d) Các dịch vụ tại nhà: Ngân hàng, giáo dục, game
3.2.1Cấu trúc của modem cáp
Trong các phần trước đã trình bày sơ qua về khái niệm modem cáp, các loại modem cáp và các kiểu kết nối phía ngoài. Sau đây sẽ trình bày sơ đồ các khối bên trong. Mặc dù các modem cáp là rất khác nhau nhưng kiến trúc cơ bản thì có thể được mô tả như hình 3-16:
Khối này kết nối trực tiếp với đầu đến của mạng CATV, thông thường một Tunner có tích hợp bên trong một bộ lọc phân hướng( diplexer) cho phép cung cấp cả tín hiệu đường lên và đường xuống thông qua cùng một tunner với một độ cách ly cần thiết ( >65 dB) giữa đường lên và đường xuống.
Bộ thu sóng này còn chứa một bộ khuếch đại đường xuống do khối MAC điều khiển. Bộ khuếch đại này sẽ gửi các tín hiệu đường lên ở mức độ mà modem cáp và bộ phân phối trung tâm thoả thuận.
Nhiệm vụ chính của khối này là:
+ Có chất lượng đủ tốt để “ bắt” các tín hiệu được điều chế QAM + Hạ tần trong đường xuống và nâng tần trong đường lên.
Một số công ty cung cấp sản phẩm này trên thị trường như: ALPS, Sharp, Temic, Panasonic,...
* Khối giải điều chế :
Đây là khối thu tín hiệu trung tần IF trong đường xuống. Khối này thường chứa: + Một bộ chuyển đổi A/D
+ Giải điều chế QAM 64/256 + Đồng bộ hoá khung MPEG + Sửa lỗi Reed-Solomon
Chi tiết về cơ chế điều chế và sửa lỗi xin xem ở phần 3.1.5 và phần 3.1.6
Trên thị trường, Broadcom cung cấp khối này ở dạng chip đơn còn các công ty khác như Standford Telecom, SGS Thomson, VLSI Technologies,....thì cung cấp ở dạng kết hợp với các khối khác.
* Khối điều chế cụm( Burst Modulator)
Là khối cung cấp tín hiệu đầu vào cho Tunner để phát vào mạng cáp đến Headend. Khối này làm nhiệm vụ:
+ Mã hoá R-S từng cụm
+ Điều chế QPSK/16 QAM trên tần số đã chọn + Chuyển đổi D/A.
Tín hiệu đầu ra đưa qua một bộ điều chỉnh có mức đầu ra có thể thay đổi được để thực hiện điều chỉnh bù cho những suy hao cáp không biết trước.
Khối này chỉ có trong CM và một số STB hai chiều vì vậy việc sản xuất khối này hiện có rất ít công ty cung cấp như: Broadcom, Standford Telecom, SGS Thomson...
* Khối MAC:
Cơ chế điều khiển truy nhập phương tiện- MAC có thể được thực hiện bởi phần cứng hoàn toàn hoặc kết hợp giữa phần cứng và phần mềm. Cơ chế MAC này phức tạp hơn khi đem so sánh với MAC của Ethernet và thực sự khối này không thể xử lý được hết các chức năng của lớp MAC mà không có sự trợ giúp của khối vi xử lý.
Chi tiết các chức năng lớp MAC đa trình bày ở phần 3.1.1 và phần 3.1.2 .
Khối này bao gồm một số các giao diện giữa thiết bị ngoại vi và modem cáp như: Ethernet, USB, PCI,....
* Các khối khác:
Đối với các loại modem cáp cắm ngoài thì cần có thêm một số khối như khối CPU, khối nhớ, khối nguồn và ngoài ra có thể có các khối hiển thị như màn hình LCD, các đèn LED....
Khối CPU có chức năng điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động của modem cáp thường có dạng khối hoàn chỉnh như là các chip.
Khối nhớ bao gồm các loại bộ nhớ như:
+ Boot ROM chứa các thông số bảng Boot trong quá trình khởi động. + Flash ROM chứa các thông số hệ thống.
+ DRAM có chức năng như một không gian làm việc để tải các file cần thiết trong quá trình làm việc.
Khối nguồn có chức năng cơ bản là biến đổi mức điện áp lưới xoay chiều 220V thành các mức điện áp khác nhau phù hợp để cung cấp cho các khối vi mạch trong modem ví dụ như +12V, +5V, +3,3V, +1,8V....
3.2.2 Cấu trỳc của CMTS
CMTS cú thể được mụ tả sơ lược như hỡnh 3-17:
Hình 3-17: Cấu trúc của CMTS (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
CMTS có cấu trúc về nguyên lý giống như CM song được đặt ở Headend và phục vụ chung cho một mạng lưới các CM cùng kết nối đến nó. Do vậy, chức năng của nó phức tạp hơn nhiều so với một CM đặt tại thuê bao. Ngoài các chức năng kết cuối modem cáp thông thường, CMTS còn phải hỗ trợ :
+ Độ trong suốt đối với dòng IP ở lớp mạng + Các mặt nạ mạng con có độ dài thay đổi + Định địa chỉ không theo lớp
+ Định địa chỉ phát đa phương và chuyển tiếp, + Giao thức quản lý nhóm Internet
+ Giao thức phân giải địa chỉ
CMTS chịu trách nhiệm về phần kích hoạt, điều chỉnh phạm vi và bảo trì toàn mạng lưới modem cáp.
3.2.3 Hoạt động của modem cáp và CMTS* Giai đoạn khởi động modem: * 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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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.
+ 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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
-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:
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.