CÔNG NGHỆ MẠNG HFC
Tổng quang mạng HFC
HFC (Hybrid Fiber coaxial) là một mạng kết hợp giữa cáp quang và cáp đồng trục để tạo ra một mạng băng rộng Trong mạng HFC, việc truyền tín hiệu từ trung tâm đến các node quang là cáp quang, còn từ các node quang đến thuê bao là cáp đồng trục HFC đã được sử dụng phổ biến trên toàn cầu bởi các nhà khai thác truyền hình cáp từ đầu những năm 1990.
1.2 Nguyên nhân ra đời mạng HFC
- Là do mạng cable TV truyền thống trước đây chỉ dùng thiết bị điện và cáp đồng trục cũng như các bộ khuếch đại Chính vì vậy mà chất lượng tín hiệu cũng như bán kính phục vụ là thấp, không đáp ứng được nhu cầu người xem cả về chất lượng hình ảnh cùng các dịch vụ.
- Mạng HFC khắc phục nhược điểm trên bằng cách nối cáp quang từ trung tâm đến một loạt điểm phân phối quang Tại các điểm phân phối này, tín hiệu quang sẽ được chuyển thành tín hiệu điện và cáp đồng trục sẽ được sử dụng để kết nối đến các thuê bao khác, các ưu điểm của HFC là:
+ Dải thông cực lớn, suy hao tín hiệu rất thấp, ít bị nhiễu điện từ, chống lão hóa và ăn mòn hóa học tốt.
+ Cho phép truyền tín hiệu có tần số hàng trăm THz.
+ Độ ổn định và chất lượng dịch vụ của mạng được nâng cao (VOD, VoIP và Internet)
Cấu trúc mạng HFC
2.1 Các đặc điểm cơ bản mạng HFC
* Mạng HFC gồm 3 thành phần chính - Hệ thống thiết bị tại trung tâm
- Hệ thống phân phối mạng tín hiệu - Thiết bị thuê bao tại nhà.
1 Hệ thống thiết bị tại trung tâm: Cung cấp quản lý chương trình hệ thống mạng truyền hình cáp gồm các headend chủ và các headend vùng.
2 Hệ thống phân phối mạng tín hiệu : Là môi trường truyền dẫn tín hiệu từ trung tâm đến các mạng thuê bao gồm các nút chuyển đổi quang điện (fiber optic node).
3 Thiết bị thuê bao tại nhà : Là một máy thu hình để thu tín hiệu từ mạng phân phối tín hiệu.
Mạng HFC được chia ra thành 3 mạng con gồm:
Mạng truyền dẫn bao gồm hệ thống cáp quang và các Hub sơ cấp, nhiệm vụ của nó là truyền dẫn tín hiệu từ headend đến các khu vực xa Các Hub sơ cấp có chức năng thu/ phát quang từ/đến các node quang và chuyển tiếp tín hiệu quang tới các Hub khác. Mạng phân phối tín hiệu bao gồm hệ thống cáp quang, các Hub thứ cấp và các node quang Tín hiệu quang từ các Hub sẽ được chuyển thành tín hiệu điện tại các node
2 quang để truyền tín hiệu đến thuê bao Ngược lại trong trường hợp mạng 2 chiều, tín hiệu từ mạng truy nhập sẽ được thu tại node quang và chuyển thành tín hiệu quang để truyền đến Hub về Headend.
Mạng truy nhập bao gồm hệ thống cáp đồng trục, các thiết bị thu phát cao tần có nhiệm vụ truyền tải các tín hiệu cao tần RF giữa node quang và các thiết bị thuê bao. Thông thường bán kính phục vụ của mạng con truy nhập tối đa khoảng 300m.
2.2 Ưu và nhược điểm của mạng HFC:
- Sử dụng cáp quang để truyền tín hiệu, mạng HFC sẽ có các ưu điểm vượt trội của cáp quang so với các phương tiện truyền dẫn khác: Dải thông cực lớn, suy hao tín hiệu rất thấp, ít bị nhiễu điện từ, chống lão hóa và ăn mòn hóa học tốt Với các sợi quang được sản xuất với công nghệ hiện đại ngày nay, các sợi quang cho phép truyền các tín hiệu có tần số lên tới hàng trăm THz Đây là dải thông tín hiệu vô cùng lớn, có thể đáp ứng mọi yêu cầu dải thông đường truyền mà không một phương tiện truyền dẫn nào khác có thể có được.
- Tín hiệu quang truyền trên sợi quang hiện nay chủ yếu nằm trong 2 cửa sổ bước sóng quang là 1310 nm và 1550 nm Đây là 2 cửa sổ có suy hao tín hiệu rất nhỏ: 0,3 dB/km với bước sóng 1310 nm và 0,2 nm với bước sóng 1550 nm Trong khi đó với một sợi cáp đồng trục loại suy hao thấp nhất cũng phải mất 43 dB/km tại tần số 1 GHz.
- Tín hiệu truyền trên sợi cáp là tín hiệu quang, vì vậy không bị ảnh hưởng bởi các nhiễu điện từ từ môi trường dẫn đến đảm bảo được chất lượng tín hiệu trên đường truyền Các sợi quang là các vật liệu không bị ăn mòn hóa học dẫn đến tuổi thọ của sợi cao.
- Có khả năng dự phòng trong trường hợp sợi quang bị đứt Trước đây các mạng con truy nhập thường sử dụng các thiết bị tích cực là các bộ khuếch đại tín hiệu nhằm bù suy hao cáp để truyền tín hiệu đi xa Với các mạng truy nhập đồng trục, khi cung cấp dịch vụ 2 chiều, các bộ khuếch đại cần tích hợp phần tử khuếch đại tín hiệu cho các tín hiệu ngược dòng dẫn đến độ ổn định của mạng giảm Một mạng HFC chỉ sử dụng các thiết bị cao tần thụ động được gọi là mạng HFC thụ động HFPC (Hybrid Fiber/Passive Coaxial) Sử dụng mạng truy nhập thụ động hoàn toàn sẽ tạo ra các ưu điểm sau:
- Chất lượng tín hiệu được nâng cao do không sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu mà hoàn toàn chỉ dùng các thiết bị thụ động nên tín hiệu tới thuê bao sẽ không bị ảnh hưởng của nhiễu tích tụ do các bộ khuếch đại.
- Sự cố của mạng sẽ giảm rất nhiều dẫn đến tăng độ ổn định và chất lượng phục vụ mạng vì trục trặc của mạng truyền hình cáp phần lớn xảy ra do các bộ khuếch đại và thiết bị ghép nguồn cho chúng.
- Các thiết bị thụ động đều có khả năng truyền tín hiệu theo 2 chiều vì thế độ ổn định của mạng vẫn cao khi cung cấp dịch vụ 2 chiều.
- Sử dụng hoàn toàn các thiết bị thụ động sẽ giảm chi phí rất lớn cho việc cấp nguồn bảo dưỡng, thay thế và sửa chữa các thiết bị tích cực dẫn đến giảm chi phí điều hành mạng.
- Nếu sử dụng mạng đồng trục thụ động, số lượng thuê bao tại một node quang sẽ giảm đi, dẫn đến dung lượng đường truyền cho tín hiệu hướng lên sẽ tăng lên, tạo ra khả năng cung cấp tốt các dịch vụ 2 chiều tốc độ cao cho thuê bao Tuy nhiên, mạng truy nhập cáp đồng trục thụ động HFPC cũng có một số nhược điểm sau:
Do không sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu cao tần, tín hiệu suy hao trên cáp sẽ không được bù dẫn đến hạn chế lớn bán kính phục vụ của mạng.
Do không kéo cáp đồng trục đi xa, số lượng thuê bao có thể phục vụ bởi một node quang có thể giảm đi Để có thể phục vụ số lượng thuê bao lớn như khi sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu, cần kéo cáp quang đến gần thuê bao hơn và tăng số node quang dẫn đến tăng chi phí rất lớn cho mạng.
Các công nghệ truyền dẫn trong mạng HFC
3.1 Công nghệ truyền dẫn quang trong mạng HFC:
Hình 1.2 Cấu trúc mạng truyền dẫn tín hiệu quang đơn giản
3.1.1 Nguyên lý hoạt động của Headend a) Sơ đồ khối cơ bản của headend
Hình 1.3 Trung tâm Headend Cấu tạo của trung tâm Headend gồm:
1 Khối thu tín hiệu vệ tinh
6 Khuếch đại RF b) Nguyên lý hoạt động của Headend
Các chương trình quảng bá mặt đất (VTV1, VTV2, VTV3, ) được thu qua các anten VHF (very hight frequency), mỗi một kênh truyền hình được thu qua một anten riêng, các kênh truyền hình thu được sau đó đưa vào khối chuyển đổi từ tín hiệu cao tần RF thành tín hiệu trung tần IF (upconverter) Lúc này tín hiệu thu được từ mỗi anten là một dải tần bao gồm kênh tín hiệu cần thu và các kênh tín hiệu khác lọt vào (ví dụ: anten VHF cần thu kênh VTV3 nhưng trong tín hiệu thu được có cả các kênh khác như HTV, VTV2) Tín hiệu trung tần chung này được đưa qua bộ lọc trung tần để lọc lấy kênh tín hiệu cần thu (VTV3) Mỗi bộ lọc trung tần được điều chỉnh để chỉ thu một kênh tín hiệu Tín hiệu trung tần ra khỏi bộ lọc chỉ có một kênh duy nhất Các kênh tín hiệu này sẽ được đổi lên tần số RF qua bộ chuyển đổi IF/RF để được tín hiệu
RF nằm trong dải tần đường xuống của mạng CATV Sau đó tín hiệu RF này được đưa vào bộ kết hợp (combiner 16:1) để ghép kênh với các kênh tín hiệu khác theo phương thức ghép kênh theo tần số (FDM: Friquency Division Multiplexing).
Các tín hiệu vệ tinh được thu qua anten parabol là các tín hiệu truyền hình bao gồm nhiều kênh ghép lại với nhau, để tách các kênh này ra thành các kênh độc lập thì chúng được chia thành nhiều đường bằng các bộ chia vệ tinh Sau đó mỗi đường sẽ được đưa vào bộ thu vệ tinh (downconverter) để chuyến từ tần số cao thành tần số thấp, tín hiệu ra khỏi bộ thu là tín hiệu A/V Đây chưa phải là tín hiệu mà CATV cần nên sau đó chúng được đưa vào bộ chuyển đổi A/V thành IF Tín hiệu ra là tín hiệu IF trộn cả Audeo và Video Tín hiệu trung tần này vẫn là sự kết hợp của nhiều kênh tín hiệu, để lấy ra một kênh theo yêu cầu thì chúng được đưa qua bộ lọc trung tần giống như khi thu các chương trình truyền hình quảng bá và tín hiệu ra là kênh tín hiệu cần thu Các kênh này tiếp tục được đưa vào bộ chuyển đổi IF/RF để được tín hiệu RF nằm trong dải tần CATV Sau đó được đưa vào combiner 16:1 để ghép kênh với các kênh truyền hình khác thu từ vệ tinh và các kênh truyền hình quảng bá trong dải tần đường xuống (70MHz ~ 862MHz) Tín hiệu ra là tín hiệu RF đã ghép kênh bao gồm nhiều kênh được ghép lại với nhau Tín hiệu này đã có thể đưa vào máy thu hình của thuê bao giải mã và xem được, nhưng để truyền đi xa và theo nhiều hướng khác nhau
6 thì nó được đưa vào bộ khuếch đại để khuếch đại lên sau đó chia ra bằng bộ chia tín hiệu cao tần (bộ chia ký hiệu ISV hoặc IS) Tín hiệu sau bộ chia mỗi đường được đưa vào một máy phát quang, tại đây tín hiệu RF được chuyển thành tín hiệu quang và ghép vào sợi quang để truyền đến thuê bao qua mạng HFC.
3.1.2 Cấu tạo và hoạt động node quang a) Sơ đồ khối của node quang 4 cổng ra
Hình 1.4: Sơ đồ node quang 4 cổng ra
Cấu tạo node quang bao gồm:
(2) Khối khôi phục tín hiệu.
(3) Khối khuếch đại công suất trước khi đưa ra đầu ra.
(5) Các bộ rẽ tín hiệu (trích tín hiệu ra) để kiểm tra.
(6) Khối kết hợp (Combiner) tín hiệu từ hai cổng theo hướng lên (Hướng trở về trung tâm).
TP (Test Point): là đầu kiểm tra. b) Nguyên lí hoạt động của node quang
Tín hiệu quang tại đầu vào được chuyển thành tín hiệu cao tần (RF) qua đi ốt quang điện vào bộ khuếch đại, tín hiệu cao tần (RF) được chia đều thành hai hướng vào hai khối tương tự nhau Tại đây tín hiệu được khôi phục lại nhờ bộ cân chỉnh và khuếch đại lên đưa vào bộ chia, tín hiệu lại tiếp tục được chia thành hai hướng vào bộ khuếch đại công suất trước khi đưa ra cổng Tín hiệu hướng xuống đi qua khối Diplexer sẽ đi qua cổng H ra cổng ra Còn tín hiệu cao tần hướng lên (đi từ phía thuê bao) sẽ đi qua cổng L vào khối Combiner và được kết hợp với tín hiệu đến từ các cổng khác qua bộ lọc, bộ lọc sẽ lọc lấy khoảng tín hiệu trong băng tần hướng lên (5 MHz÷65MHz) sau đó được khuếch đại và được đưa vào khối phát quang Tại đây tín hiệu cao tấn (RF) sẽ được chuyển thành tín hiệu quang qua điôt điện quang để truyền về trung tâm trên các sợi cáp hướng lên. c) Chức năng node quang
Chức năng chính của node quang là chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu cao tần (RF) và ngược lại Đồng thời nó cũng khuếch đại tín hiệu và căn chỉnh lại tín hiệu tương tự như tín hiệu tại máy phát Vì tín hiệu khi truyền trên sợi quang bị suy hao và các xung bị giãn ra do hiện tượng tán sắc của sợi quang mà đặc biệt là truyền trên sợi đơn mode nên sự ảnh hưởng này lại càng lớn Chúng làm suy giảm chất lượng tín hiệu vì vậy cần cân chỉnh và khuếch đại Tín hiệu vào của node quang nằm trong khoảng - 2.5dBm ÷ +2dBm và tín hiệu ra thông thường của một node quang trong khoảng 108dB•V Khoảng bước sóng hoạt động là từ 1270÷l550nm, trong truyền hình cáp dùng cửa sổ quang 1310nm để có suy hao trên sợi quang thấp.
3.2 Công nghệ truyền dẫn đồng trục trong mạng HFC:
Cáp đồng trục được sử dụng rộng rãi cho việc phân phối tín hiệu các chương trình truyền hình Hình 2.11 vẽ sơ đồ cấu trúc cáp đồng trục sử dụng trong CATV
Hình 1.5: Cấu tạo cáp đồng trục
Có ba loại cáp đồng trục khác nhau được sử dụng trong mạng cáp phân phối:
Hình 1.6: Các loại cáp đồng trục
3.2.2 Thành phần cáp đồng trục trong mạng HFC: Đặc điểm các bộ khuếch đại:
Các bộ khuếch đại đường truyền bù lại suy giảm tín hiệu, chúng đóng vai trò quan trọng khi thiết kế hệ thống Mỗi bộ khuếch đại có chứa một bộ ổn định để bù lại suy giảm ở các tần số khác nhau Có ba loại bộ khuếch đại được sử dụng trong mạng CATV HFC tuỳ thuộc vào vị trí của chúng trong mạng đồng trục. a) Bộ khuếch đại trung kế: Được đặt tại điểm suy hao lên tới 20 ÷ 22dB tính từ bộ khuếch đại trước đó,mức đầu ra thường khoảng 30 ÷ 36dBmV.
Hình 1.7: Sơ đồ khối đơn giản của bộ khuếch đại trung kế b) Bộ khuếch đại fiđơ
- Được sử dụng không chỉ để phát xuống những kênh tín hiệu Video tới các bộ khuếch đại trung kế mà còn chia tín hiệu tới các fidơ cáp khác nhau (thường là 4 cáp fidơ) Mức tín hiệu ra thường khoảng 40 ÷ 50 dBmV (cao hơn 12dB so với bộ khuếch đại trung kế).
- Giải tần làm việc: 5/65MHz
- Mức tín hiệu ra: 46dBmV
Hình 1.8: Bộ khuếch đại phi đơ c) Bộ khuếch đại đường dây
Khoảng cách giữa các bộ khuếch đại này khoảng 120m ÷ 130m, đặt ở phía gần thuê bao Để giảm hiệu ứng méo phi tuyến ở tín hiệu Video phát đi cũng như duy trì sự đồng đều trong toàn dải tần tín hiệu, tối đa chỉ sử dụng 2÷4 bộ khuếch đại đường dây, tuỳ thuộc vào số lượng Tap (bộ trích tín hiệu) giữa các bộ khuếch đại đường dây dải rộng. d) Bộ chia và rẽ tín hiệu (Splitter, DC & Tap)
Là thiết bị sử dụng trên mạng cáp đồng trục của hệ thống Chia tín hiệu ra 2 hoặc
3 cổng, cân bằng hoặc không cân bằng.
Bộ chia định hướng - Directioner Coupler(DC)
Là thiết bị sử dụng trên mạng cáp đồng trục của hệ thống chia tín hiệu đi theo 1 chiều, theo các thông số các cổng ra được quy định theo tiêu chuẩn CATV Gồm có: DC-8, DC-12 và DC-16.
Bộ chia tín hiệu nhiều đường ra – Multi Taps
Là thiết bị sử dụng để chia tín hiệu từ mạng cáp tới các thuê bao với các thông số được quy đinh bởi chuẩn CATV Một Tap điển hình bao gồm một khối ghép định hướng RF và các khối chia công suất.
Hình 1.10: Sơ đồ khối đơn giản của Tap 4 đường suy hao 20 dB Đầu nối cáp – Connectors
Là thiết bị sử dụng trên mạng cáp đồng trục của hệ thống kết nối các loại cáp đồng trục vào các thiết bị như khuyêch đại, Spilitler, Dc, Multi Taps … Bao gồm nhiều chủng loại tương thích với các loại cáp khác nhau.
Hình 1.11: Các lại đầu nối cáp
- Pin type connectors: Dùng cho cáp QR 540 và RG 11 đấu nối với thiết bị
- Feed through connectors: Dùng cho cáp RG11 kết nối thiết bị.
- Housing to housing adaptors: dùng kết nối các thiết bị với nhau.
- Splice connectors: dùng kết nối cáp QR 540 với nhau.
- F5 connector: Dùng cho cáp RG 6 và các thiết bị trung tâm.
Đặc điểm tiêu chuẩn kỹ thuật trong mạng truyền hình cáp HFC
Phương pháp nguyên thủy để truyền video trên mạng HFC mà cho đến bây giờ vẫn sử dụng rộng rãi là điều chế các kênh TV tương tự tiêu chuẩn, cũng giống như phương pháp sử dụng để truyền dẫn các kênh truyền hình quảng bá trong không gian Tiêu chuẩn IEEE 802.14 được hình thành vào tháng 11 năm 1994 để chuẩn hóa lớp vật lý (PHY layer) và lớp điều khiển truy nhập đa phương tiện (MAC layer) cho các hệ thống HFC.
4.2 Lớp vật lý trong mạng HFC
4.2.1 Tiêu chuẩn cho lớp vật lí:
- 500 thuê bao tại điềm thiết kế tham chiếu.
- Hỗ trợ sub-split (5 MHz÷40 MHz upstream), mid-split (5MHz÷120 MHz upstream), và high-split (800 MHz÷1000 MHz upstream).
- Sử dụng lại tần số chiều lên.
- Lựa chọn điều chế QAM 64 cho chiều xuống.
- QAM-64 với 6 bit/Hz tạo ra 30 Mbps trong 6 MHz.
- Điều chế QPSK được chọn cho chiều lên để chịu đựng nhiễu lớn.
- Có một vài kênh chiều lên trên một kênh chiều xuống.
Có bốn kỹ thuật điều chế sử dụng 5,12 Msymbols/second cho chiều xuống và một kỹ thuật điều chế sử dụng 1,28 Msymbols/second cho chiều lên Tốc độ bit của năm kỹ thuật điều chế này là:
- QPSK: 2 bits/symbol X 5,12 Msymbols/second = 10,24 Mbps.
- 16 QAM: 4 bits/symbol X 5,12 Msymbols/second = 20,48 Mbps.
- 64 QAM: 6 bits/symbol X 5,12 Msymbols/second = 30,72 Mbps.
- 256 QAM: 8 bits/symbol X 5,12 Msymbols/second = 40,96 Mbps.
- QPSK: 2 bits/symbol X 1,28 Msymbols/second = 2,56 Mbps.
- Phổ kênh chiều xuống 550MHz – 750 MHz.
- Phổ kênh chiều lên 5 MHz – 42MHz.
- Phổ 5 MHz-42 MHz cho kênh 1,8MHz.
- QPSK: 33 kênh FDM x10,24 Mbps/kênh 37Mbps.
- 16 QAM: 33 kênh FDM x 20,48 Mbps/ kênh 31Mbps.
- 64 QAM: 33 kênh FDM x 40,96 Mbps/kênh 51 Mbps.
- QPSK: 20 kênh FDM x 2,56 Mbps/kênh Q Mbps.
Hình 1.12: Phổ sử dụng của cáp đồng trục trong mạng HF
Giao thức DOCSIS
Các phần tử mạng DOCSIS
Các phần tử mạng DOCSIC được cho thấy trong hình 2.1 CMTS là hệ thống mãy chủ của giao thức DOCSIS và modem cáp là thiết bị đầu cuối khách hàng kết nối thiết bị thuê bao với mạng docsis CMTS và CM được kết nối với nhau qua mạng HFC Hai phần tử khác trong HFC là nút sợi quang (FN) và bộ kết hợp RF.
Hình 2.1: Cấu trúc mạng DOCSIC
1.1 CMTS (Cable Modem Termination System)
CMTS là hệ thống chủ DOCSIS sinh ra giao thức DOCSIS luồng xuống cho các
CM và kết cuối các tín hiệu DOCSIS luồng lên từ các CM CMTS bao gồm giao diện với mạng dữ liệu MSO , các card đường truyền để cung cấp giao tiếp DOCSIS với HFC, một chuyển mạch gói, và các giao diện các hệ thống quản lý và vận hành khác nhau Mạng dữ liệu MSO là một mạng sử dụng Etherner cho cáp phân lớp thấp hơn Các giao tiếp mạng điển hình ngày nay là GE, nhưng sẽ được dịch chuyển lên 10GE Vì số lượng thuê bao bị ảnh hưởng bởi sự cố giao tiếp mạng nên các khối thiết bị này sẽ được bảo vệ.
Hình 2.2:Mô tả mạng truy nhập DOCSIS
CMTS sử dụng một chuyển mạch Ethernet để định tuyến các gói dữ liệu giữa giao tiếp mạng và kết nối HFC thích hợp Các khối chuyển mạch này điển hình cũng sử dụng cấu hình dự phòng để bảo vệ khi có sự cố về thiết bị.
Các khối đường truyền CMTS cung cấp phần dữ liệu cho giao diện với mạng HFC, gửi và thu các tín hiệu RF trên giao tiếp đồng trục với giá RF Trong thướng xuống, cùng tín hiệu RF được phát quảng bá tới nhiều FN Trong hướng lên, khi mà băng thông HFC bị giới hạn hơn thường mỗi FN sẽ sử dụng sợi quang riêng và kết nối RF tới CMTS hoặc trên một sợi quang tách biệt hoặc một tập bước sóng tách biệt trên một sợi quang chia sẻ Các khối đường truyền được bảo bệ theo kiểu 1:n sử dụng một giá chuyển mạch chuyển tiếp bên ngoài để thực hiện kết nối đồng trục RF tới n khối đường truyền hoạt động hoặc tới một khối đường truyền bảo vệ Giá chuyển tiếp ngoài được điều khiển bởi CMTS
CMTS là việc với bộ điều khiển truy nhập bảo mật để xác định dịch vụ vào mà một
CM được phép thu từ MSO đó Đây là một đểm nổi bật của DOCSIS cho phép một thuê bao chuyển CM tới bất kỳ vị trí nào được thực hện bởi MSO đó và thu được các dịch vụ thích hợp Đặc điểm này ngược với thiết bị tại nhà khách hàng DSL or PON, cái bị gắn với một vị trí hơn là một thuê bao.
Một sự thay đổi của CMTS đưa vào CMTS 3.0 là kiểu module (M-CMTS), nó phân chia các chức năng CMTS thành các phần thiết bị riêng biệt, mỗi phần đặt trong giá của nó. Chức năng này bao gồm các giao tiếp RF với luồng xuống/lên, định tuyến, tạo dung lượng và định thời/ đồng bộ.
Sự tách biệt xử lý tín hiệu luồng xuống trong một module riêng biệt cho phép triển khai ít hơn các thiêt bị QAM biên đối với các tín hiệu dữ kiệu nhanh hơn, như vậy cung cấp một sự giảm chi phí thiết bị đáng kể Việc có một module EQAM riêng biệt cho phép chia sẻ băng thông HFC giữa các dịch vụ MPEG-TS và DOCSIS.
CM cung cấp kết nối cuối phía thuê bao cho giao thức DOSIS Trong chiều xuống nó giải điều chế tín hiệu RF, nhận dạng các gói tin dự định cho các CM đó, và chuyển đổi các gói thành tín hiệu giao diện thuê bao phù hợp CM cung cấp xử lí VoIP và một giao diện điện thoại thông thường cho thuê bao Tín hiệu điển hình được cho qua các CM tới một bộ giải mã STB Trong chiều lên, CM tham gia vào giao thức MAC DOCSIS để thu được băng thông hướng lên, thực hiện ghép kênh gói tin và phát dữ liệu hướng lên tại thời điểm thích hợp bằng việc điều chế nó lên kênh RF phù hợp.
Hình 2.3 Ngăn xếp giao thức DOCSIS
CM bắc cầu qua giao thức DOCSIS và giao diện Ethernet/LAN cung cấp cho thuê bao.Các lớp cao hơn của ngăn xếp giao thức cung cấp chức năng cho OAM&p và duy trì SLA cho các luồng dữ liệu khách hàng.
Trong hướng xuống, thực hiện chức năng O/E ( Chuyển đổi Quang - điện ) và phát hướng xuống trên cáp đồng trục Hướng lên, FN tách các tín hiệu RF từ các thuê bao và thực hiện chức năng E/O để phát chúng về CMTS
- Hướng xuống: Lấy các tín hiệu RF từ CMTS và tín hiệu video , trộn RF và chuyển đổi E/O để gửi tín hiệu tổng hợp trên mạng HFC.
- Hướng lên: giá kết hợp RF thực hiện chuyển )/E và gửi các tín hiệu RF tới CMTS
Lịch sử phát triển
- DOCSIS là một họ các giao thức thường được bổ sung các chức năng trong mỗi phiên bản phát hành mới Chức năng được bổ sung của các phát hành chính được tóm tắt ở đây.
- Một trong những mặt quan trọng của mỗi phiên bản DOCSIS là một CMTS or CM hỗ trọ mới có khả năng tương thích ngược với bản sao chỉ hỗ trợ một phiên bản trước đó Ví dụ CMTS hỗ trợ DOCSIS 2.0 có thể liên lạc xuyên suốt với một CM chỉ hỗ trợ 1.0 và ngược lại.
- Được phát hành vào tháng 3 năm 1997, xác đinh các đặc tính tối thiểu để hỗ trợ truy nhập interner băng rộng, định nghĩa giao thức cung cấp tiêu chuẩn dựa trên DHCP và TFTP, giao thức quản lí mạng xây dựng trên SNMP
+ DOCSIC 1.1: Được phát hành vào tháng 4 năm 1999 tăng cường thêm một số khả năng gồm đảm bảo Qos, tạo và xóa dịch vụ tự động Hiệu suất băng thông ở lớp MAC được tăng cường, tăng cường bảo mật khả năng thay đổi kênh động, hỗ trợ multicast, khả năng quản lí thuê bao, quản lí tài khoản và quản lý lỗi
+ DOCSIC 2.0: Được phát hành vào tháng 12 năm 2001, bổ sung thêm các khả năng mới lớp MAC và vật lí Các kênh hướng lên hỗ trợ 2 chế độ hoạt độ khác nhau A-TDMA và S- CDMA Tăng cường MAC bằng việc sửa dụng khái niệm kênh logic có thể được hỗ trợ trên cùng kênh vật lý Cung cấp cân bằng tải tự động điều khiển sự thay đổi kênh động ở cả hướng lên và hướng xuống.
+ DOCSIC 3.0: Được phát hành vào tháng 8 năm 2006 , bổ sung thêm các khả năng mới gồm khả năng liên kết các kênh vật lý để tạo ra các kênh logic băng thông lớ hơn cân bằng tải tự động cho nhóm kênh liên kết, hỗ trợ Ipv6, hỗ trợ mật mã lưu lượng mạnh hơn ( sử dụng AES 128 bit) IP multicast cho phép đảm bảo QoS.
+ DOSIC 3.1: Được phát hành lần đầu tiên vào tháng 10 năm 2013 và được cập nhật nhiều lần kể từ đó, bộ thông số kỹ thuật DOCSIS 3.1 hỗ trợ dung lượng lên đến 10 Gbit/s xuôi dòng và 1 Gbit/s ngược dòng sử dụng 4096 QAM Các thông số kỹ thuật mới loại bỏ khoảng cách kênh rộng 6 MHz và 8 MHz và thay vào đó sử dụng sóng mang con phân chia theo tần số trực giao (OFDM) hẹp hơn (rộng 25 kHz hoặc rộng 50 kHz ); chúng có thể được liên kết bên trong một phổ khối có thể rộng khoảng 200 MHz.
+ DOCSIS 4.0 : Cải tiến DOCSIS 3.1 để sử dụng toàn bộ phổ tần của nhà máy cáp (0 MHz đến ~ 1,8 GHz) theo cả hướng lên và hướng xuống Công nghệ này cho phép các dịch vụ đối xứng đa gigabit trong khi vẫn tương thích ngược với DOCSIS 3.1 CableLabs đã phát hành thông số kỹ thuật đầy đủ vào tháng 10 năm 2017.
Phiên bản Năm sản Maximum Maximum Đặc trưng xuất downstream upstream capacity capacity
1.0 1997 40 Mbit/s 10 Mbit/s phát hành lần đầu
1.1 2001 thêm khả năng VOIP và cơ chế QoS
2.0 2002 30 Mbit/s Tốc độ dữ Upstream tăng
3.0 2006 1 Gbit/s 200 Mbit/s Tăng đáng kể tốc độ downstream/ upstream, giới thiệu hỗ trợ cho IPv6, giới thiệu liên kết kênh
3.1 2013 10 Gbit/s 1-2 Gbit/s Tăng đáng kể tốc độ upstream/downstream, cấu trúc lại các thông số kỹ thuật của kênh
4.0 2017 6 Gbit/s Tăng đáng kể dữ liệu ngược dòng
Hình 2.4: So sánh các phiên bản của DOCSIC
Lớp vật lý DOCSIC
Băng tần phổ điển hình tín hiệu Video tương tự bắt đầu từ dưới quanh 54 MHz Dưới tần số này, các suy giảm do tạp âm là quá lớn cho việc truyền dẫn video tương tự chất lượng Tuy nhiên băng tần 5 - 42 MHz là đủ mạnh cho các định dang điều chế số và là vùng phổ được chọn cho truyền dẫn DOCSIS hướng lên, một sự tăng cường cho phổ tần video tương tự gốc ban đầu là sự bổ sung các kênh tần số mới cao hơn để hỗ trợ các trợ các tín hiệu số Các tín hiệu số được tham trên các kênh này bao gồm các video mã hóa số và các kênh DOCSIS hướng xuống.
Hình 2.5 : Băng tần phổ trong DOCSIS
Dải 54 -550 MHz dành cho các kênh truyền hình tương tự Dải tần 5 - 42 MHz dành cho dữ liệu upstream
Dải tần trên 550 MHz dành cho dữ liệu downstream.
- TDMA Burst of QPSK or 16QAM signals
- Supports data rates upto 10 Mbps
- Supports multiple upstream channels Downstream
- TDM Continuous Transmission 64 or 256 QAM signals
- The downstream uses an MPPEG transmission convergence sublayer
3.1 Truyền dẫn DOCSIS hướng xuống
Các tham số của tín hiệu DOCSIS hướng xuống được tóm tắt trong bảng dưới đây. MSO khu vực Bắc Mỹ đi theo chuẩn ITU-T J.83-B, MSO châu Âu đi theo tiêu chuẩn truyền hình kĩ thuật số DVB.
Cả hai vùng cũng sử dụng các mã sửa lỗi FEC mặc dù mỗi vùng đã chọn một FEC cụ thể khác nhau Quá trình thực hiện bởi FEC sẽ làm tăng tỉ số tín hiệu trên tạp âm hiệu dụng của kênh, như vậy cho phép một sự tăng tốc dữ liệu vượt xa phần băng tần mà mào đầu FEC bổ sung tiêu tốn RS(204,188) châu Âu cung cấp khả năng sửa lỗi tốt hơn RS(128,122) của Bắc Mỹ nhưng độ phức tạp của bộ giả mã lớn hơn, tiêu chuẩn BẮc Mỹ hỗ trợ điều chế mã hóa lưới (TCM).
Hình 2.6 Bảng tham số lớp vật lý hướng xuống trong DOCSIS
Phụ thuộc vào chất lượng của kênh, DOCSIS như vậy hỗ trợ tốc độ dữ liệu mỗi kênh cơ 27- 39 Mnbit/s ở Bắc Mỹ và 38 -51 Mbit/sn ở châu Âu.
Hình 2.7 Định dạng gói MPEG sử dụng trong DOCSIS
DOCSIS định nghĩa phân lớp hội tụ truyền dẫn (TC) hướng xuống cung cấp một giao diện giữa MAC và phân lớp phụ thuộc môi trường vật lí (PMD) Phân lớp TC cho phép tách ghép video và dữ liệu DOCSIS trên phân lớp PMD Tín hiệu TC hướng xuống là một luồng liên tục các gói MPEG dài 188 byte.4 byte tiêu đề MPEG để nhận dạng khung chứ một tải trọng Video MPEG hay tải trọng gó MAC DOCSIS
Khi các gói MPEG mạng dữ liệu DOCSIS thì tải trọng DOCSIS chiếm vùng tải trọng gói MPEG Một khung MAC DOCSIS có thể bắt đầu từ bất cứ đâu trong gói MPEG Mỗi gói MPEG có thể mang một khung MAC DOCSIS đơn để điền đầy phần còn lại của vùng tải MPEG hoặc nó có thể chứa phần khung MAC DOCSIS hoặc được kết chuỗi với nhau.
Nó cũng có thể cho độ dài khung MAC DOCSIS vượt quá chiều dài của tải trọng MPEG.
Pointer _filed chỉ cho CM biết bao nhiêu byte gối tiếp sau đó bỏ qua trước khi bắt đầu khung MAC DOCSIS, nó cũng chỉ cho CM biết có các byte độn nào trong khung DOCSIS DOCSIS sử dụng các byte độn toàn bit 1 để điền bất kỳ khoảng trống nào giữa các khung MAC DOCSIS tiếp giáp nhau.
3.2 Truyền Dẫn DOCSIS hướng lên:
Như mô tả ở trên các kênh hướng lên được sắp xếp trong băng tần 5 - 42 MHz Bộ phát hướng lên trong đó các khối chỉ duy nhất với các mode A-TDMA và S-CDMA Sử dụng bộ trộn có đa thức trộn g(x) = x 15 + x 14 +1
Dải rộng tùy chọn kiểu điều chế để đối phó nhiễu lớn trong phổ tần hướng lên Tín hiệu hướng lên được trộn để thực hiện cân bằng xác suất cho tất cả các điểm chòm sao của tín hiệu hướng lên
Hình 2.8 Bảng các tham số vật lí hướng lên trong DOCSIS
Hình 2.9 Bộ phát hướng lên DOCSIS
Truyền dẫn hướng lên có
- A-TDMA: Tương tự như ở TDM-PON
- S-CDMA: Sử dụng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp
Một dải mã Fec Reed-Solomon được xác định cho tín hiệu hướng lên Kích thước khối mã và tỉ kệ các bit dữ liệu trên các bit kiểm tra lỗi được xác định bởi các đặc tính và các suy giảm gặp phải trên kênh DOCSIS 2.0 cũng đưa vào tùy chọn điều chế mã lưới TCM để cải thiện khả năng chống lỗi, trong mã lớn n/n+1 nhân đôi số lượng bit được mã hóa thành một ký hiệu phát được, nhưng thực hiện tăng tỉ số tín hiệu trên tạp âm một cách hiệu quả bằng việc kiểm tra nhiều ký hiệu nối tiếp tuần tự để xác định chuỗi ký hiệu giống nhất được sinh ra bởi mã hóa lưới Dải tốc độ dữ liệu hướng lên mỗi kênh gồ mào đầu HFC trong phạm vi 110 Kbit/s đến 30,72 Mbit/s.
CM có thể sử dụng hoặc một độ dài cố định cho tất cả các từ mã FEC hướng lên hoặc nó có thể sử dụng một từ mã bị rút gọn cho từ mã cuối của burst tin như có thể từ tham số k trong bảng trên, số lượng byte thông tin tối thiểu trong từ mã là 16 và một từ mã đầy đủ
253 byte Nếu một từ mã đầy đủ nhưng nó sẽ độn bit 0 giữa điểm cuối của byte thông tin và vị trí byte kiểm tra FEC.
3.3 Quá trình đồng bộ và định khoảng cách:
Các CM DOCSIS được đồng bộ với CMTS để hỗ trợ CMTS khôi phục các burst dữ liệu hướng lên và tối đa hóa việc sử dụng băng thông hướng lên Định thời truyền dẫn ký hiệu hướng lên của các CM được phối hợp bởi CMTS dựa trên sự kết hợp quá trình đồng bộ hóa và kiến thức về khoảng cách CM từ CMTS.
3.3.1 Quá trình đồng bộ hóa
Các khối cơ bản của quá trình đồng bộ hóa CM và CMTS được mô tả trong hình 2-10. CMTS là nguồn đồng bộ chủ cho mạng cùng với các CM thu được đồng bộ và tín hiệu định thời ký hiệu từ tín hiệu hướng xuống Quá trình đồng bộ hóa và giải điều chế hướng xuông tuân theo khuyên nghi ITU-T J.83 phụ lục A, B, C Đồng hồ chủ CMTS 10,24 MHz và tôc đô ̣ky hiêụ cua no được khóa với nhau Mối quan hệ giữa đồng hồ và chu kì ký hiệu
23 được định nghĩa như tỉ lệ của M và N với M và N là các số nguyên 16 bit được xác định bởi các tham số TLV trong bản tin UCD.
Hình 2.10 Sơ đồ khối đồng bộ DOCSIS
Mỗi CM cũng duy trì một bộ đếm nhãn thời gian cục bộ cái được khởi tạo bởi bản tin SYNC từ CMTS Nhãn thời gian cục bộ được sử dụng bằng cơ chế ranging để cung cấp thông tin độ lệch định thời (timing offset) Cơ chế bộ đếm nhãn thời gian DOCSIS cho ranging tương tự như cơ chế sử dụng cho EPON Cụ thể, nhãn thời gian là một bộ đếm 32 bit chạy bởi một đồng hồ có tần số cỡ 10,24 MHz ±5 ppm được cấp từ ngoài cho cả hai PHY và MAC hướng lên Lớp MAC CMTS duy trì bộ đếm khe thời gian chủ, trong khi các bộ đếm khung chủ và phân khe chủ nằm trong lớp PHY Nhãn thời gian tại CMTS đặc trưng cho giá trị bộ đếm tại một thời điểm cố định tương ứng với thời điểm mà một byte đầu tiên của bản tin quản lý.
MAC đồng bộ hóa thời gian được truyền tới phân lớp phụ thuộc môi trường vật lý hướng xuống từ phân lớp hội tụ truyền dẫn hướng xuống (thời gian lệch có thể là 0 hoặc một giá trị cố định) Tất cả trong phân lớp PHY được đồng bộ với giá trị nhãn thời gian MAC bằng việc sử dụng một xung đồng bộ hóa khung Tại mỗi đường giới hạn khung, PHY bắt được nhanh một nhãn thời gian cái sẽ sẵn sàng cho truyền dẫn trong một UCP. Hoặc CMTS hoặc CM co thê co điêm tham chiếu bắt đầu và điểm tham chiếu kết thúc Bất cứ cái nào có điểm tham chiếu bắt đầu sẽ duy trì trường này như một bản sao nhãn thời gian cục bộ của nó Nếu CM có được điểm tham chiếu bắt đầu, thì CMTS đặt tất cả bit 0 trong trường bắt đầu nhãn thời gian và, nếu CMTS có được nó thì CM sao chép giá trị từ trường giống nhau của bản tin DPV-REQ (đề nghị kiểm tra tuyến DOCSIS) vào trường bắt đầu nhãn thời gian Timestamp Start sau đó trao đổi giá trị nhãn thời gian khi người gửi đưa một gói DPV vào luồng dữ liệu tại điểm tham chiếu DPV Trường kết thúc nhãn thời gian (Timestamp End) được khởi tạo tất cả về 0 bởi CMTS CM sao chép vào trường TE hoặc nhãn thời gian cục bộ của nó nếu nó có được điểm tham chiếu kết thúc, hoặc nói cách khác giá trị đồng nhất từ bản tin DPV-REQ.
CMTS thiết lập một tham chiếu định thời toàn cục cho các kênh TDMA bằng việc phát các bản tin SYNC hướng xuống tại tần số danh định Vì bản tin SYNC chứa nhãn thời gian, nên CM biết chính xác khi nào CMTS gửi bản tin đó CM so sánh nhãn thời gian thu được với thời điểm tại đó nó được thu thực sự và cập nhật tham chiếu đồng hồ cục bộ của nó tương ứng CMTS thiết lập một tham chiếu định thời toàn cục bổ sung cho các kênh S- CDMA bằng cách gửi cả hai bản tin SYNC và MAC UCD hướng xuống tại tần số danh định.
