d) Các dịch vụ tại nhà: Ngân hàng, giáo dục, game
3.2.3Hoạt động của modem cáp và CMTS
* Giai đoạn khởi động modem:
Liên lạc bằng modem cáp được thực hiện qua một số các bước thiết lập được minh hoạ như hình 3-18 :
Hình 3-18: Quá trình khởi động modem cáp
* Sau khi bật nguồn, modem sẽ quét để tìm một kênh đường xuống có thể đồng bộ được( Các CM cần được đồng bộ hoá và sắp xếp để biết được khi nào thì bắt đầu truyền dẫn).
+ CMTS gửi các gói đồng bộ hoá để tạo ra tham chiếu thời gian .
+ CMTS điều khiển sự truy nhập vào các khe bằng cách gán ‘cơ hội truyền dẫn’ cụ thể cho các dải khe mini để mỗi CM có thể lọt vào được một khe mini xác định nào đó do head-end cung cấp. Một cơ hội truyền dẫn có thể là dựa trên một khe tranh chấp hay dùng riêng.
Trong đó khe dùng riêng là khe thời gian được dùng cho một modem xác định, có nghĩa không CM khác nào có thể truyền dẫn trên khe thời gian đó. Các khe dùng riêng nhìn chung thường thích hợp cho việc truyền dẫn dữ liệu kéo dài. Và CMTS sẽ phân bổ các khe thời gian bằng thuật toán phân bổ băng thông. Thuật toán này có thể khác nhau tuỳ từng nhà cung cấp.
Còn các khe tranh chấp thì được mở cho tất cả các CM sử dụng truyền dẫn. Do vậy với loại khe này có thể xảy ra việc nhiều CM đồng thời truyền tín hiệu lúc đó xảy ra va chạm dẫn đến mất số liệu. CMTS sẽ không có kí tự báo nhận ACK dương ( tức là không nhận được dữ liệu) lúc này các CM sẽ phải truyền dẫn lại vào một thời điểm tuỳ chọn khác. Các khe tranh chấp thường được dùng cho truyền dẫn dữ liệu cực ngắn .
* Sau khi quá trình đồng bộ hoá hoàn thành, CM nhận các tham số đường lên mà nó cần có để thông báo cho CMTS về sự có mặt của nó trên mạng lưới, thông qua ba bản tin lớp MAC là: SYNC, UCD và MAP( chi tiết trong phần 3.1.2 ). Ví dụ bản tin UCD để mô tả kênh đường lên phù hợp với khả năng của chính CM đó: có sự giới hạn về khả năng phát tốc độ bit, có sự giới hạn dải tần số hoạt động, kiểu điều chế và có một số loại kênh đặc biệt mà CM đó không được phép phát vào.
Cuối cùng, CM sẽ nhận được các thông tin( sẽ sử dụng cho quá trình điều chỉnh phạm vi ):
+ Tham chiếu thời gian thô.
+ Thông tin chi tiết về một kênh phát đường lên.
+ Thông tin về các cơ hội phát duy trì cho các CM vừa mới kết nối vào mạng. * Điều chỉnh phạm vi:
Việc đăng ký điều chỉnh phạm vi cho phép CM tự xác nhận với CMTS. Đồng thời cũng cho phép HE: gán các tần số cho đường lên và đường xuống; đặt mức độ công suất; phân bổ các thông tin quản lý khác cần cho việc quản lý mạng.
Do có khoảng cách vật lý khác nhau giữa bộ phân phối trung tâm và các modem cáp, mỗi CM sẽ có sự thiết lập riêng cho các tham số: tham chiếu thời gian, công suất phát, tần số phát.
Sau khi nhận được yêu cầu điều chỉnh phạm vi, CMTS thông báo cho CM về độ trễ truyền dẫn. Các tần số được gán cho đường lên có thể thay đổi bất cứ lúc nào. HE phải đảm bảo rằng CM nhận được tần số gán mới trước khi nhận thấy tín hiệu truyền dẫn của CM trên dải tần mới.
* Thiết lập kết nối IP:
Sau khi quá trình điều chỉnh phạm vi hoàn thành, CM phải sử dụng các cơ chế giao thức DHCP để có được một địa chỉ IP, rồi tiếp tục quá trình đăng ký/định cấu hình (quá trình dự phòng).
Máy chủ DHCP sẽ đáp lại các địa chỉ IP, tên của file cấu hình và địa chỉ máy chủ. Chỉ cần CM được kích hoạt thì nó sẽ được “ mượn ” một địa chỉ IP để sử dụng. Sau một thời gian không kích hoạt địa chỉ này sẽ bị đòi lại và cấp cho một CM khác đang được kích hoạt do đó bảo toàn được không gian địa chỉ IP.
* Sau dó, CM tải xuống file có các tham số cấu hình từ máy chủ cấu hình( bằng phương thức TFTP). Các file cấu hình này bao gồm các thông số mà CM dùng để hoạt động như là: Bao nhiêu băng tần được sử dụng và dịch vụ nào được cung cấp.
Cuối cùng, CM sẽ gửi bản tin đăng kí đến CMTS để CMTS xác nhận file cấu hình mà CM vừa nhận là từ máy chủ có hợp lệ hay không . CMTS sẽ truy vấn một bản sao của file cấu hình từ máy chủ đúng và so sánh với bản từ thuê bao để đảm bảo rằng CM đó sẽ chỉ sử dụng các dịch vụ được phép. Chỉ sau khi kiểm tra xong file cấu hình, CM mới bắt đầu gửi dữ liệu thực sự vào mạng và chính lúc này đèn LED xanh báo hiệu “sẵn sàng” trên một số loại CM sẽ bật sáng.
(Mỗi CM cần có một địa chỉ MAC 48 bit duy nhất (theo IEEE 802) được gán trong quá trình chế tạo, cũng như các thông tin bảo mật mạng cần thiết để xác thực CM đó).
Sau khi quá trình thiết lập hoàn thành, thiết bị khách hàng có thể truyền thông với thế giới bên ngoài bằng hệ thống CATV. Sự truyền thông này là hai chiều và được trình bày ngay sau đây.
* Truyền tải lưu lượng đường lên
Thuật ngữ ‘đường lên’dùng để chỉ tín hiệu do CM truyền . Lưu lượng đường lên luôn xuất hiện ở dạng các cụm rời rạc, do đó nhiều CM có thể truyền tín hiệu đi trên cùng một tần số.
Khi một gói Ethernet đi từ thiết bị khách hàng đến modem cáp, nó sẽ được gói trong một gói MAC với tiêu đề PDU. CM sẽ xác định vị trí băng thông cho các cơ hội truyền dẫn và gửi khung MAC đi khi được phép. Các cơ hội truyền dẫn có 2 cấu thành chính: số lượng các khe nhỏ (mini) và các đặc tính của lớp vật lý.
Truyền dẫn ở đường lên được đặc trưng bởi:
+ Tính linh hoạt và khả năng lập trình được của CM. + Tần số linh hoạt.
+ Đa truy nhập phân chia theo thời gian. + Định dạng điều chế QPSK hay 16 QAM.
+ Hỗ trợ các định dạng đơn vị dữ liệu gói (PDU) có khung cố định hay độ dài thay đổi.
+ Nhiều tốc độ ký hiệu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Mã hoá khối Reed-Solomon có thể lập trình được.
+ Đồng bộ ở trạng thái khởi đầu (preamble) có thể lập trình được
Trong hai phương thức điều chế QPSK và 16 QAM(4 bit trên một ký hiệu) với ánh xạ được mô tả như hình 3-19 thì 16 QAM có tốc độ nhanh hơn, nhưng lại đễ bị ảnh hưởng bởi tạp âm đầu vào nhất.
Hình 3-19 a): Ánh xạ ký hiệu QPSK Hình 3-19 b): Ánh xạ ký hiệu 16 QAM
Với hướng đường lên, tín hiệu số được mã hoá bằng QPSK hoặc 16 QAM, chuyển thành tín hiệu analog và sau đó được gửi đến Tunner để được truyền đi trong dải tần đường lên (5-65 MHz).
* Truyền tải lưu lượng đường xuống
Sau khi CM được đăng kí, lưu lượng thông tin truyền dẫn xuống sẽ chứa các dữ liệu tải xuống và các thông tin quản trị mà CM yêu cầu hoặc những thông tin mà CMTS cần để phân bổ. Mỗi CM có thể nghe các tín hiệu quảng bá từ CMTS, nhưng chỉ có CM nào có địa chỉ đích chính xác mới có thể truy nhập vào những thông tin chứa trong phần tải tin của gói.
Thông thường, một kênh đường xuống thường tương ứng với nhiều kênh đường lên để đạt được độ cân bằng cần thiết trong băng tần dữ liệu.
Với hướng đường xuống, tín hiệu RF từ CMTS đến CM được mã hoá theo 64 QAM hoặc 256 QAM có ánh xạ giống như trong hình 3-19 nhưng trên mỗi góc phần tư có có 16 mã với 64 QAM hoặc 64 mã với 256 QAM. Sau đó, tín hiệu này được gửi đến Tunner, giải mã QAM, chuyển thành tín hiệu số phù hợp với thiết bị trong nhà thuê bao.
3.3 Một số vấn đề liên quan đến hoạt động của modem cáp
3.3.1 Nhiễu và biện pháp xử lý
* Nhận xét chung về tạp âm và nhiễu trong mạng cáp:
So sánh kiến trúc mạng cáp hoạt động trong đường lên và đường xuống ta thấy: Nếu như đường xuống chỉ có một vị trí truy nhập( từ Headend ) vào mạng phân phối cáp và tại đó tín hiệu được kiểm soát rất chặt chẽ thì với đường lên, ngược lại( tín hiệu có thể truy nhập vào mạng từ bất kì nhà thuê bao nào kết nối vào mạng) và tất cả các tín hiệu này sẽ tập hợp nhau lại trong quá trình tiến đến Headend. Do đó hệ thống đường lên còn được gọi là “ phễu tạp âm”.
Với khuynh hướng tích luỹ tạp âm như vậy, so với mạng cáp sơ khai ( hoàn toàn đồng trục dạng cây- nhánh đấu nối trực tiếp tất cả các thuê bao) thì mạng HFC tỏ ra giảm bớt nhiễu rất hiệu quả nhờ sự phân đoạn nhóm thuê bao bởi các node quang.
Có ba loại nguồn tạp âm lớn trong hệ thống đường lên và đường xuống là tạp âm nhiệt , tạp âm tích luỹ quang và nhiễu đầu vào. Ngoài ra còn có một số hiện tượng ảnh hưởng khác như : phi tuyến , ăn mòn hoá học, vận hành bảo dưỡng kém chất lượng...
Mô hình toán học mô tả ảnh hưởng của tạp âm và nhiễu với hệ thống đường xuống được trình bày trong hình 3-20, với hệ thống đường lên được trình bày trong hình 3-21. Trong đó, mô hình toán học cho sự thâm nhập của mỗi phần tử nhiễu được trình bày trong bảng B-1 ( trong phụ lục B).
Hình 3-20 Mô hình ảnh hưởng của tạp âm và nhiễu với đường xuống
Hình 3-21 Mô hình ảnh hưởng của tạp âm và nhiễu với đường lên * Tạp âm nhiệt:
Là loại tạp âm phát sinh trong phần tử tích cực như các bộ khuếch đại, các bộ thu ...do hiện tượng dao động nhiệt của các điện tử. Đại lượng đặc trưng cho nó là hệ số tạp âm của bộ khuếch đại-NF.
Xét một tín hiệu sóng mang không nhiễu được phát qua một bộ khuếch đại, lúc đó tỉ số công suất sóng mang trên công suất nhiễu- C/N được tính là:
C/Namp = Input( dBmV) – NF - Nnền ( dBmV)
{ Trong trường hợp các bộ khuếch đại được đặt thành tầng khuếch đại gồm N bộ khuếch đại giống nhau mắc nối tiếp thì C/N được tính theo công thức sau:
C/Ntổng =C/Namp – 10lgN }
Nnền là công suất nhiệt tạp âm trong một băng tần tạp âm đang xét B( Hz): Nnền =10lg( BHz) – 125,2dBmV
-125,2dBmV là tạp âm nhiệt trong băng tần B= 1 Hz, hệ thống có trở kháng Z= 75 Ω, ở nhiệt độ phòng.
Giá trị B ứng với tín hiệu đường xuống (Bd) được chuẩn hoá do đó Nnền được tính thành các giá trị chuẩn như ví dụ ở bảng 3.5:
Tiêu chuẩn Bd Nnền
NTSC 4.0 MHz - 58.2 dBmV PAL 5.0 MHz + 1.8 dBµV Bảng 3.5 Các giá trị chuẩn Nnền ứng với Bd
Giá trị B ứng với tín hiệu đường lên( Bu) có giá trị biến đổi dải rộng từ 100 KHz đến 6 MHz nên Nnền có thể nhận các giá trị tương ứng như trong Bảng B-2 đã liệt kê sẵn trong phần phụ lục B.
*Tạp âm tích luỹ quang: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Là tạp âm xuất hiện trong quá trình tín hiệu quang truyền giữa node quang và khối thu quang ở Headend tại các lade , sợi quang, bộ thu quang.
Ảnh hưởng của yếu tố này được minh hoạ qua ví dụ hình 3-22.
Hình 3-22 Ảnh hưởng của yếu tố tạp âm tích luỹ quang
Trong hình này, đường cong biểu diễn sự suy giảm của giá trị C/N trong quá trình lan truyền trên liên kết quang theo một hàm phụ thuộc vào chiều dài kiên kết quang. Trong đó chiều dài được quy đổi thành giá trị suy hao tương ứng ở bước sóng 1310 nm với tỷ số suy hao là 0.4 dB/Km ( =2,5 Km/dB).
* Nhiễu đầu vào:
Là thành phần tạp âm đến từ môi trường xung quanh thâm nhập vào hệ thống thông qua hệ thống đường dây kết nối trong nhà và các đoạn Drop .
Các điểm thu đó thường là các kết nối lỏng, các vỏ bảo vệ bị vỡ, các tiếp đất cho thiết bị kém chất lượng...Một số nguồn tạp âm phổ biến loại này được minh hoạ trong hình 3-23. Ngoài ra còn có ở nhiều nơi không đảm bảo về mặt kĩ thuật các khối thiết bị hệ thống đường dây trong nhà, cầu rẽ, Headend.
Hình 3-23 Một số nguồn nhiễu đầu vào phổ biến
* Méo đường chung( Common Path Distortion)
Khi các tín hiệu RF hai hướng trong hệ thống cáp đi qua các điểm tiếp xúc cơ học ví dụ như mối tiếp xúc kiểu G được sử dụng giữa môdun khuếch đại có thể tháo lắp
với vỏ bọc như mô tả ở hình 3-24 và kiểu tiếp xúc bàn kẹp dùng đinh ốc giữ cáp đồng trục kết nối vào bộ khuếch đại cũng được mô tả trong hình 3-24:
Hình 3-24 Một số điểm tiếp xúc gây méo đường chung
Nếu có một lớp ôxít hình thành ở bất kì chỗ tiếp xúc nào thì sẽ tạo ra một hiệu ứng giống như của diode. Mà ta đã biết diode là một phần tử phi tuyến trong mạch điện do đó nó gây ra hiệu ứng trộn các tín hiệu đường xuống, các tần số lạ tạo ra có thể rơi vào vùng băng tần đường lên. Vì các tín hiệu đường lên và đường xuống cùng đi qua lớp bán dẫn tại những điểm đó, do vậy những tín hiệu tần số không mong muốn đó có thể kết hợp vào phổ tần đường lên gây nhiễu do vậy méo này được gọi là méo đường chung.
Không giống như các tín hiệu gây hại khác, loại méo này có thể biến đổi rất lớn vì bản chất của của lớp tiếp xúc kiểu diode là phụ thuộc rất lớn vào áp suất, độ ẩm, nhiệt độ...Để hạn chế loại tạp âm này, biện pháp áp dụng là phải đảm bảo tất cả các kết nối có cùng chất kim loại, được làm sạch, được kết nối chặt và bịt kín chống nước.
* Nhiễu xung, nhiễu cụm
Nhiễu xung chủ yếu phát sinh từ các đường dây điện cao thế 60 Hz và bất kì sự phóng điện tĩnh như: khởi động mô tơ điện xoay chiều, hệ thống đánh lửa ô tô, truyền hình, phát thanh, ...
Loại nhiễu này gây ra các gián đoạn truyền dẫn ngẫu nhiên trên kênh đường lên và đường xuống. Có hai loại: nhiễu Corona và nhiễu khe( Gap noise). Trong đó, nhiễu corona tạo ra do sự ion hoá không khí xung quanh đường điện cao thế như minh hoạ trong hình 3-25.
Hình 3-25 Nhiễu corona và nhiễu khe tạo ra do đường điện cao thế
Sự thể hiện rõ nét ở hiện tượng phóng năng lượng từ đường điện cao thế 300 kV vào không khí. Còn nhiễu khe được tạo ra khi bộ cách ly bị vỡ hay các kết nối bị lỏng bị ăn mòn hoá học. Sự hư hại này dẫn đến sự thâm nhập của các đường phóng điện 100 kV với khoảng thời gian rất ngắn (vài micrô giây).
* Điều chế Hum
Cơ chế xuất hiện nhiễu này trong băng tần đường lên và đường xuống phát sinh từ việc cấp nguồn. Hiện tượng này được cho là: do có một lượng nhỏ tín hiệu xoay chiều không bị lọc trên các đường dẫn một chiều vào các vi mạch khuếch đại.
Sự méo điều chế ở tần số điện 50 Hz (60 Hz) và hài bậc hai có thể là méo biên độ hoặc tần số tín hiệu phát do sự điều chế tín hiệu bởi dòng điện xoay chiều.
Theo quy định của FCC mục 76 ( phần 76.605 ): độ lớn của điều chế Hum biên độ ở đầu cuối nhà thuê bao yêu cầu không quá 3 % ( mức giảm biên độ < 0.26 dB). Khi vượt quá 3%, sự suy giảm kênh QAM tăng rất nhanh. Giải pháp hạn chế là sử dụng vòng điều khiển công suất nhanh bên trong bộ thu QAM, cho phép bộ cân bằng bám theo sự biến động của tín hiệu QAM. Các kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng: CNR của tín hiệu 256 QAM có thể giảm tới trên 1 dB ở mức suy giảm 5% .
Các nguồn chính gây điều chế Hum là các bộ khuếch đại có khiếm khuyết về cấp nguồn. Ngoài ra các thành phần khác( thậm chí cả thiết bị thụ động) cũng là nguyên