HFC及相关标准

HFC 和 DOCSIS HSD 和 VoIP 我们处于 IP技术爆炸式发展的时代 “处处有 IP”! IP 数据业务 , VoIP, IP video, etc IP 冲击着每一种传统通信方式 电话 电视 邮政 传媒 IP带来了新的交流方式 IM QQ MSN IP带来了新的生活方式 虚拟空间 有线电视（广电）行业的影响 发展的机遇 北美的 Cable行业已经抓住了这个很好的发展机遇 我国的广电行业面临着挑战 双向 HFC网络依然是我国广电发展的瓶颈 双向 HFC的建设的重视程度 “我的双向网已经建设好了” 经常回避问题 “不用改造的双向技术” “5类线入户” 单向网的 VOD技术 盲目乐观 “我已经开通了数据业务，所以 VoIP也应该没问题” “DOCSIS 2.0 或 SCDMA 可以使得双向变的容易” 关于 IPTV的担心 “IPTV 是 DTV的终结者” 在机遇中求发展 讨论关于在 IP洪流中的发展机遇是一个很大的题目 我们的观点 双向 HFC是我们赖以生存和发展的基础 北美的发展轨迹可以借鉴 HFC是广电的优势所在 以技术为本是我们发展的保证 掌握好双向技术可取得事半功倍的效果 科学的管理 以用户需要为原则是获得市场的唯一途径 已经有成功的例子 主要的对手是 xDSL 电信的优势是其管理水平 标准的形成 基础标准 FCC part 76 国内的一系列标准 在 HFC（或有线电视）网络上进行宽带业务的标准 DOCSIS 1.0, 1.1, 2.0 关于语音的标准 Packet Cable SIP 关于 DOCSIS MCNS：多媒体有线网络系统。其参与者有： Comcast, COX, TCI, Time Warner, MediaOne, Rogers Cablesystems and CableLabs MCNS的成员代表了 80%左右北美的有线用户 MCNS成立的目的 建立委员会以制定在双向 HFC网上进行数据通信的接口规范 DOCSIS 统一性和开放性： 其目的是使各经销商间产品的互操作性得以实现 标准的制定可以使 Cable Modem 在普通电器商店就可买到，从而 扩大市 场规模，同时也使网络运营商有更多的选择 关于 DOCSIS的版本 版本 1.0 版本 1.1 版本 2.0 关于版本 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 关键词 : CMTS - 电缆调制解 调器终端系统 Equipment CM - Cable Modem DOCSIS - 在 Cable上传输数据的接口协议 Cablelab- 代表 MCNS, 开发并管理 DOCSIS标准 MCNS - 多媒体 Cable 网络系统 , 主要包括北美有线电视运营商及一些设备供应商 Cable Data 数据传输业务接口规范 SP-CMCI 电缆调制解调器与用户装用设备间的接口规范 SP-CMTS-NSI 电缆调制解调器系统网络侧接口规范 SP-RFI 射频接口规范 SP-CMTRI 电缆调制解调器电话回传接口规范 SP-OSSI 操作支持系统接口规范 SP-BPI+ 基线保密增强型接口规范 DOCSIS 协议层 OSI DOCSIS Data Over Cable 高层 传输层 网络层 数据链路层 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) 物理层 5-42 MHz (QPSK or 16QAM) 6 MHz ITU-T J.83 Annex B HFC DOCSIS下行 /上行技术规范 下行 , ITU J.83 Annex-B 调制 : 64QAM或 256QAM, 最大的数据速率 :27Mbps或 38Mbps 带宽 :6MHz频道 频率范围 :88-860MHz 上行 调制 :16QAM或 QPSK,符号速率可变 数据速率 : 320Kbps-10Mbps 带宽 : 200kHz-3.2MHz 频率范围 : 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(现 Motorola CHS部门 )设计的部分 频率捷变 , 5-42MHz(以边带为准 ) 二种调制格式 , 16QAM/QPSK 五种不同的符号速率 ,160Ksps-2.56Msps Euro-DOCSIS和 tComLabs EuroDOCSIS 下行特性 带宽为 8MHz 频率范围是 108到 862MHz 网络阻抗是 75 Ohms 调制方式为 64QAM&256QAM 符号速率为 6.952MSym/Sec 最大数据速率为 41.71&55.61MBit/Sec CMTS输出功率电平为 50到 61dBmV EuroDOCSIS 上行特性 信道带宽为 .2, .4, .8, 1.6 & 3.2MHz 频率范围 5到 65MHz 传输模式为 burst carrier 载噪比为 25dB typical 调制方式为 QPSK&16QAM 符号速率为 .16, .32, .64, 1.28 & 2.56MSym/Sec 功率输出范围为 8到 58dBmV 符号长度为 2Bit(QPSK)&4Bit(16QAM) 最大数据速率为 5.12&10.24MBit/Sec 功率输入线性范围为 -16到 26dBmV EuroDOCSIS和 DOCSIS比较 下行 Euro Domestic 中心频率 (MHz) 符号速率 (Msym/sec) 64QAM 256QAM 带宽 (MHz) 频率范围 (MHz) FEC interleave Tap/Increment 112 858 6.952 6.952 8 上行 5 65 交织 12/17 91 857 5.056941 5.360537 6 5 42 8/16 16/8 32/4 64/2 128/1 DOCSIS 1.1 服务质量 分类： 算出哪些包获得更好的服务 策略制订： 避免包获得过多的服务 缓冲： 确保包可停留在某处 调度安排： 实际提供服务 DOSCIS 1.1 - Data Grant QoS 定义在 v1.1 MAC (media access control) protocol QoS 分类 : 传统的 best-effort 业务 实时轮讯业务 Real-time polling service MPEG video 非实时轮讯业务 No-real-time polling service 需要调度但是非实时 Scheduled but non-real-time such as FTP Unsolicited grant service (UGS) Voice 带有自动监测的 UGS with activity detection Voice w/ silence suppression DOSCIS 1.1 分片 Fragmentation 为什么需要“分片” ? G729 的语音需要每 10ms 10 byte的数据量 10ms 在 160 Kbit/s的速率 , 一个 1518 byte 的数据包传送需要 40 msec 40ms DOSCIS 1.1 分片 Fragmentation 如果在同一个上行频道传送两种数据包 10ms 40ms 这样会引起抖动和无法接受的延迟，从而影响话音的质量 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 载荷头部压缩 Payload header suppression (PHS) Used in UGS and UGS w/ activity detection 上行预均衡 Upstream pre-equalization 利用记录在 CMTS中的信道失真系数 发送到每个 modem 调整预均衡器来补偿信道失真 8 taps (DOCSIS 2.0: 24 taps) QPSK 16QAM 串联聚合 Concatenation 在单个上行的时间“槽”内，聚合若干个数据包 具有相同的 MAC header 注册和升级提供更高的安全性 并保护用户的通信 - BPI+ 支持 IGMP 以便于在 DOCSIS域中设定 IP multicast DOCSIS 1.0 SID 单向数据流 DOCSIS 1.0 每方向提供 1 个服务流，具有一定的服务质量 CMTS SFID 1 缆线 SID 1 调制解调器 DOCSIS 1.1 SID DOCSIS 1.1 引入了多 SID 的概念。基于流量分类，每个 SID 都具 有特定的、可定义的服务质量能力 CMTS SFID 1（ Web 浏览） SID 1（ Web 浏览） SID 2（视频） SFID 2（视频） 缆线 调制解调器 加权平均排队 当今大多数 CMTS 系统采用基于等级的排队 (WFQ) 与 RED 或 WRED 一起使用 通常将包分配给 8 个服务等级（典型 值）中的一个并放置在该等级的缓冲器中 在过载情况下，从服务等级缓冲器废弃这些包。当废弃包发生时， CMTS 不能区别对待 缓冲器中单独的包。 分层次的按流排队 为每一 DOCSIS 服务流分 配其自己的缓冲器，并且调度程序根据优先级决定哪些缓冲器将提供服务。最长 的队列推出与层次调度程序一起使用。在过载情况中，可以作出智能决策以决定废弃哪些包并对这些包按 优先级排序。 为什么在 HFC上开展数据会有这么多困难 ? 有线电视网络的形成 历史上有线电视网络的出现是仅用于广播 很少考虑冗余 网络建设和网络维护的规范不甚健全 电缆入户的工艺规范 系统中断的避免 在传统的有线电视网络上直接开展数据业务是有问题的 没有双向规范和经验 工艺质量问题 冗余和故障恢复 定量的分析有助于了解我们所面临的困难 规范中的技术指标 对数据业务 /语音业务的影响 关于 HFC的网络技术规范 毫无疑问，有线电视网络是可以很好承载数据的语音业务的 北美的率先发展 国内的方兴未艾 但前提是你的 HFC网络必须满足一些最低的技术指标要求 FCC Rules Part 76 的技术指标 /nara/cfr/waisidx_03/47cfr76_03.html DOCSIS 的射频接口规范中所假设的射频传输信道的技术指标 /specifications 保证 HFC网络的“不可用性”贡献不超过 0.01%，参见 “PacketCable 可用性参考架构” /specifications FCC Rules: Part 76 最低视频载波幅度要求 : 0 dBmV 在用户端口 +3 dBmV 在 30m的用户线的末端 最大视频载波幅度 : 不至于造成用户端接收设备或终端设备过载 音频载波幅度 : 10 dB 17 dB 低于视频载波 视频载波幅度变化 : 在 6个月的期间内，任何频道的电平变化不超过 8dB 在有线电视的整个带宽内，任何相邻的频道之间的电平差别不超过 3dB 在 300MHz带宽内，任意两个频道之间的电平差别不超过 10dB，带宽每 增加 100MHz，差别范围可增大 1dB FCC Rules: Part 76 音频载波频率 : 偏离正常频率（例如， NTSC频道的音频载波位于高于视频载波的 4.5MHz处）不超过 +/- 5 kHz 频道内频率响应 : NTSC制式从最低频带边界算起， 0.75MHz到 5.0MHz之间的频率响应小 于 +/- 2 dB 视频载波 /噪声比 : 43 dB （相对于 4MHz的 NTSC电视频道噪声带宽） 视频载波 /相干干扰比 (CTB, CSO, XMOD) 51 dB 对于 IRC 频道规划 ； 47 dB 对于 HRC 频道规划 终端隔离 : 至少 18 dB, 并且足以防止由于用户端设备开路 -短路所引起的反射影响 到其他用户终端设备的正常图像收看 FCC Rules: Part 76 低频干扰 （哼声） : 由低频干扰引起的视频信号电平变化的峰 -峰值，不超过视频信号的 3% 色亮延迟不均衡 : 170 ns 或更小 差分增益 : 最大 +/-20% 差分相位 : 最大 +/-10 度 信号泄漏（小于并包括 54MHz，并且大于 216MHz） : 不大于 15 V/m 的场强，使用半波阵子在距离 30 米处测量 信号泄漏（大于 54 MHz 小于并包括 216 MHz） : 不大于 20 V/m 的场强，使用半波阵子在距离 3 米处测量 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 传输时延 信号从前端到用户家传输所经过的时间，例如， 18 km 的光纤外加 1 km 的同轴 : 共产生大约 95 微秒的传输时延 DOCSIS的传输时延的规定： 0.800 ms （单方向） 0.800 毫秒相当于 100 英里的单模光纤，或者 130英里的同轴电缆 0.800 毫秒相当于 160 公里的单模光纤，或者 200公里的同轴电缆 95 sec 载波 /失真或载波 /干扰比 这个例子表示在某一频 道内的载波干扰比为 48.3 dB，在大约偏离中 心频率 0.5 MHz 的地方 幅度不平坦 幅度不平坦 /群延迟 /微反射 微反射 微反射，也称作反射或回声，是由于网络上的不匹配点所引起的 在一个理想的网络中，各处的阻抗最好都是正常的 但是，阻抗不匹配是处处存在的：接头、放大器的输入和输出端口、 无源器件的输入和输出端口、甚至电缆本身。 上行方向的电缆损耗要明显小于下行方向的电缆衰减，所以上向的微 反射影响更甚 在发生失配的地方，一部分入射波的能量被反射回来。反射回的波和 入射波相互叠加形成驻波，利用扫频设备可以显示出幅度的频率特性 出现起伏。 高阶的调制方式对微反射造成的影响更加敏感，例如， 256-QAM 比 64-QAM, 16-QAM 比 QPSK更容易受到微反射的影响 下行信号受到微反射和群延迟的影响，可以通过自适应均衡器补偿。 这种功能在所有符合 DOCSIS标准的 modem中都有 上行信号受到微反射和群延迟的影响，也可以通过自适应均衡器进行 补偿，但这种功能只在 1.1和 2.0的 modem中具备 上行信号的自适应均衡并不是所有的 1.0 modem都具备 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 右图表示阻抗的实部和虚部 与回波损耗之间的关系 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 图中的蓝色圆圈表示 6dB的回波损耗， 在圆圈上的任何实部与虚部的组合都可 以得到 6dB的回波。 因此， 25 Ohm 或 225 Ohm 的电阻得到 的也是 6dB回波损耗 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Real Impedance (Ohms) 微反射 原因 : 末端负载损坏或丢失 过流型防水分支分配器的未用端口的负载损坏或丢失 针形接头中心导体的螺钉未拧紧 未使用的用户分支分配端口未加负载 特别是那些低值的分支分配器 用户线的末端空载 电缆收过损伤，例如电缆扭结，损坏。（包括电缆的破裂，会引起反射 和侵入噪声 有源设备或无源设备损伤或损坏（如：进水，腐蚀，虚焊，电路板螺钉 松动，等） 很多电视机或录像机的匹配性能很差，直接连到系统上造成的不匹配。 一些为“加密”而使用的陷波器、滤波器，其匹配性能很差，特别是上行 ReturnLoss(dB) -20 -25 -30 -35 微反射影响回传的回波损耗 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 微反射影响正向的回波损耗 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) 关于微反射的一个试验 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 的隔离要比端口 1 到端口 4 之间的隔离要差 分支分配器端口匹配不好 理想的 DOCSIS 2.0 信号 (E-4438C VSG) - 16-QAM 5.12 Msym/s (BW = 6.4 MHz) Fc = 28.6 MHz 4 个分支口的配置 Port 1 75 Ohm 终端 Port 2 75 Ohm 终端 Port 3 50 英尺的用户电缆，连 接 DOCSIS 1.0 Cable Modem Port 4 E-4438C & 15 英尺的用 户电缆 SNR = 36.7dB 分支分配器端口匹配不好 理想的 DOCSIS 2.0 信号 (E-4438C VSG) - 16-QAM 5.12 Msym/s (BW = 6.4 MHz) Fc = 28.6 MHz 4 个分支口的配置 Port 1 75 Ohm 终端 Port 2 75 Ohm 终端 Port 3 6dB衰减器 + 50 英尺 的用户电缆，连接 DOCSIS 1.0 Cable Modem Port 4 E-4438C & 15 英尺的 用户电缆 SNR = 42.8 dB (+6.1 dB) 分支分配器端口匹配不好 理想的 DOCSIS 2.0 信号 (E-4438C VSG) - 16-QAM 5.12 Msym/s (BW = 6.4 MHz) Fc = 28.6 MHz 4 个分支口的配置 Port 1 75 Ohm 终端 Port 2 75 Ohm 终端 Port 3 12dB衰减器 + 50 英尺的 用户电缆，连接 DOCSIS 1.0 Cable Modem Port 4 E-4438C & 15 英尺的用 户电缆 SNR = 45.2 dB (+8.5 dB) 微反射的改善 插入损耗的方法是对付微反射的一种“选择” : 衰减器 通常 3到 6dB足够将微反射的影响降低到最小程度。采用这种方 法带来唯一问题是有线电视系统往往不允许衰减正向的信号 阶梯式衰减器 实际上是一种高 通滤波器，但其阻带的频率响应是平坦 的并且可控。采用这种阶梯式衰减器的优点是它可以改善回波损耗并降 低脉冲型干扰和侵入噪声。因此阶梯式衰减器要比单纯的衰减器具备双 重的优点 对付微反射的 DOCSIS 解决方案 : 发射端预均衡 设计发射端预均衡是用来有效对付微反射 /幅度和群延迟 。对于所有的 DOCSIS2.0和 DOCSIS1.1的 modem，这种方法有效。但 是 DOCSIS 1.0的 modem不支持 DOCSIS 1.1的 CMTS发送出来的预均衡 系数 后均衡 一种 ATDMA 技术， CMTS 可以基于每个数据突发 (per Burst) 进行均衡，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，因为此时微反射 /幅度和群延迟的影响可以有效地被 per BURST处理 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 上行数字调制载波的幅度 由于上行的数字调制信号是突发性的，测量其平均工作电平比较困难 采用“零跨”的方法是进行准确的幅度测量的方法 上行载波 /干扰比 幅度不平坦 群延迟 QPSK 通常要求最 低的 MER 为 1013 dB，取决 于