的改善 插入損耗的方法是對付微反射的一種“選擇” : 衰減器 通常 3到 6dB足夠將微反射的影響降低到最小程度。采用這種方 法帶來唯一問題是有線電視系統(tǒng)往往不允許衰減正向的信號 階梯式衰減器 實際上是一種高 通濾波器，但其阻帶的頻率響應是平坦 的并且可控。采用這種階梯式衰減器的優(yōu)點是它可以改善回波損耗并降 低脈沖型干擾和侵入噪聲。因此階梯式衰減器要比單純的衰減器具備雙 重的優(yōu)點 對付微反射的 DOCSIS 解決方案 : 發(fā)射端預均衡 設計發(fā)射端預均衡是用來有效對付微反射 /幅度和群延遲 。對于所有的 DOCSIS2.0和 DOCSIS1.1的 modem，這種方法有效。但 是 DOCSIS 1.0的 modem不支持 DOCSIS 1.1的 CMTS發(fā)送出來的預均衡 系數 后均衡 一種 ATDMA 技術， CMTS 可以基于每個數據突發(fā) (per Burst) 進行均衡，也叫后均衡。后均衡可以使得 DOCSIS 1.0的 modem也可以 工作在 16-QAM，因為此時微反射 /幅度和群延遲的影響可以有效地被 per BURST處理 t i i i i i m o i i e e l e n i l l l n DOCSIS 1.1 Assumed Upstream RF Channel Transmission Characteristics P aram eter F requency range T ransi delay from the m ost distant C M to the nearest C M or C M TS C arrier-to-interference plus ngress (the sum of noise,distorton, com m on-path distorton and cross- m odulaton and the sum of discrete and broadband ngress signals,i pulse noise excluded) rati C arrier hum m odulaton B urst noise A m pltude rippl G roup delay rippl Micro-refectonssingl echo S easonaland diurnalreverse gai (loss) variaton V alue 5 to 42 M H z edge to edge =0.800 m sec (typicaly m uch ess) N ot ess than 25 dB (N ote 2) N ot greater than 23 dB c (7% ) N ot onger than 10 sec at a 1 kH z average rate for m ost cases 5-42 M H z 0.5 dB /M H z 5-42 M H z 200 ns/M H z -10 dB c = 0.5 sec -20 dB c 1.0 sec N ot greater than 14 dB m i to m ax 上行數字調制載波的幅度 由于上行的數字調制信號是突發(fā)性的，測量其平均工作電平比較困難 采用“零跨”的方法是進行準確的幅度測量的方法 上行載波 /干擾比 幅度不平坦 群延遲 QPSK 通常要求最 低的 MER 為 1013 dB，取決 于