CÔNG NGHỆ MẠNG HFC
Tổng quang mạng HFC
HFC (Hybrid Fiber Coaxial) là một mạng băng rộng kết hợp giữa cáp quang và cáp đồng trục, trong đó tín hiệu được truyền từ trung tâm đến các node quang bằng cáp quang, và từ các node quang đến thuê bao bằng cáp đồng trục Kể từ đầu những năm 1990, HFC đã trở thành lựa chọn phổ biến cho các nhà khai thác truyền hình cáp trên toàn cầu.
1.2 Nguyên nhân ra đời mạng HFC
Mạng cáp truyền hình truyền thống sử dụng thiết bị điện và cáp đồng trục cùng với các bộ khuếch đại, dẫn đến chất lượng tín hiệu và bán kính phục vụ thấp Điều này không đáp ứng được nhu cầu của người xem về chất lượng hình ảnh và các dịch vụ đi kèm.
Mạng HFC giải quyết nhược điểm bằng cách kết nối cáp quang từ trung tâm đến nhiều điểm phân phối quang Tại các điểm này, tín hiệu quang được chuyển đổi thành tín hiệu điện, sau đó sử dụng cáp đồng trục để kết nối đến các thuê bao khác Những ưu điểm nổi bật của HFC bao gồm khả năng cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao và băng thông rộng.
+ 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
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, có nhiệm vụ truyền tín hiệu từ headend đến các khu vực xa Các Hub sơ cấp thu/phát quang từ/đến các node quang và chuyển tiếp tín hiệu quang tới các Hub khác Trong khi đó, mạng phân phối tín hiệu bao gồm hệ thống cáp quang, các Hub thứ cấp và các node quang, nơi tín hiệu quang từ các Hub được chuyển thành tín hiệu điện tại các node quang để đến tay thuê bao Đối với mạng 2 chiều, tín hiệu từ mạng truy nhập được thu tại node quang và chuyển thành tín hiệu quang để gửi về Hub đến headend.
Mạng truy nhập sử dụng hệ thống cáp đồng trục và thiết bị thu phát cao tần để truyền tải tín hiệu RF giữa node quang và thiết bị thuê bao Bán kính phục vụ tối đa của mạng con truy nhập thường khoảng 300m.
2.2 Ưu và nhược điểm của mạng HFC:
Mạng HFC sử dụng cáp quang để truyền tín hiệu, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như dải thông cực lớn, suy hao tín hiệu rất thấp và khả năng chống nhiễu điện từ Cáp quang hiện đại cho phép truyền tín hiệu với tần số lên tới hàng trăm THz, đáp ứng mọi yêu cầu về dải thông mà các phương tiện truyền dẫn khác không thể sánh kịp.
Tín hiệu quang truyền qua sợi quang hiện nay chủ yếu nằm trong hai cửa sổ bước sóng 1310 nm và 1550 nm, với suy hao tín hiệu rất thấp: 0,3 dB/km ở 1310 nm và 0,2 dB/km ở 1550 nm Trong khi đó, sợi cáp đồng trục có suy hao thấp nhất vẫn đạt 43 dB/km tại tần số 1 GHz.
Tín hiệu truyền qua sợi cáp quang không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ từ môi trường, giúp duy trì chất lượng tín hiệu ổn định Hơn nữa, các sợi quang được làm từ vật liệu không bị ăn mòn hóa học, đảm bảo tuổi thọ cao cho hệ thống.
Mạng HFC thụ động (HFPC) có khả năng dự phòng hiệu quả khi sợi quang bị đứt, giúp duy trì tính ổn định của mạng Trước đây, các mạng con truy nhập thường sử dụng thiết bị tích cực như bộ khuếch đại tín hiệu để bù suy hao cáp, nhưng điều này làm giảm độ ổn định khi cung cấp dịch vụ 2 chiều Việc chuyển sang sử dụng các thiết bị cao tần thụ động trong mạng HFC không chỉ cải thiện độ tin cậy mà còn mang lại nhiều ưu điểm vượt trội cho hệ thống.
Chất lượng tín hiệu được cải thiện đáng kể nhờ việc sử dụng hoàn toàn các thiết bị thụ động mà không cần đến bộ khuếch đại tín hiệu, giúp tín hiệu đến tay thuê bao không bị ảnh hưởng bởi nhiễu tích tụ từ các bộ khuếch đại.
Sự cố mạng sẽ giảm đáng kể, góp phần nâng cao độ ổn định và chất lượng dịch vụ của mạng truyền hình cáp Nguyên nhân chính của các trục trặc thường xuất phát từ các bộ khuếch đại và thiết bị ghép nguồn.
- 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.
Việc sử dụng hoàn toàn các thiết bị thụ động giúp giảm đáng kể chi phí cho việc cấp nguồn, bảo dưỡng, thay thế và sửa chữa các thiết bị tích cực, từ đó làm giảm chi phí vận hành mạng.
Việc sử dụng mạng đồng trục thụ động làm giảm số lượng thuê bao tại một node quang, từ đó tăng dung lượng đường truyền cho tín hiệu hướng lên, giúp cung cấp dịch vụ 2 chiều tốc độ cao hiệu quả hơn Tuy nhiên, mạng truy nhập cáp đồng trục thụ động HFPC cũng tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý.
Do không có bộ khuếch đại tín hiệu cao tần, tín hiệu trên cáp sẽ bị suy hao mà không được bù đắp, dẫn đến việc giảm đáng kể bán kính phục vụ của mạng.
Việc kéo cáp đồng trục đi xa sẽ làm giảm số lượng thuê bao mà một node quang có thể phục vụ Để đảm bảo phục vụ được số lượng thuê bao lớn tương tự như khi sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu, cần kéo cáp quang gần hơn với các thuê bao và tăng số lượng node quang, điều này sẽ dẫn đến chi phí mạng tăng cao.
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 như VTV1, VTV2, VTV3 được thu qua anten VHF, với mỗi kênh truyền hình sử dụng một anten riêng biệt Tín hiệu thu được từ anten sẽ được chuyển đổi từ tín hiệu cao tần RF thành tín hiệu trung tần IF qua khối chuyển đổi Tín hiệu này bao gồm cả kênh cần thu và các kênh khác không mong muốn Để lọc ra kênh cần thiết, tín hiệu trung tần được đưa qua bộ lọc trung tần, được điều chỉnh để chỉ thu một kênh duy nhất, chẳng hạn như VTV3 Cuối cùng, tín hiệu trung tần này sẽ được chuyển đổi lên tần số RF qua bộ chuyển đổi IF/RF để hoàn thiện quá trình thu sóng truyền hình.
RF hoạt động trong dải tần đường xuống của mạng CATV Tín hiệu RF này sau đó được kết hợp với các kênh tín hiệu khác thông qua bộ kết hợp 16:1, sử dụng phương pháp ghép kênh theo tần số (FDM: Frequency Division Multiplexing).
Tín hiệu vệ tinh thu qua anten parabol bao gồm nhiều kênh truyền hình ghép lại, được tách ra thành các kênh độc lập nhờ bộ chia vệ tinh Những kênh này sau đó được chuyển đổi từ tần số cao thành tần số thấp qua bộ thu vệ tinh (downconverter), tạo ra tín hiệu A/V Tuy nhiên, tín hiệu này chưa phải là tín hiệu CATV cần thiết, nên nó được chuyển đổi thành tín hiệu IF Tín hiệu IF này vẫn là sự kết hợp của nhiều kênh và để lấy ra một kênh cụ thể, chúng được lọc qua bộ lọc trung tần Tiếp theo, các kênh này được đưa vào bộ chuyển đổi IF/RF để tạo ra tín hiệu RF trong dải tần CATV Cuối cùng, tín hiệu RF được ghép kênh qua combiner 16:1 với các kênh truyền hình khác, cho ra tín hiệu RF đã ghép kênh, sẵn sàng để truyền đi xa và theo nhiều hướng khác nhau đến máy thu hình của thuê bao.
Tín hiệu được đưa vào bộ khuếch đại để tăng cường độ, sau đó được chia ra bằng bộ chia tín hiệu cao tần (ISV hoặc IS) Mỗi đường tín hiệu sau khi chia sẽ được chuyển vào máy phát quang, nơi tín hiệu RF được chuyển đổi thành tín hiệu quang và ghép vào sợi quang, từ đó 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 đổi thành tín hiệu cao tần (RF) thông qua đi ốt quang điện vào bộ khuếch đại, sau đó tín hiệu RF được chia thành hai hướng vào hai khối tương tự nhau Tại đây, tín hiệu được khôi phục và khuếch đại, tiếp tục được chia vào bộ khuếch đại công suất trước khi ra cổng Tín hiệu hướng xuống sẽ đi qua khối Diplexer ra cổng H, trong khi tín hiệu cao tần hướng lên từ phía thuê bao sẽ đi qua cổng L vào khối Combiner, nơi kết hợp với tín hiệu từ các cổng khác qua bộ lọc Bộ lọc sẽ lấy tín hiệu trong băng tần hướng lên (5 MHz÷65MHz), sau đó khuếch đại và chuyển vào khối phát quang Cuối cùng, tín hiệu cao tần (RF) được chuyển thành tín hiệu quang qua đi ốt điện quang để truyền về trung tâm qua các sợi cáp hướng lên.
Node quang có chức năng chính là chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu cao tần (RF) và ngược lại, đồng thời khuếch đại và căn chỉnh tín hiệu tương tự như tại máy phát Khi truyền tín hiệu qua sợi quang, đặc biệt là sợi đơn mode, tín hiệu dễ bị suy hao và giãn nở do hiện tượng tán sắc, dẫn đến suy giảm chất lượng tín hiệu Do đó, việc cân chỉnh và khuếch đại tín hiệu là cần thiết Tín hiệu vào của node quang thường nằm trong khoảng -2.5dBm đến +2dBm, trong khi tín hiệu ra đạt khoảng 108dBμV Khoảng bước sóng hoạt động của node quang từ 1270 đến 1550nm, trong đó truyền hình cáp thường sử dụng cửa sổ quang 1310nm để giảm thiểu suy hao trên sợi quang.
3.2 Công nghệ truyền dẫn đồng trục trong mạng HFC:
Cáp đồng trục là loại cáp phổ biến được sử dụng để phân phối tín hiệu cho các chương trình truyền hình Hình 2.11 minh họa cấu trúc của cáp đồng trục trong hệ thống 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 đóng vai trò quan trọng trong việc bù lại suy giảm tín hiệu trong hệ thống mạng Mỗi bộ khuếch đại được trang bị bộ ổn định để điều chỉnh suy giảm ở các tần số khác nhau Trong mạng CATV HFC, có ba loại bộ khuếch đại dựa trên vị trí của chúng trong mạng đồng trục Bộ khuếch đại trung kế được lắp đặt tại điểm có mức suy hao từ 20 đến 22dB so với bộ khuếch đại trước, với mức đầu ra thường dao động từ 30 đến 36dBmV.
Hình 1.7: Sơ đồ khối đơn giản của bộ khuếch đại trung kế b) Bộ khuếch đại fiđơ
Thiết bị này không chỉ có chức năng phát tín hiệu Video tới các bộ khuếch đại trung kế mà còn chia sẻ tín hiệu đến nhiều cáp fidơ khác nhau, thường là 4 cáp Mức tín hiệu đầu ra thường dao động từ 40 đến 50 dBmV, cao hơn 12 dB 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 lý tưởng giữa các bộ khuếch đại đường dây là từ 120m đến 130m, nên đặt gần khu vực thuê bao để tối ưu hóa hiệu suất Để giảm thiểu méo phi tuyến trong tín hiệu video và duy trì sự đồng đều trên toàn dải tần, chỉ nên sử dụng từ 2 đến 4 bộ khuếch đại, tùy thuộc vào số lượng bộ trích tín hiệu (Tap) được lắp đặt giữa các bộ khuếch đại.
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)
Thiết bị này hoạt động trên mạng cáp đồng trục của hệ thống, có chức năng chia tín hiệu theo một chiều, với các cổng ra được quy định theo tiêu chuẩn CATV Các loại thiết bị bao gồm DC-8, DC-12 và DC-16.
Bộ chia tín hiệu nhiều đường ra – Multi Taps
Tap là thiết bị dùng để phân chia tín hiệu từ mạng cáp đến các thuê bao, tuân theo các tiêu chuẩn của CATV Một Tap điển hình bao gồm một khối ghép định hướng RF và các khối chia công suất, đảm bảo hiệu suất truyền tải tín hiệu ổn định.
Hình 1.10: Sơ đồ khối đơn giản của Tap 4 đường suy hao 20 dB Đầu nối cáp – Connectors
Thiết bị này hoạt động trên mạng cáp đồng trục, giúp kết nối các loại cáp đồng trục với các thiết bị như khuyếch đại, Spilitler, DC, và Multi Taps Nó bao gồm nhiều loại khác nhau, tương thích với nhiều 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 truyền video qua mạng HFC vẫn được sử dụng phổ biến hiện nay là điều chế các kênh TV tương tự tiêu chuẩn, tương tự như cách truyền dẫn các kênh truyền hình quảng bá Tiêu chuẩn IEEE 802.14, được hình thành vào tháng 11 năm 1994, nhằm 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 hoạt động với tốc độ 5,12 Msymbols/giây cho chiều xuống và một kỹ thuật điều chế với tốc độ 1,28 Msymbols/giây cho chiều lên Tổng cộng, năm kỹ thuật điều chế này mang lại tốc độ bit đa dạng cho việc truyền tải dữ liệu.
- 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 DOCSIS bao gồm CMTS, modem cáp, nút sợi quang (FN) và bộ kết hợp RF CMTS là máy chủ của giao thức DOCSIS, trong khi modem cáp là thiết bị đầu cuối kết nối khách hàng với mạng DOCSIS CMTS và modem cáp được kết nối thông qua mạng HFC.
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 từ CM được quản lý bởi CMTS, bao gồm giao diện với mạng dữ liệu MSO, các card đường truyền cho giao tiếp DOCSIS với HFC, một chuyển mạch gói, và các giao diện với hệ thống quản lý khác Mạng dữ liệu MSO sử dụng Ethernet cho cáp phân lớp thấp hơn, với giao tiếp mạng hiện tại là GE, dự kiến sẽ nâng cấp lên 10GE Để bảo vệ các khối thiết bị trước sự cố giao tiếp mạng, các thuê bao sẽ được đảm bảo an toàn.
Hình 2.2:Mô tả mạng truy nhập DOCSIS
CMTS sử dụng chuyển mạch Ethernet để định tuyến gói dữ liệu giữa mạng và kết nối HFC Các khối chuyển mạch này thường được cấu hình dự phòng nhằm bảo đảm an toàn trong trường hợp xảy ra sự cố thiết bị.
Các khối đường truyền CMTS đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối với mạng HFC, chịu trách nhiệm gửi và nhận tín hiệu RF qua giao tiếp đồng trục Trong hướng xuống, tín hiệu RF được phát đi để phục vụ nhiều FN, trong khi hướng lên, mỗi FN thường sử dụng sợi quang riêng để kết nối với CMTS, nhằm tối ưu hóa băng thông Các khối đường truyền được bảo vệ theo kiểu 1:n, sử dụng giá chuyển mạch bên ngoài để kết nối đồng trục RF tới nhiều khối đường truyền hoạt động hoặc một khối bảo vệ, với việc điều khiển từ CMTS.
CMTS là việc với bộ điều khiển truy nhập bảo mật để xác định dịch vụ vào mà một
CM có khả năng thu từ MSO, cho phép thuê bao di chuyển đến bất kỳ vị trí nào do MSO đó cung cấp và nhận các dịch vụ tương ứng Tính năng này nổi bật của DOCSIS, khác biệt với thiết bị DSL hoặc PON tại nhà khách hàng, vốn bị gắn liền với một vị trí cố định hơn là một thuê bao.
CMTS 3.0 giới thiệu mô hình M-CMTS, phân chia các chức năng của CMTS thành những module thiết bị riêng biệt Mỗi module được lắp đặt trong giá riêng của nó, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho các chức năng như giao tiếp RF, định tuyến, tạo dung lượng và đồng bộ hóa.
Việc tách biệt xử lý tín hiệu luồng xuống trong một module riêng biệt giúp giảm số lượng thiết bị QAM cần thiết cho các tín hiệu dữ liệu nhanh, từ đó giảm chi phí thiết bị đáng kể Một module EQAM riêng biệt cũng cho phép chia sẻ băng thông HFC hiệu quả giữa các dịch vụ MPEG-TS và DOCSIS.
CM cung cấp kết nối cuối cho giao thức DOSIS, điều chế tín hiệu RF trong chiều xuống, nhận dạng và chuyển đổi các gói tin thành tín hiệu giao diện thuê bao Nó cũng xử lý VoIP và cung cấp giao diện điện thoại cho thuê bao Tín hiệu từ CM được truyền đến bộ giải mã STB Trong chiều lên, CM tham gia vào giao thức MAC DOCSIS để thu băng thông, thực hiện ghép kênh gói tin và phát dữ liệu lên bằng cách điều chế 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 dịch vụ cho thuê bao, trong khi các lớp cao hơn của ngăn xếp giao thức đảm bảo chức năng OAM&P và duy trì SLA cho các luồng dữ liệu của khách hàng.
Trong hướng xuống, chức năng O/E (Chuyển đổi Quang - điện) được thực hiện để phát tín hiệu qua cáp đồng trục Ngược lại, trong hướng lên, FN tách các tín hiệu RF từ các thuê bao và thực hiện chức năng E/O để gửi 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 tập hợp các giao thức, với mỗi phiên bản phát hành mới thường bổ sung thêm các chức năng mới Các tính năng chính được cải tiến và tóm tắt trong các phiên bản phát hành này.
Một trong những yếu tố quan trọng của mỗi phiên bản DOCSIS là khả năng tương thích ngược giữa các thiết bị như CMTS và CM Chẳng hạn, một CMTS hỗ trợ DOCSIS 2.0 có thể giao tiếp hiệu quả với một CM chỉ hỗ trợ phiên bản 1.0 và ngược lại.
Được phát hành vào tháng 3 năm 1997, tài liệu này xác định các đặc tính tối thiểu cần thiết để hỗ trợ truy cập internet băng rộng Nó định nghĩa giao thức cung cấp tiêu chuẩn dựa trên DHCP và TFTP, đồng thời mô tả giao thức quản lý mạng xây dựng trên SNMP.
DOCSIS 1.1, được phát hành vào tháng 4 năm 1999, đã cải thiện nhiều khả năng quan trọng như đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS), tự động tạo và xóa dịch vụ Ngoài ra, nó còn nâng cao hiệu suất băng thông ở lớp MAC, tăng cường bảo mật, hỗ trợ khả năng thay đổi kênh động, multicast, và cung cấp các tính năng quản lý thuê bao, tài khoản cũng như quản lý lỗi hiệu quả.
DOCSIC 2.0, được phát hành vào tháng 12 năm 2001, đã giới thiệu nhiều tính năng mới cho lớp MAC và vật lý Phiên bản này hỗ trợ hai chế độ hoạt động khác nhau cho các kênh hướng lên là A-TDMA và S-CDMA Nó cũng cải tiến MAC bằng cách sử dụng khái niệm kênh logic có thể hoạt động trên cùng một kênh vật lý, đồng thời cung cấp khả năng cân bằng tải tự động để điều khiển sự thay đổi kênh động ở cả hai hướng lên và xuống.
DOCSIS 3.0, phát hành vào tháng 8 năm 2006, đã bổ sung nhiều tính năng mới, bao gồm khả năng liên kết các kênh vật lý để tạo ra các kênh logic với băng thông lớn hơn, đồng thời hỗ trợ cân bằng tải tự động cho nhóm kênh liên kết Phiên bản này cũng hỗ trợ IPv6 và cung cấp mã hóa lưu lượng mạnh mẽ hơn với AES 128 bit, cùng với khả năng IP multicast để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS).
DOCSIS 3.1, được phát hành lần đầu vào tháng 10 năm 2013 và đã trải qua nhiều bản cập nhật, hỗ trợ tốc độ lên đến 10 Gbit/s cho kết nối xuôi dòng và 1 Gbit/s cho kết nối ngược dòng nhờ vào công nghệ 4096 QAM Tiêu chuẩn mới này loại bỏ khoảng cách kênh rộng 6 MHz và 8 MHz, thay vào đó áp dụng sóng mang con phân chia theo tần số trực giao (OFDM) với băng thông hẹp hơn, từ 25 kHz đến 50 kHz, cho phép liên kết trong một phổ khối rộng khoảng 200 MHz.
DOCSIS 4.0 là phiên bản cải tiến của DOCSIS 3.1, cho phép sử dụng toàn bộ phổ tần của mạng cáp từ 0 MHz đến khoảng 1,8 GHz, cả trong hướng lên và hướng xuống Công nghệ này hỗ trợ cung cấp các dịch vụ đối xứng đa gigabit, đồng thời vẫn đảm bảo tính tương thích ngược với DOCSIS 3.1 CableLabs đã công bố thông số kỹ thuật chi tiết vào tháng 10 năm 2017.
Lớp vật lý DOCSIC
Băng tần phổ điển hình cho tín hiệu video tương tự bắt đầu từ khoảng 54 MHz Dưới tần số này, các suy giảm do tạp âm trở nên quá lớn, ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn video tương tự.
Băng tần 5 - 42 MHz đủ mạnh cho các định dạng điều chế số, được chọn cho truyền dẫn DOCSIS hướng lên Sự tăng cường này bổ sung các kênh tần số mới cao hơn, hỗ trợ các tín hiệu số, bao gồm 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 Ở khu vực Bắc Mỹ, các MSO tuân thủ tiêu chuẩn ITU-T J.83-B, trong khi các MSO châu Âu áp dụng tiêu chuẩn truyền hình kỹ thuật số DVB.
Cả hai vùng đều áp dụng mã sửa lỗi FEC, tuy nhiên mỗi vùng đã chọn một loại FEC khác nhau FEC giúp cải thiện tỉ số tín hiệu trên tạp âm hiệu dụng của kênh, cho phép tăng tốc dữ liệu vượt qua băng tần mà FEC tiêu tốn Châu Âu sử dụng RS(204,188) với khả năng sửa lỗi tốt hơn so với RS(128,122) của Bắc Mỹ, mặc dù bộ giả mã của Bắc Mỹ phức tạp hơn và 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, tạo ra giao diện giữa MAC và phân lớp phụ thuộc môi trường vật lý (PMD) Phân lớp TC cho phép tách ghép video và dữ liệu DOCSIS trên phân lớp PMD Tín hiệu TC hướng xuống được truyền dưới dạng luồng liên tục các gói MPEG dài 188 byte, bao gồm 4 byte tiêu đề MPEG để nhận dạng khung và tải trọng Video MPEG hoặc tải trọng của MAC DOCSIS.
Khi các gói MPEG được truyền qua mạng dữ liệu DOCSIS, tải trọng của DOCSIS sẽ chiếm một phần trong gói MPEG Một khung MAC DOCSIS có thể bắt đầu tại bất kỳ vị trí nào trong gói MPEG Mỗi gói MPEG có khả năng chứa một khung MAC DOCSIS đơn, lấp đầy phần còn lại của vùng tải MPEG, hoặc có thể bao gồm một phần khung MAC DOCSIS hoặc được kết nối với nhau.
Nó cũng có thể cho độ dài khung MAC DOCSIS vượt quá chiều dài của tải trọng MPEG.
Pointer _filed cung cấp thông tin cho CM về số byte cần bỏ qua trước khi bắt đầu khung MAC DOCSIS, đồng thời chỉ ra sự tồn tại của các byte độn trong khung DOCSIS DOCSIS sử dụng các byte độn với toàn bộ bit 1 để lấp đầy khoảng trống giữa các khung MAC DOCSIS liền kề.
3.2 Truyền Dẫn DOCSIS hướng lên:
Các kênh hướng lên được tổ chức trong băng tần 5 - 42 MHz, với bộ phát hướng lên hỗ trợ các chế độ A-TDMA và S-CDMA Hệ thống sử dụng bộ trộn với đa thức trộn g(x) = x^15 + x^14 + 1 để đảm bảo hiệu suất truyền tải tối ưu.
Dải rộng các tùy chọn kiểu điều chế giúp xử lý hiệu quả nhiễu lớn trong phổ tần hướng lên Việc trộn tín hiệu hướng lên cho phép cân bằng xác suất cho tất cả các điểm chòm sao của tín hiệu này.
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
Dải mã Fec Reed-Solomon được thiết lập cho tín hiệu hướng lên, với kích thước khối mã và tỷ lệ bit dữ liệu trên bit kiểm tra lỗi phụ thuộc vào các đặc tính và suy giảm của kênh DOCSIS 2.0 tích hợp tùy chọn điều chế mã lưới TCM nhằm nâng cao khả năng chống lỗi Với mã lớn n/n+1, số lượng bit được mã hóa thành ký hiệu phát tăng gấp đôi, đồng thời cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm bằng cách kiểm tra nhiều ký hiệu nối tiếp để xác định chuỗi ký hiệu tối ưu Dải tốc độ dữ liệu hướng lên cho mỗi kênh trong mạng HFC dao động từ 110 Kbit/s đến 30,72 Mbit/s.
CM có thể áp dụng một độ dài cố định cho tất cả các từ mã FEC hướng lên, hoặc sử dụng một từ mã rút gọn cho từ mã cuối của burst tin, dựa trên tham số k trong bảng Số lượng byte thông tin tối thiểu trong từ mã là 16, và cần có 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 nhằm hỗ trợ khôi phục các burst dữ liệu hướng lên và tối ưu hóa băng thông hướng lên Việc định thời truyền dẫn ký hiệu hướng lên của các CM được CMTS phối hợp dựa trên quá trình đồng bộ hóa và thông tin về khoảng cách giữa CM và CMTS.
3.3.1 Quá trình đồng bộ hóa
Các khối cơ bản của quá trình đồng bộ hóa giữa CM và CMTS được thể hiện trong hình 2-10 CMTS đóng vai trò là nguồn đồng bộ chính cho mạng, kết hợp với các CM đã được đồng bộ và tín hiệu định thời từ tín hiệu hướng xuống Quá trình này tuân thủ các quy định của ITU-T J.83 trong các phụ lục A, B và C Đồng hồ chủ của CMTS hoạt động ở tần số 10,24 MHz, và tốc độ ký hiệu của nó được đồng bộ hóa Mối quan hệ giữa đồng hồ và chu kỳ ký hiệu được xác định thông qua tỷ lệ M và N, trong đó M và N là các số nguyên 16 bit được chỉ định bởi các tham số TLV trong bản tin UCD.
Hình 2.10 Sơ đồ khối đồng bộ DOCSIS
Mỗi CM duy trì một bộ đếm nhãn thời gian cục bộ được khởi tạo bởi bản tin SYNC từ CMTS, sử dụng để cung cấp thông tin độ lệch định thời qua cơ chế ranging Bộ đếm nhãn thời gian DOCSIS cho ranging tương tự như cơ chế của EPON, với nhãn thời gian là bộ đếm 32 bit chạy bởi đồng hồ 10,24 MHz ±5 ppm 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 phản ánh giá trị bộ đếm tại một thời điểm cố định, tương ứng với thời điểm byte đầu tiên của bản tin quản lý.
MAC đồng bộ hóa thời gian được truyền từ phân lớp hội tụ truyền dẫn xuống phân lớp phụ thuộc môi trường vật lý, với thời gian lệch có thể là 0 hoặc một giá trị cố định Tất cả các thành phần trong phân lớp PHY được đồng bộ hóa với giá trị nhãn thời gian MAC thông qua một xung đồng bộ hóa khung Tại mỗi đường giới hạn khung, PHY nhanh chóng bắt được nhãn thời gian để chuẩn bị cho quá trình truyền dẫn trong một UCP.
