基于DOCSIS标准CMTS+CM系统的监测与维护

1、基于DOCSIS标准CMTS+CM系统的监测与维护一、什么是Cable Modem和DOCSIS标准?Cable Modem的通信和普通Modem一样,是数据信号在模拟信道上交互传输的过程,但也存在差异,普通Modem的传输介质在用户与访问服务器之间是独立的,即用户独享传输介质,而Cable Modem的传输介质是HFC网,将数据信号调制到某个传输带宽与有线电视信号共享介质;另外,Cable Modem的结构较普通Modem复杂,它由调制解调器、调谐器、加/解密模块、桥接器、网络接口卡、以太网集线器等组成,它无须拨号上网,不占用电话线,可提供随时在线连接的全天候服务。目前Cable Modem

2、产品有欧、美两大标准体系,DOCSIS是北美标准,DVB/DAVIC 是欧洲标准。欧、美两大标准体系的频道划分、频道带宽及信道参数等方面的规定,都存在较大差异,因而互不兼容。北美标准是基于IP的数据传输系统,侧重于对系统接口的规范,具有灵活的高速数据传输优势;欧洲标准是基于ATM的数据传输系统,侧重于DVB交互信道的规范,具有实时视频传输优势。从目前情况看,兼容欧洲标准的Euro DOCSIS1.1标准前景看好,我国信息产业部CM技术要求类似于这一标准。二、Cable Modem的工作原理Cable Modem的技术实现一般是从87 MHZ860MHZ电视频道中分离出一条6MHZ 的信道用于下

3、行传送数据。通常下行数据采用64QAM(正交调幅调制方式或256QAM调制方式。上行数据一般通过5 MHZ65 MHZ之间的一段频谱进行传送,为了有效抑制上行噪音积累,一般选用QPSK调制(QPSK比64QAM更适合噪音环境,但速率较低。CMTS (Cable Modem的前端设备与CM(Cable Modem的通信过程为:CMTS从外界网络接收的数据帧封装在MPEGTS帧中,通过下行数据调制(频带调制后与有线电视模拟信号混合输出RF信号到HFC网络,CMTS同时接收上行接收机输出的信号,并将数据信号转换成以太网帧给数据转换模块。用户端的Cable Modem的基本功能就是将用户计算机输出的上

4、行数字信号调制成5 65 MHZ射频信号进入HFC网的上行通道,同时,CM还将下行的RF信号解调为数字信号送给用户计算机。Cable Modem的前端设备CMTS采用10BaseT,100BaseT等接口通过交换型HUB与外界设备相联,通过路由器与Internet连接,或者可以直接联到本地服务器,享受本地业务。CM(Cable Modem是用户端设备,放在用户的家中,通过10BaseT接口,与用户计算机相联。三、DOCSIS标准1995年11月,美国主要的有线电视经营商和研究机构CableLabs发起MCNS (Multimedia Cable Network System,多媒体电缆网络系统

5、合作组织,目的是建立一整套协议以在HFC网络上进行高速双向数据传输,为用户提供Internet等服务,同时使各个厂家的CM产品具有充分的兼容性。该组织于1997年3月颁布了应用于HFC网的有线传输数据业务接口规范(Data Over Cable Service Interface Specification,DOCSIS,定义如何通过电缆调制解调器提供双向数据业务。MCNS的DOCSIS1.0标准于1998年3月获得ITU通过,成为国际标准ITU-TJ.112B。为了能够进入欧洲市场,MCNS制订了适应欧洲情况的EuroDOCSIS。该标准的MAC层协议与DOCSIS1.0/1.1是一致的,只

6、是物理层采用了欧洲关于频带划分等方面的规定。DOCSIS1.0和Euro_DOCSIS1.0的后续版本分别是DOCSIS1.1和Euro_DOCSIS1.1,是为IP电话和其他对时间要求苛刻的业务提供标准,并对1.0版本中的QoS的功能进行了扩展,提供极强的误码前向纠错能力,并使Cable Modem系统具有更强的信道传输和抗HFC网络回传噪声的性能。2002年11月又推出了DOCSIS2.0版本,采用了ATDMA(高级时分复用技术,提高了上行数据速率,但下行速率不便。该标准主要由以下几部分组成:SP-CMCI:Cable Modem与CPE之间的接口协议,SP-CMTS-NSI:CMTS与数

7、据网之间的接口协议,SP-RFI:射频接口协议(CMTS和CM与有线电视网之间,SP-CMTRI:CM与电话回路的接口协议(基于单向传输的有线电视网使用,SP-OSSI:操作支持系统协议,SP-DBS:数据安全协议。DOCSIS标准主要支持在计算机网与有线电视网之间,以及有线电视前端(或HFC 的光节点与用户之间实现IP数据包的传输。其中,CMTS(Cable Modem Termination System属于头端(局端设备,可部署在有线电视网络的前端,也可以部署在双向HFC 网络中的光节点。它在数据网与HFC网之间起网关的作用;CM(Cable Modem是终端设备,介于HFC网与用户端设

8、备(CPE:Customer Premise Equipment之间;CPE包括PC机、IAD、工作站、网络计算机等。随着有线电视数据业务的发展,DOCSIS2.0标准在部署及运行中已经逐渐不能满足运营商业务发展的需要,DOCSIS3.0标准解决了这些问题。这一新标准能够在降低建设成本的前提下,提供更高的带宽、更优的质量和多业务提供能力,其主要特点在于去耦合设计、通道绑定和模块式构架等。四、如何对基于DOCSIS标准的CMTS+CM系统如何监测与维护4.1 CMTS+CM的信道损伤信号损伤的基本分类:一、由于信号衰减产生的信号能量损失,主要表现为电平(或平均功率不足,为克服能量损失,传输中使用

9、增益设备,带来过载和交互调失真;二、物理传输媒介自身产生的噪声和谐波、互调产物,主要有热噪声、本质噪声、结构噪声、反射、带外泄露,和公共路径失真;三、侵入干扰,由于传输网络的缺陷引起的外部信号侵入,如窄带连续波干扰、宽带脉冲干扰。Cable Modem的工作过程是:以DOCSIS标准为例,Cable Modem的技术实现一般是从87MHz860MHz电视频道中分离出一条6MHz的信道用于下行传送数据,上行数据一般通过5MHz65MHz之间的一段频谱进行传送。而5MHz65MHz上行信道有个最大的缺点就是噪声的突发性高,噪声种类杂。此外,下行信号是连续波,可方便得区分干扰和信号,而上行信号是脉冲

10、信号,容易和脉冲干扰混淆。所以在监测时,如何捕捉噪声,如何分析噪声的来源、种类,这就成为CMTS+CM监测的重点。4.2 如何对低频段噪声进行有效监测对噪声进行监测,最基本的监测手段即为频谱分析。传统的频谱分析仪能做到对有效载波信号和长时间的噪声进行分析,但对于5MHz65MHz低频段的突发性噪声,要求频谱分析功能的扫速更快、分辨率更高、测试仪器自身的底噪更低,最重要的是需求大容量的历史数据存储,能为长期噪声进行统计分析。因此传统频谱仪略显疲软,要确实可行地保证CMTS+CM宽带接入技术的展开,对回传信道进行系统级的监测显得由为重要。4.3 系统级监测的要求首先,扫速要求。由于回传信道的噪声突

11、发时间快,针对此特点要求监测系统扫描速度非常快,能保证最小瞬发信号的捕捉能力<1ms,并且精度必须在±1dB内。在保证了扫描速度后,再利用监测系统中最大值保持曲线功能,一旦有突发噪声,那么就能通过最大值保持的变化观察到。再者,动态范围要求。监测时必须做到既能监测大幅度噪声,也能监测小值噪声,那么就要求监测系统的动态范围大,能保证在18dBV110 dBV范围内的监测。其次,报警功能要求。由于监测的长期性、连续性,进而要求监测系统必要的报警功能,在机房管理人员的操作下,设置一级、二级、三级的合格线,一旦出现异常情况,能通过报警系统提醒机房管理人员立刻排查侵入的噪声。最后,历史数据

12、查询要求。噪声监测有不可预见性,于是要求系统连续不断监测,这会导致大量数据的记录,于此,要求监测系统拥有庞大的数据存储容量,并且能做历史分析,从而更进一步地分析侵入信号的干扰。4.4 CMTS+CM系统的维护首先,让我们来了解一下CMTS系统中CM注册的特点。相对于一般的DHCP服务器, CMTS系统中的DHCP服务器需要配置的地方要多一些,配置的内容包括创建两个作用域以便分别为CM和CPE分配IP地址、子网掩码、网关、DNS。而服务器给CM分配的IP 地址、子网掩码、网关、DNS等,在做维护时都必须查看。其次,在CM连接到网络后,对于网络中带宽的检查也是必须,查看上传下载的带宽速率是多少,是

13、否网络中存在影响网速的因素,这是用户在使用Cable Modem宽带接入技术时最关心的问题之一。在有些情况下某些用户是通过CM下面接交换机接入,当这些用户反映上不去网时,我们可以通过PING CM的地址的方式来判断是一个用户家的网络出现了问题还是这个CM 出现了问题。在维护时,还可以通过从用户终端发送回传信号源,再从前端机房接收并做对比分析,来查看网络中存在的影响因素。五、具体监测维护方案当前我国数字电视增值业务正处于发展的转折期,当运营商完成整体平移之后,下一步获得盈利的支撑点,要靠增值业务,这一点在业内已形成共识。尤其是进入2008年之后,增值业务的开拓势在必行,变得比以往更为明确。对于大

14、多数的数字电视用户而言,增值业务只是一个概念。但是,增值服务是大势所趋,它是数字电视发展的必须,也是必然。不发展增值业务,传统的数字电视会走进死胡同。这一切都需要更高的QoS,提早发现并清除网络隐患和故障,确保重要业务量不受延迟或丢失,同时保证网络的高效运行,做到先知先觉。监测系统:为满足上述监测要求,需采用系统级别的监测,DS1610“鹰视通”宽带网络监测系统采用的是集中分布式监测,可根据不同需求安插不同监测办卡,实现不同点的监测,包括了码域的监测,下行信号监测,回传通道监测,光链路指标监测,以及EPON+EOC 的监测。根据目前DOCSIS 3.0要求,我们需要对回传信道进行监测。 配用德

15、力“鹰视通”DS1610-1下行前端监测卡,由用户家里发送回传信号,经由分支器,双向放大器,光纤网络,及反向接收机,再将回传信号分为两路,一路到CMTS完成正常的反向业务,另一路接入DS1610-1,完成回传通道噪声与干扰的监测分析。DS1610每台主机可支持16个插槽,每个插槽可配接DS1610-1回传实时频谱卡,每块DS1610-1回传实时频谱卡支持8个端口,因此DS1610每台主机可最大支持128路回传信号监测。 HFC反向监控组网方案图六、方案应用实例示例1-泉州、深圳在泉州B前端安装后,用户接入的第一个信号是一路长期有问题又查不到故障的回路。这是一个典型的CM带内有持续侵扰的信号,如

16、果用普通仪器测量,由于扫描速度问题, CM宽带信号会掩盖带内干扰信号而无法准确分辨,DS1610-1小于1ms的扫描速度可以准确的利用CM信号的间隙把隐藏在带内的窄带干扰信号分辨出来。 泉州广电的实际信号截图同样的,在深圳天威我们捕捉了类似的干扰现象。 这类干扰造成用户的困扰是CM可以PING通,但网速下降,经常断线。如果检查CMTS会发现丢包率很高示例2-泉州这是泉州的一路通道长期观察的记录,通过观察发现,在该支路每天下午6:00至10:00左右,在公共无线电波段范围内有一很强的侵入信号群,在其它时段很少发现。 下午6:00-10:00时段的记录截图上午9:00-10:00时段的记录截图从对

17、比记录看,在28M附近有一明显侵扰点,在晚间时段,外部强空间信号出现时,可以清楚看见侵扰信号的频谱,在白天时段,外部强空间信号源休闲,该波段有噪底的隆起。这路业务波段信噪比良好,业务正常,用户往往会忽略线路潜在的隐患。通过DS1610的实时记录和比较功能才发现这个问题。这类问题表明该支路没有端接匹配的接头或某段屏蔽变差,造成外部侵扰,如果隐患扩大,也会波及业务波段。因此DS1610不仅对用户系统的现有故障排查有意义,更重要的是提前预警,防患于未然。示例3-深圳 深圳天威的噪声漏斗与滤波器效果这是深圳天威某回路的记录,红色轨迹为监测窗口的最大值保持,橙色轨迹为平均值,绿色轨迹为实时值,白色轨迹为

18、最小值保持。从记录上看,最大值与平均值、实时值偏离严重,说明构成该回路的某一分片支路噪声干扰严重,其它分片支路基本良好。这是HFC回传噪声漏斗效应的典型表现。解决的办法是逐一分片排查,将噪声严重的一路拆分或找到该支路噪声源排除。由于天威在低端使用滤波器,可以看到低端噪底明显优于中高端。该记录也同时反应德力DS1610-1在实际使用中有超过60dB的检测动态,这项指标高出国外产品20dB。七、监测系统详细介绍7.1 实时监控(突发通讯信号的捕获DS1610系统最大的优势在于其超快的扫描速度完全可以捕捉突发的CABLE MODEM 通讯信号,这是一般的同类产品无法做到的。目前市场上绝大部分接收机采

19、用超外差接收机方式。基本思想是将某个范围内的一个频率通过多次变频,滤波,变为一个固定的中频信号。然后只要检测中频信号就可以。如果要分析另外一个频率,需要调整变频装置的本振频率,只要保证中频频率不变就行了。这样做的好处是后端中频处理相对简单,软件算法简单。缺点是处理时间较长,要求信号是平稳时不变信号,也就是被测信号不能不停的变化。如果变化很快就会丢点。 某同类产品的截图,对于宽带CM信号,只能捕捉有限的几点而DS1610利用高速数字信号处理技术,使用复杂的软件算法完成对信号的频谱分析。其特点是速度比较快,有较高的采样速率,较高的分辨率。即使是两个信号间隔非常近,用傅立叶变换也可将它们分辨出来。对

20、于HFC反向回传通道,这种方式具有很好的优势。第一,对于5-65MHz的信号,其带宽有限,该方案可以满足。第二,Cable Modem信号是burst 方式的瞬发信号,数字处理可以保证信号的完整性。 DS1610截图,突发的宽带CM信号是连续完整的DS1610提供给用户丰富的实时测量功能。网络管理人员可以直接察看每一路监控的实时状况,为网络调试工作提供了方便。另外DS1610系统还可以针对每一路的实时监控作不同的监控设置,如:频率范围、RBW、VBW、衰减器等。 上图显示的是1610-1卡对网络中突发信号的捕获。红线表示的是当前频点从开始到现在为止出现的幅度最大值,绿色的线表示的是实时的值,棕

21、色表示的是到目前为止出现的平均值,灰色的为最小值。所以波形可以用户定义是否显示。7.2 多路实时波形同时监控DS1610通过高速总线与上位管理系统进行通讯,保证数据传输带宽与效率,用户可以同时任意打开多个通道实时查看通道的频谱情况。在局域网情况下,同时打开16个频谱画面,也可以保证每个通道至少10次每秒的刷新速度。 7.3 多种事件的报警DS1610系统会实时监测整个网络的运行状况,如果任何设备或线路出现了故障都会发出警报,提示管理者尽快去修复。所以,网络出现故障之后,网络管理人员会通过本系统立即确定故障所在的位置。DS1610并可在最短的时间内自动通知到故障点的负责人,在最短的时间内恢复故障

22、。 对于发生的事件,DS1610将其存入数据库。为方便用户查询,DS1610支持按事件类型,发生事件,发生通道的单项查找以及组合查找。 7.4 门限设置DS1610还为网络管理人员提供了门限设置和门限察看的功能,使用者可以直接察看每一路得门限设置情况,并且根据实际的网络状况自行修改门限的设置。为报警工作提供一定的依据。 7.5 实时频谱仪实时频谱仪功能:上述实时监控功能的相关参数在系统运行时是已经设置好了的,通常情况下是不允许随便被改变的。而此时网络管理人员想要对某一个测试点的信号做一些细节的分析,DS1610为这种情况提供了实时频谱仪的功能。使用者可以通过实时频谱仪程序任意修改其中的各项参数

23、,而不会影响到整个监控系统的运行。这样就解决了使用者想要分析信号具体细节的需要。 7.6 多通道实时监控与分析网络管理者需要经常分析各个设备的负载情况,并且加以对比,并以此为依据来调整网络的负载均衡。DS1610针对此项需求提供了多通道实时采样数据监控程序。使用者可以自己选择若干个节点,将这若干个节点的实时采样数据放在一个3D场景里面加以对比分析。并根据对比的数据做相应的调整。 上图显示的是多通道实时3D测量的界面,右边的port表示的是各个端口,左边MHz 表示的是频率,上面的dBuv表示的是信号的幅度。先从右边看起表示的是某个端口频率从5MHz到65MHz变化时的幅度变化情况。通过此图可以

24、直观比较各个端口在相应的频率下的幅度对比情况7.7 历史记录历史记录功能用户保存大量的采样历史数据,并提供了查询和分析的功能。网络管理人员可以通过查询历史记录来分析网络和设备在以往一段时间内的运行状况。其主要目的是分析线路和设备的老化状况,在其出现故障之前就提前预诊出某些设备出现的故障的时间段。这样网络维护人员就可以在某些设备出现故障之间就可以对此设备进行维修、维护或更新,避免了网络出现故障之后才去维修的亡羊补牢行为。同时也给网络的使用用户提供了一个稳定可靠的网络环境,提高了用户对网络运行上的信任和满意度。历史记录的查询与分析分为:平均值查询、最大值查询、最小值查询、平均值统计、最大值统计、最

25、小值统计几部分功能,另外还有针对超过不同5级门限的溢出百分比查询,分别是:上溢百分比平均、下溢百分比平均、单频点上溢百分比统计、单频点下溢百分比统计。注:溢出百分比分为不同门限的共5组数据。此外,DS1610还提供了一个历史数据详细查询,使用3D显示查询的全部数据。7.7.1 全频带历史记录采样值查询查询全频带历史记录的主要意义是查看单位时间内的信号分布状况。包括最大值,最小值和平均值三部分。平均值查询主要意义在于分析信号在全频带的分布状况,包括容易有干扰信号侵入的频段和平均的噪声。最大值查询的主要意义在于分析容易产生侵入信号的频率,正常信号的频率和噪声最高值。最小值查询的主要意义在于查询全频

26、带最小噪声值。 7.7.2 单频点历史记录统计查询查询单频点历史记录统计的主要意义在于特定频点在特定时间段内的信号幅度,根据信号幅度随时间的变化分布可以分析出线路或设备的老化状况,从而可以推断出线路的寿命。这样网络维护人员就可以在某些设备出现故障之间就可以对此设备进行维修、维护或更新,避免了网络出现故障之后才去维修的亡羊补牢行为。单频点历史记录统计查询分为最大值、平均值、最小值共三个功能。最大值统计用于统计特定频点的外界信号侵入统计。平均值统计用户统计特定频点的信号平均分布,用户分析线路或设备的老化状况,从而分析出其最终寿命的时间段。最小值用于分析信号带内的噪声以及非法信号侵入的状况统计,以便排查带内信号侵入故障。 7.7.3 全频带溢出百分比查询溢出百分比查询具体功能是查询全频带的溢