VI. Cỏc thành phần của hệ thống truyền hỡnh cỏp
6. Modem cỏp
Modem cỏp là cụng nghệ hấp dẫn nhất, cung cấp truy nhập Internet hai chiều tốc độ cao qua cỏc mạng HFC. Kể từ sự phỏt triển của dịch vụ World Wide Web (www) và sự phỏt hành năm 1993 của trỡnh duyệt Web (Web Browser), số lượng Website gia tăng một cỏch bựng nổ trờn khắp thế giới, tăng gấp đụi cứ sau 3 thỏng.
Để truy nhập Internet, hiện nay đang sử dụng cỏc Modem thoại đạt tốc độ chỉ được 28,8 tới 56 Kbps. Cỏc mạng điện thoại đang tồn tại hiện nay khụng được thiết kế để xử lý lượng dữ liệu lớn đó trở nờn tắc nghẽn. Chớnh vỡ vậy việc truy nhập vào cỏc trang Web đồ sộ cú sử dụng đa phương tiện mất rất nhiều thời gian.
5-42 MHz
Đầu cuối RF Giải điều chế Phần xử lý
Cỏp vào/ ra Bộ lọc phõn hướng 54-860 MHz Hạ tần RF KĐ Khối giải mó NTSC Khối thu Video 64/256-QAM Khối phỏt QPSK /QAM đường lờn 70 -130 MHz Hạ tần OOB Kh ối thu OOB QPSK Module truy nhập cú điều kiện Cỏc bộ giải mó tiếng/hỡnh MPEG -Giải mó NTSC - Xử lý đồ họa STB CPU Điều khiển từ xa Giao diện người dựng 1394 Ethernet USB Kờnh điều chế Bộ nhớ
Cụng nghệ modem cỏp hoạt động qua mạng HFC hai chiều cú thể cung cấp tốc độ dữ liệu đường xuống lớn hơn 30 Mb/s, tốc độ này gấp khoảng 1000 lần so với tốc độ Modem thoại thụng thường và tốc độ đường lờn cũng rất cao, khoảng 10 Mb/s.
Hầu hết cỏc modem cỏp được thiết kế cho lưu lượng khụng đối xứng. Điều này là bởi vỡ phần lớn người sử dụng Web để tải về (download) cỏc ứng dụng chứa nhiều đa phương tiện (rich multimedia) trong khi đường lờn chỉ dựng cho cỏc ứng dụng tốc độ thấp như: Email, truyền file…
Cỏc modem cỏp hoạt động tốc độ đối xứng thường được dựng trong cỏc mạng nội bộ Intranet, ở đú mỗi modem cỏp bị chia xẻ giữa cỏc mạng mỏy tớnh khỏc nhau.
Cấu trỳc modem cỏp gần giống với STB số như hỡnh I.20.
Bộ điều hưởng bao được nối trực tiếp với đầu ra của mạng TV cỏp, đầu ra này cung cấp truyền dẫn hướng lờn và xuống cho toàn bộ cỏc phần khỏc của modem cỏp điều hưởng này sẽ được tớch hợp với bộ phối hợp thành một bộ điều hưởng chuyển đổi kộp( dual-conversion) và bộ xử lý tớn hiệu số để giải điều chế cỏc tớn hiệu 64 và 256 QAM. Đầu ra sẽ là một tớn hiệu trung tần( IF) 44 MHz được đưa đến đầu vào của bộ chuyển đổi ADC để giải điều chế và sửa lỗi. Bộ điều khiển truy nhập phương tiện( MAC) khi đú sẽ tỏch cỏc dữ liệu và gửi chỳng đến cỏc thiết bị thuờ bao qua giao diện USB hoặc qua giao diện Ethernet.
Bộ điều hưởng cũng bao gồm một bộ khuếch đại đường truyền do MAC điều khiển. Bộ khuếch đại đường truyền này sẽ gửi cỏc tớn hiệu đường lờn ở mức độ mà modem cỏp và bộ phõn phối trung tõm thoả thuận.
Bộ
điều hưởng
Bộ giải điều chế
Hiệu chỉnh lỗi Bộtruy nhđiều khiập ển USB-Ethernet Giao diện
Bộđiều chế burst
Theo tiờu chuẩn DOCSIS dựng ở Bắc Mỹ: Lưu lượng đường xuống được điều chế 64/256 QAM và cú thể nằm trong bất kỳ kờnh 6 MHz thuộc băng tần 50- 860 MHz. Phương thức điều chế 64-QAM phỏt với tốc độ 5,056941Msym/s hoặc 30,341646 Mb/s và 256 QAM phỏt với tốc độ 5,360537Msym/s hoặc 42,884296 Mb/s. Để cỏc dịch vụ số liệu cú thể tương thớch với với cỏc dịch vụ truyền hỡnh số, DOCSIS đặc tả cỏc khung chuyển giao MPEG như một giao thức chuyển khung: Đú là cỏc gúi dữ liệu được đặt trong phần tải của cỏc khung MPEG-2. Điều này cho phộp dữ liệu và tớn hiệu Video được ghộp vào một kờnh chung 6 MHz. Đan xen được ỏp dụng đối với cỏc kờnh đường lờn.
Trong khi đường xuống hoạt động trong cỏc kờnh 6 MHz thỡ đường lờn DOCSIS thay đổi tựy theo băng thụng. Tần số trung tõm được đặt với độ chớnh xỏc 32 kHz. Kờnh đường lờn cú thể là điều chế QPSK hoặc 16 QAM qua một trong 5 dải băng lựa chọn. Độ rộng băng chung nhất là 800 kHz và 1,6 MHz với điều chế QPSK. Khi nhiễu gia tăng trong cỏc thiết bị cỏp, dựng 16 QAM sẽ tốt hơn. Tốc độ đường lờn lớn nhất là 10,24 Mb/s.
Modem cỏp DOCSIS của chõu Âu cú một số đặc điểm sửa đổi so với chuẩn của Bắc Mỹ:
- Kờnh cú độ rộng 8 MHz.
- Tần số trung tần chuẩn của chõu Âu là 37 MHz thay vỡ 45 MHz. - Băng tần đường lờn lờn tới 65 MHz thay cho 42 MHz.
Cấu trỳc phõn lớp của modem cỏp gồm 3 lớp:
- Lớp vật lý (Physical layer- PHY)
- Lớp MAC (Medium access control layer) - Cỏc lớp trờn
+ Lớp vật lý:
Chuẩn giao thức DOCSIS định nghĩa thủ tục và những yờu cầu cho truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao giữa modem cỏp và CMTS qua mạng HFC. Lớp vật lý được chia thành 2 lớp con sau :
Lớp con PMD đường xuống định nghĩa cỏc thụng số truyền dẫn của cả modem cỏp và CMTS. Cỏc thụng số truyền dẫn PMD được định nghĩa phự hợp với khuyến nghị J83 phụ lục B dành cho cỏc ứng dụng Video độ trễ thấp. Cỏc thụng số RF đường xuống đó được thảo luận trong modem QAM do vậy khụng lặp lại ở đõy.
Lớp con PMD đường lờn định rừ sử dụng cỏc phương phỏp truy nhập FDMA
và TDMA với 2 kiểu điều chế QPSK và 16 QAM làm việc ở cỏc tốc độ ký hiệu và băng tần kờnh khỏc nhau.
Lớp con hội tụ truyền dẫn TC: Mục đớch của lớp con TC là cung cấp một giao diện chung giữa lớp PMD và MAC để sau đú ghộp/tỏch kờnh MPEG trong lớp PMD. Luồng bớt xuống được định nghĩa là luồng cỏc gúi MPEG liờn tục 188 byte.
Hỡnh I.21. Cấu trỳc phõn lớp của modem cỏp.
MPEG header xỏc định nội dung tải MPEG là chứa tải DOCSIS MAC hay
tải Video số.
Trường hợp phần tải MPEG của cỏc gúi MPEG chứa cỏc khung DOCSIS MAC. Byte đầu tiờn sau MPEG header là trường con trỏ sẽ cú nếu bớt chỉ thị khối bắt đầu tải PUSI (Payload-Unit-Start-Indicator) trong MPEG header được lập. Trường con trỏ chỉ ra số byte trong gúi được phỏt mà khối giải mó trong modem cỏp khụng xử lý ngay sau trường con trỏ, đến bắt đầu khung DOCSIS MAC. Trường con trỏ cũng chỉ rừ cỏc byte độn theo sau khung MAC đú. Cỏc byte độn được dựng
Headend MAC Station MAC
Upstream Downstream PHY PHY Upstream Dowmstream PHY PHY Downstream Channel 450-750 MHz Upstream Channel 5-45 MHz
ATM LLC Other ATM LLC
MAC Layer
PHY Layer
trong tải DOCSIS để điền đầy những khoảng trống giữa cỏc khung DOCSIS MAC kề nhau. Chỳ ý rằng khung MAC cú thể bắt đầu bất kỳ vị trớ nào trong gúi MPEG và nhiều khung MAC cú thể trong một gúi MPEG. Cỏc khung MAC cú thể liờn tiếp nhau hoặc cú thể bị ngăn cỏch bởi cỏc byte độn. Nếu dựng một khung MAC dài nú cú thể được chứa trong nhiều gúi MPEG.
Tốc độ ký hiệu đường lờn Độ rộng băng tần kờnh đường lờn 160 kbaud 200 kHz 320 kbaud 400 kHz 640 kbaud 800 kHz 1,28 Mbaud 1,6 MHz 2,56 Mbaud 3,2 MHz
Bảng I.7. Cỏc tốc độ ký hiệu khỏc nhau cựng với độ rộng băng tương ứng
MPEG TC header (4 byte ) Trường con trỏ (1 byte ) Tải DOCSIS (183/184 byte )
Hỡnh I.22. Cấu trỳc của gúi MPEG chứa dữ liệu DOCSIS.
+ Lớp MAC:
Lớp MAC trong giao thức chuẩn DOCSIS 1.1 định nghĩa cỏc thủ tục và thụng số trong đú modem cỏp cú thể tương tỏc với CMTS để hỗ trợ cỏc dịch vụ khỏc nhau cho cả đường lờn và đường xuống. Cỏc vấn đề cơ bản của lớp giao thức MAC:
- Điều khiển cấp phỏt băng tần đường lờn bởi CMTS - Điều khiển tranh chấp và hạn chế phỏt đường lờn .
- Sử dụng hiệu quả băng tần bởi hỗ trợ cỏc gúi độ dài thay đổi - Mở rộng cung cấp bảo an tại lớp liờn kết dữ liệu .
- Hỗ trợ khoảng rộng cỏc tốc độ dữ liệu
PMD mào đầu MAC header Dữ liệu PDU
MPEG TC Khung MAC
Hỡnh I.23. Cấu trỳc khung MAC theo giao thức DOCSIS
Hỡnh I.23 là cấu trỳc khung tổng quỏt của khung MAC. Phần đầu khung MAC cú thể là :
- PMD mào đầu: Dựng cho truyền dẫn đường lờn. - MPEG TC header: Dựng cho truyền dẫn đường xuống.
Khung MAC gồm :
- MAC header: Xỏc định nội dung khung MAC, bao gồm cả dữ liệu PDU trong khung MAC.
- Đơn vị dữ liệu (PDU) độ dài thay đổi tựy chọn
Cú 4 loại dữ liệu PDU được hỗ trợ :
• Cỏc gúi cú độ dài thay đổi (18-1518 byte )
• Cỏc gúi ATM (nx53 byte )
• Header đặc biệt (Khụng chứa PDU nào)
• PDU dự trữ cho tương lai
Hoạt động giao thức lớp MAC
Bởi vỡ chỉ cú một nguồn dữ liệu đơn đường xuống nờn dữ liệu được phỏt theo chế độ quảng bỏ từ headend tới một hoặc nhiều thuờ bao. Đường lờn thường cú nhiều khỏch hàng yờu cầu sử dụng băng tần đường lờn đồng thời do đú cần cú phương phỏp phõn định băng tần đường lờn. Phương phỏp phõn định băng tần này đú là giao thức MAC. Giả sử nếu cú 2 thuờ bao quyết định phỏt cựng một lỳc, luồng bit của họ sẽ xung đột làm cho cả 2 luồng truyền dẫn sẽ khụng thể được giải mó khi
chỳng tới headend. Phải cú phương phỏp quyết định thuờ bao nào được phỏt trước và phỏt bao nhiờu lõu rồi nhường truyền dẫn đường lờn cho những thuờ bao khỏc.
+ Mục đớch của giao thức MAC:
- Hỗ trợ nhiều nhất số thuờ bao cú thể được - Giảm thiểu độ kộm tin cậy khi truyền dữ liệu
- Tạo quyền bỡnh đẳng để tất cả cỏc thuờ bao cú quyền truy nhập - Đạt được hiệu suất sử dụng băng tần đường lờn cao nhất. - Hỗ trợ nhiều lớp dịch vụ.
Giao thức DOCSIS khụng sử dụng những kỹ thuật giải quyết xung đột trong mạng LAN như Ethernet hay Token Ring mà lựa chọn phương phỏp cấp phỏt token
được dựng rộng rói trong cỏc mạng LAN của hệ thống modem cỏp. CMTS gửi token tới modem của thuờ bao, trao quyền truy nhập cho cỏc modem này trong một khoảng thời gian cụ thể. Hết thời hạn này modem cỏp phải dừng truyền. CMTS điều khiển lượng dữ liệu phỏt theo từng yờu cầu.
Cỏc token phải đảm bảo rằng CMTS phải cung cấp quyền truy nhập cho thuờ bao đủ nhanh để giữ cho băng tần được dựng hiệu suất cao. Nếu quyền truy nhập từ headend đến thuờ bao quỏ chậm, modem thuờ bao sẽ dừng truyền, kết quả là đường lờn được dựng khụng đỳng mức. Bởi vỡ đường lờn chứa cỏc bỏo nhận cho phộp phỏt lưu lượng đường xuống nờn đường xuống cũng cú thể được dựng với hiệu suất rất thấp.
Khi cỏc TBĐC thuờ bao xung đột, chỳng khụng tự nhận biết được trừ khi được headend thụng bỏo. Headend sẽ phỏt hiện xung đột và thụng bỏo cho cỏc modem cú xuất hiện xung đột. Khi được thụng bỏo, modem cỏp thực hiện thoỏt (backoff) và thử vào lại.
Ngoài thực hiện trao đổi dữ liệu thụng thường, cỏc hoạt động liờn tục yờu cầu điều khiển cụng suất. Một số chức năng quản lý của MAC:
- Điều khiển cụng suất: Headend liờn tục giỏm sỏt mức cụng suất của mỗi modem cỏp và ra lệnh cho chỳng tăng hoặc giảm mức phỏt khi cần thiết.
Thay đổi cỏc thụng sốđường lờn: Nếu đường lờn hoạt động tốt, headend cú
thể chọn cỏch tăng sử dụng đường lờn. Vớ dụ headend cú thể ra lệnh cho modem cỏp tăng tốc độ ký hiệu.