4. ĐẶC ĐIỂM TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT TRONG MẠNG TRUYỀN HÌNH
2.2. Lịch sử và mục đích ra đời của công nghệ Cable Modem
Cable Modem đã được các thành phố lớn cung cấp dịch vụ từ năm 1998. Và hiện nay ở Việt Nam dịch vụ này ứng dụng khá rộng rãi.
Dịch vụ cable-modem thường được cung cấp ở mức băng thông nhiều megabit tùy vào từng nhà cung cấp dịch vụ. Đối với khách hàng, cable modem có thể được xếp vào nhóm giải pháp SOHO. Cũng giống như ADSL, những người dùng đầu tiên của Cable Modem (CM) sẽ thấy đây là một dịch vụ rất tuyệt; tuy nhiên, khi số lượng người dùng nhiều lên, chất lượng dịch vụ sẽ giảm xuống.
Công nghệ băng thông rộng là công nghệ được sử dụng giữa thiết bị của khách hàng và nhà cung cấp dịch vụ thoại, cho phép cung cấp một dải thông rộng hơn trên đôi cáp đồng truyền thống. Mục đích ra đời của công nghệ bǎng rộng nhằm đáp ứng cho người dùng sử dụng những ứng dụng, dịch vụ mới trên Internet như: nghe nhạc xem phim trực tuyến, các nhu cầu kết nối mạng, truyền số liệu tốc độ cao...Cable Modem cho phép người tiêu dùng truy cập Internet tốc độ cao hơn và ở một phần nhỏ của thời gian, nó có Telephone Modems truyền thống dial-up.
PHẦN III: CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN CỦA CABLE MODEM 3.1. Cấu trúc của Cable Modem
3.1.1. Sơ đồ cấu trúc của Cable Modem
Cable Modem gồm loại lắp trong và lắp ngoài PC. Trong một vài trường hợp Cable Modem có thể được tích hợp trong hộp thu Set-top. Thực tế thì khi hệ thống Cable được nâng cấp lên dạng Digital Cable, hộp thu set-top Cable có khả năng kết nối thẳng vào Internet qua đường kết nối CATV cho dù người sử dụng có truy nhập Internet hay không.
Dù ở loại nào thì sơ đồ cấu trúc của Cable Modem đều có chung một dạng như sau:
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc Cable Modem Trong đó :
Tuner- Bộ điều chỉnh tín hiệu
Demodulator- Bộ giải mã tín hiệu dạng tuần tự sang dạng số Modulator- Bộ giải mãi tín hiệu từ dạng số sang dạng tuần tự Media Access Control (MAC) Thiết bị điều khiển truy nhập
Microprocessor- Bộ xử lý
3.1.2. Tuner:
Tuner-Bộ điều chỉnh tín hiệu, nối Modem Cable với đường cáp tín hiệu hoặc với bộ tách Splitter dùng để tách kênh dữ liệu Internet ra khỏi kênh CATV thông thường. Từ đó các dữ liệu Internet được Tuner tiếp nhận dưới dạng tín hiệu số đã giải mã sang dạng tương tự và chuyển tới Demodulator. Tuner có thể được tích hợp thêm một thiết bị Diplexer cho phép nó có thể sử dụng một đoạn tần số (trong khoảng 42-850 MHz) dành riêng cho Downstream và một đoạn khác (trong khoảng 5-42 MHz) cho Upstream.
Cable modem Tuner là một thành phần của bộ thu phát sóng RF và được thiết kế dành cho việc sử dụng các ứng dụng trong Cable modem. Nó là kết quả của việc tích hợp một bộ lọc, máy phát RF và IF agc.
Hình 3.2: Mô hình TUNER-CABLE MODEM
3.1.3. Demodulator:
Đây là thành phần được sử dụng để giải điều chế các tín hiệu đầu vào. Nó có vai trò quan trọng trong việc giải mã các tín hiệu đã được chuyển đổi từ dạng tương tự sang số. Các Demodulator đều có 4 chức năng chính. QAM (Quadrature Amplitude Modulation) sẽ thu các tín hiệu tuần tự gồm các thông tin đã mã hoá gồm cả bước sóng và pha rồi chuyển chúng sang dạng tín hiệu đơn giản có thể xử lý bởi A/D Converter (Analog to Digital Converter). A/D Converter nhận được các tín hiệu biến đổi theo điện áp và chuyển chúng thành chuỗi số 0 và 1.
Bộ sửa lỗi (Error Correction Module) sẽ liên tục kiểm tra các thông tin nhận được và so sánh với dữ liệu chuẩn do vậy các vấn đề xảy ra khi truyền dữ liệu luôn được kiểm tra và khắc phục. Trong hầu hết các trường hợp các gói dữ liệu hay Network frame là dạng MPEG và một thiết bị đồng bộ hoá MPEG được sử dụng để chắc chắn rằng mọi dữ liệu đều được đảm bảo truyền đến đích.
3.1.3.1. Bộ nhập thông tin sửa lỗi:
Bộ nhập thông tin sửa lỗi (Error Correction Module) là thành phần có nhiệm vụ kiểm tra giám sát một cách liên tục các thông tin đầu vào. Nhờ sử dụng cơ chế so sánh với dữ liệu chuẩn, nó dễ dàng tìm ra những vấn đề xảy ra khi truyền dữ liệu,nếu có sự cố, sẽ ngay lập tức được khắc phục.
3.1.3.2. Bộ điều chế biên độ cầu phương QAM:
Bộ điều chế biên độ cầu phương QAM (Quadrature Amplitude Modulation) là một chương trình đơn giản với nhiệm vụ truyền tải tín hiệu tương tự và điều chế để thay đổi biên độ của tín hiệu đầu vào. Sự mã hóa dữ liệu bằng cách thay đổi cả biên độ và pha của sóng mang . QAM dùng một dạng sóng Sin và một dạng sóng Cosine với cùng bộ phân tạo tần số để chuyển đổi thông tin. Tính trực giao giữa sóng Sin và Cosine cho phép truyền dữ liệu đồng thời trên kênh. Xem xét một chu kì đơn mỗi sóng, nguyên lý trực giao có thể trình bày như hình sau:
Hình 3.3: Mô hình điều chế QAM
3.1.3.3. Bộ chuyển đổi D/A (Digital to Analog Convenrter)
Chuyển đổi số sang tương tự là tiến trình lấy một giá trị được biểu diễn dưới dạng mã số (digital code) và chuyển đổi nó thành mức điện thế hoặc dòng điện tỉ lệ với giá trị số. Có nhiều phương pháp được sử dụng để chuyển đổi D/A như phương pháp thang điện trở, phương pháp mạng điện trở…
Hình 3.4: Sơ đồ khối bộ chuyển đổi D/A
3.1.4. Media Access Control (MAC)
MAC-nghĩa là tầng con của giao thức truyền dữ liệu, một phần của tầng liên kết dữ liệu trong mô hình OSI. Nó cung cấp các cơ chế đánh địa chỉ và điều khiển truy nhập kênh, các cơ chế này cho phép các trạm cuối hoặc các nút mạng liên lạc với nhau trong cùng một mạng.
Đối với Cable Modem, MAC là thành phần phân chia giữa Upstream và Downstream và thực chất nó là giao diện giữa phần cứng và phần mềm của các giao thức mạng khác nhau.Mọi thiết bị mạng trong PC đều có MAC . Tuy nhiên, đối với các Cable Modem, MAC phức tạp hơn nhiều so với các Card mạng (NIC) thông thường do các chức năng của MAC sẽ do CPU quy định.
Như vậy, MAC có thể hiểu là một môi trường sử dụng để đánh các địa chỉ vật lý cho các thiết bị mạng, giúp các thiết bị vận hành và sử dụng trong môi trường mạng.
3.1.5. Microcessor
Đối với Cable Modem, nhiệm vụ của bộ xử lý phụ thuộc vào việc Cable Modem được thiết kế với mục đích sử dụng cho máy tính lớn hay chỉ cho mục đích kết nối Internet ở các máy thông thường. Trường hợp nó tích hợp trong PC, bộ xử lý lắp ngay trong này sẽ có tất cả các tính năng của MAC.
3.1.6. Mô hình kiến trúc phân lớp cable modem
IEEE 802.14 xác định mô hình tham chiếu cho cable modem và bộ điều khiển headend. Kiến trúc tham chiếu là một khối có nhiều tầng cần để xác định kiến trúc phân lớp. Mô
hình tham chiếu là bảng kiến trúc chi tiết dựa trên đó để xây dựng các thiết bị.
Hình 3.5: Mô hình kiến trúc phân lớp của Cable Modem
Mô hình kiến trúc phân lớp cable modem/ headend được cho trong hình 3.1 và gồm có: +Kênh (channel)
+Lớp vật lý (physical (PHY) layer). +Lớp MAC (MAC layer).
3.1.6.1. Phổ cable modem
Phổ tần số của chiều lên và chiều xuống có vị trí khác nhau. Băng thông 400 MHZ từ 50 MHZ đến 450 MHZ được dùng truyền các tín hiệu TV kênh chiều xuống. Băng thông 40 MHZ từ 5 MHZ đến 45 MHZ được dùng cho các kênh số chiều lên. Mỗi kênh có độ rộng từ 1 MHZ đến 6 MHZ, và có khả năng tải băng thông số trong tầm từ 1.6 Mbps đến 10 Mbps khi sử dụng kỹ thuật điều chế QPSK. Các kênh RF chiều lên được thiết kế để truyền các thông tin điều khiển và dữ liệu đến headend. Một số lượng lớn các kênh chiều xuống nằm trong băng tần 300 MHZ giữa 450 MHZ và 750 MHZ. Các kênh RF này được dùng để phát quảng bá dữ liệu và tin tức từ headend đến tất cả trạm thu.
Hình3.6: Phổ RF của Cable Modem
3.1.6.2. Ánh xạ của cable modem
Truyền thông giữa headend và cable modem có thể đạt được tốt nhất như mô tả trong hình 3.3. Một bộ thu cable modem (xem như một trạm) được kết nối đến tất cả các kênh 6 MHZ chiều xuống (từ kênh 1 đến kênh m) của phổ. Cable modem phải có khả năng điều chỉnh bắt được bất kì một băng tần nào trong các băng tần 6 MHZ để nhận dữ liệu từ headend. Tại kết cuối đầu phát, cable modem cũng phải có khả năng phát bất kì một kênh chiều lên nào trong từ 1 đến n kênh chiều lên như mô tả trong hình vẽ.
Hình 3.7: Ánh xạ phổ Headend/station
Hình 3.8: Các thành phần của hệ thống CM
Một hệ thống CM bao gồm các thành phần sau: _ Bộ khuếch đại 2 chiều
_ Cáp quang và cáp đồng trục trong mạng _ Cầu rẽ (Táp)
_ Node quang
_ Thiết bị kết cuối truyền hình-STB _ Modem cáp_CM
_ Hệ thống kết cuối modem cáp_CMTS _ Server trong mạng modem cáp
_ Hệ thống IP phone
_ Hệ thống quản lý thuê bao và tính cước dịch vụ
3.2.1. Bộ khuếch đại 2 chiều
Trong phần mạng cáp đồng trục, các bộ khuếch đại 2 chiều được sử dụng bao gồm 2 loại:
+ Bộ khuếch đại phân phối: khuếch đại tín hiệu RF và đặt vào 2 hoặc 4 đầu cáp ra khác. + Bộ khuếch đại đường dây mở rộng.
Một hệ thống HFC hiện đại thường có từ 4-6 bộ khuếch đại cho tầng khuếch đại RF sau mỗi node. Đa số các bộ khuếch đại đó có hệ số khuếch đại tự điều chỉnh để bù đắp những thay đổi khác nhau theo nhiệt độ của suy hao và đáp ứng tần số.
Do cáp có suy hao lớn ở dải tần cao hơn trong khi mong muốn đầu ra của các bộ khuếch đại trong một tầng là giống nhau nên đầu ra của các bộ khuếch đại sẽ bị dốc lên khoảng từ 8-12dB.
3.2.2. Cáp quang và cáp đồng trục trong mạng
Cáp quang dài, mỏng thành phần là thủy tinh trong suốt có đường kính của một sợi tóc. Chúng được sắp xếp trong bó được gọi là cáp quang và được sử dụng để truyền tín hiệu trong khoảng cách rất xa. Không giống như cáp đồng truyền tín hiệu bằng điện, cáp quang ít bị nhiễu, tốc độ cao (đây là tốc độ truyền dữ liệu, phân biệt với tốc độ tín hiệu) và truyền xa hơn.
Mỗi cáp quang có chứa từ 12 đến 14 sợi quang tùy theo kích cỡ mỗi loại cáp. Loại sợi quang được sử dụng ở đây thường là sợi đơn mode_SM có suy hao khoảng 0,4dB/km ở bước sóng hoạt động l=1310nm hoặc là suy hao 0,25dB/km ở l=1550nm (mức suy hao này ổn định trong dải nhiệt độ thường và độc lập với dải tần số vô tuyến).
Cáp đồng trục được chia loại tùy theo vị trí trong mạng,ví dụ:
+ Đoạn xuất phát từ node quang to ra có đường kính lớn nhất (từ 0,78 đến 1,09 cm) chất lượng tốt nhất, mức suy hao 45dB/km ở 750MHz hoặc 9dB/km ở 40MHz.
+ Đoạn cuối gần sát nhà thuê bao dài khoảng 25cm- 50cm, đường kính nhỏ, suy hao khoảng 114 dB/km ở 750MHz và 24dB/km ở 40MHz(mức suy hao này phụ thuộc vào nhiệt độ và chiều dài của cáp).
3.2.3. Cầu rẽ (Tap)
Mỗi cầu rẽ có 2 phần tử chức năng chính là: Khối ghép định hướng và bộ chia công suất.Trong đó,bộ chia công suất chia tín hiệu tùy theo số lượng cổng của cầu rẽ (có thể là 2,4,8…) còn khối ghép định hướng có nhiệm vụ đổi hướng một số tín hiệu đầu vào xác định.
Mỗi cầu rẽ được đặc trưng bởi một giá trị rẽ.Giá trị rẽ là tỉ số giữa tín hiệu đầu ra rẽ của Tap với tín hiệu đầu vào.Thường thì giá trị này vào khoảng 4-29dB (3dB/1nấc). Có 3 tham số suy hao quan trọng trong Tap là:
+ Suy hao xen: là công suất tổn hao giữa cổng vào và cổng ra. Suy hao này thường không phụ thuộc vào nhiệt độ và tần số.
+ Suy hao cách ly: là suy hao giữa cổng vào và cổng rẽ (cổng ra khác). Độ lớn của suy hao này có ý nghĩa quan trọng đối với các hệ thống CATV hai chiều để ngăn tín hiệu đường lên của một thuê bao này lọt vào tín hiệu đường xuống của thuê bao khác. Thường thì thuê bao này khoảng 20 dB giữa dải tần lên và xuống.
+ Suy hao rẽ: thường không phụ thuộc vào nhiệt độ và tần số, nó biểu hiện cho sự thất thoát công suất ra ngoài và suy hao nội tại (từ 1-2 dB).
Là phần tử nằm trên đường ranh giới giữa vùng cáp đồng trục và cáp quang, có nhiệm vụ cơ bản là chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện cho đường xuống (ngược lại cho đường lên), sau đó khuếch đại và phân phối trên mạng cáp đồng trục với 3 hoặc 4 đầu ra ở mỗi node.
3.2.5. Thiết bị kết cuối truyền hình- STB
Là một thiết bị thu tín hiệu truyền hình với 2 loại: STB tương tự và STB số. STB tương
tự cho thuê bao thu các kênh truyền hình tương tự qua mạng HFC thay vì các kênh phát quảng bá vô tuyến mặt đất trước đây. Đến 1996, STB số được giới thiệu với một số chức năng cơ bản:
+ Dò tìm kênh số và các dịch vụ video tương tự trong các dải tần đường xuống. + Giải điều chế kênh số thu được/Điều chế kênh số phát lên.
+ Giải mã/ Mã hóa các kênh đã chọn. + Quản lý báo hiệu thuê bao từ Headend.
+ Cung cấp giao diện thuê bao cho người sử dụng.
Gần đây, các STB cải tiến được triển khai bởi Motorola/General Intrument. Các STB này có chứa các bộ dò sóng kép và modem cáp tích hợp bên trong, cho phép thuê bao sử dụng dịch vụ truyền hình và dịch vụ mạng Internet băng rộng như: IP telephony, IP video phone, Interactive games.Lúc này, STB cải tiến hoạt động như một cổng gia đình-RGW:
+ Phân phát các gói giao thức IP đến các thiết bị bên ngoài như là IP voice, IP video phone.
+ Truyền tải, xử lý, giải mã các tín hiệu truyền hình có độ phân giải cao HDTV.
3.2.6. Modem cáp – CM
Là thiết bị nằm trong nhà thuê bao, cho phép truy nhập đến mạng máy tính (thường là mạng Internet) trên phương tiện vật lý dùng cho truyền hình. Có 3 loại modem cáp:
+ Loại khối cắm ngoài: Kết nối máy tính thông qua kết nối Ethernet (có thể có nhiều máy tính cùng kết nối vào mạng Ethernet, lúc này modem cáp còn có chức năng của bộ định tuyến) hoặc giao diện kết nối USB.
+ Loại card cắm trong: thường là dạng cắm thêm PCI cho máy tính.Loại này có giá thành rẻ nhất song chỉ dùng được cho máy tính để bàn còn sẽ phải có sự thiết kế khác cho dạng máy tính MAC và máy tính xách tay.
+Loại thứ ba của modem cáp là dạng được tích hợp bên trong các STB cải tiến tương tác.
3.2.7. Hệ thống kết cuối modem cáp-CMTS
Hệ thống này nằm trong Headend, thuộc về phía bên kia của mạng so với modem cáp.Là thiết bị kết cuối cho đường lên từ phía thuê bao đến đích là các Headend của các
công ty cáp, do đó CMTS cũng được coi là giao diện giữa các modem cáp và mạng Interrnet IP.
+ CMTS có nhiều chức năng giống như một DSLAM trong hệ thống DSL.
+ CMTS đón lưu lượng đường lên từ một nhóm thuê bao trên một kênh đơn và định tuyến nó đến ISP để kết nối vào mạng Internet.
+ Mỗi CMTS chứa một hoặc nhiều card đường dây modem cáp (CMLC). Các CMLC chuyển các dòng số liệu IP thành các tín hiều đường xuống (đến nhà thuê bao), sau đó đưa bộ nâng tần để đưa các kênh tín hiệu đó vào một kênh xác định và ghép chung với các tín hiệu truyền hình và trình tự ngược lại với đường lên.
3.2.8.Một số server trong mạng modem cáp
Máy chủ DHCP được xác định bởi RFC 2181.Server này cung cấp các địa chỉ IP theo nhu cầu cho modem cáp và các thiết bị PC theo sau nó.
Máy chủ ToD được xác định bởi RFC 868, có nhiệm vụ là gán các tem thời gian