CÔNG NGHỆ MẠNG HFC
Tổng quang mạng HFC
HFC (Hybrid Fiber Coaxial) là 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 qua 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 cable TV truyền thống sử dụng thiết bị điện, cáp đồng trục và bộ khuếch đại, dẫn đến chất lượng tín hiệu và bán kính phục vụ hạn chế Điều này không đáp ứng được nhu cầu của người xem về chất lượng hình ảnh và các dịch vụ đi kèm.
Mạng HFC cải thiện 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, và cáp đồng trục được sử dụng để kết nối đến các thuê bao khác Những ưu điểm nổi bật của HFC bao gồm khả năng cung cấp băng thông cao và tốc độ truyền tải ổn định.
+ 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 Internet)
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, với chức năng thu/phát quang và chuyển tiếp tín hiệu quang tới các Hub khác Trong khi đó, mạng phân phối tín hiệu gồm cáp quang, Hub thứ cấp và các node quang, nơi tín hiệu quang từ các Hub được chuyển đổi thành tín hiệu điện để cung cấp cho thuê bao Đối với mạng 2 chiều, tín hiệu từ mạng truy nhập sẽ được thu tại node quang và chuyển thành tín hiệu quang để gửi về Hub tại 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 rộng lớn, suy hao tín hiệu thấp và khả năng chống nhiễu điện từ Nhờ vào công nghệ sản xuất hiện đại, các sợi quang có thể truyền tải tín hiệu với tần số lên tới hàng trăm THz, đáp ứng mọi yêu cầu về dải thông mà không phương tiện truyền dẫn nào khác có thể sánh kịp.
Tín hiệu quang truyền trên sợi quang chủ yếu hoạt động 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 So với đó, sợi cáp đồng trục loại suy hao thấp nhất có mức suy hao lên tới 43 dB/km tại tần số 1 GHz.
Tín hiệu truyền qua sợi cáp quang không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, đảm bảo chất lượng tín hiệu ổn định trong quá trình truyền tải Hơn nữa, các sợi quang được làm từ vật liệu không bị ăn mòn hóa học, giúp tăng cường tuổi thọ của sợi.
Mạng HFC thụ động (HFPC) có khả năng dự phòng khi sợi quang bị đứt, khác với các mạng truy nhập truyền thống sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu để bù suy hao cáp Việc tích hợp các bộ khuếch đại cho tín hiệu ngược dòng trong mạng đồng trục làm giảm độ ổn định của mạng Sử dụng mạng truy nhập thụ động hoàn toàn mang lại nhiều ưu điểm, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy trong việc truyền tải tín hiệu.
Chất lượng tín hiệu được cải thiện nhờ vào việc không sử dụng bộ khuếch đại, mà chỉ sử dụng thiết bị thụ động Điều này 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, từ đó nâng cao độ ổn định và chất lượng dịch vụ Nguyên nhân chính dẫn đến trục trặc của mạng truyền hình cáp chủ yếu 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 điều hành mạng.
Sử dụng mạng đồng trục thụ động giúp giảm số lượng thuê bao tại mỗi node quang, từ đó tăng dung lượng đường truyền cho tín hiệu hướng lên và cải thiện khả năng cung cấp dịch vụ 2 chiều tốc độ cao Tuy nhiên, mạng truy nhập cáp đồng trục thụ động HFPC cũng tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý.
Việc không sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu cao tần dẫn đến việc tín hiệu trên cáp bị suy hao, gây ra hạn chế lớn trong bán kính phục vụ của mạng.
Việc không kéo cáp đồng trục xa sẽ làm giảm số lượng thuê bao mà một node quang có thể phục vụ Để duy trì số lượng thuê bao lớn tương tự như khi sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu, cần kéo cáp quang gần hơn với các thuê bao, dẫn đến việc tăng số lượng node quang và làm tăng chi phí cho mạng.
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
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 các anten này sẽ được chuyển đổi từ tín hiệu cao tần RF sang tín hiệu trung tần IF Tín hiệu trung tần thu được bao gồm cả kênh cần thu và các kênh khác không mong muốn Để tách biệt kênh cần thu (ví dụ: VTV3), tín hiệu trung tần sẽ được đưa qua bộ lọc trung tần, được điều chỉnh để chỉ thu một kênh duy nhất Cuối cùng, tín hiệu trung tần này sẽ được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu RF qua bộ chuyển đổi IF/RF.
Tín hiệu RF nằm trong dải tần đường xuống của mạng CATV và được đưa vào bộ kết hợp 16:1 để ghép kênh với các tín hiệu khác thông qua phương thức ghép kênh theo tần số (FDM: Frequency Division Multiplexing).
Các tín hiệu vệ tinh thu qua anten parabol bao gồm nhiều kênh truyền hình, được tách ra thành các kênh độc lập nhờ bộ chia vệ tinh Sau đó, tín hiệu được chuyển đổi từ tần số cao sang tần số thấp qua bộ thu vệ tinh, tạo ra tín hiệu A/V Tín hiệu này tiếp tục được chuyển đổi thành tín hiệu IF, kết hợp cả âm thanh và video Để lấy ra một kênh cụ thể, tín hiệu trung tần sẽ đi qua bộ lọc trung tần, tương tự như khi thu các chương trình truyền hình quảng bá Các kênh này sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu RF trong dải tần CATV và được ghép kênh qua combiner 16:1 với các kênh khác Tín hiệu RF đã ghép kênh có thể được đưa vào máy thu hình của thuê bao, nhưng để truyền xa và đa hướng, tín hiệu này sẽ được khuếch đại và chia ra qua bộ chia tín hiệu cao tần Cuối cùng, tín hiệu RF được chuyển thành tín hiệu quang và truyền qua mạng HFC đến thuê bao.
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 và 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 trước khi vào bộ chia, tiếp tục được chia thành hai hướng vào bộ khuếch đại công suất Tín hiệu hướng xuống sẽ đi qua khối Diplexer và ra cổng H, trong khi tín hiệu cao tần hướng lên từ phía thuê bao đi qua cổng L vào khối Combiner, nơi nó được 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 thành tín hiệu quang qua đi ốt điện quang để truyền về trung tâm qua các sợi cáp hướng lên.
Chức năng chính của node quang là chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu cao tần
Node quang không chỉ khuếch đại tín hiệu mà còn căn chỉnh lại tín hiệu tương tự như tại máy phát Khi tín hiệu truyền qua sợi quang, đặc biệt là trên sợi đơn mode, hiện tượng tán sắc gây suy hao và giãn nở xung, làm giảm chất lượng tín hiệu Do đó, việc cân chỉnh và khuếch đại là cần thiết Tín hiệu vào của node quang thường nằm trong khoảng -2.5dBm đến +2dBm, trong khi tín hiệu ra thường đạt khoảng 108dBμV Khoảng bước sóng hoạt động dao động từ 1270 đến 1550nm, với cửa sổ quang 1310nm được sử dụng trong truyền hình cáp để giảm thiểu suy hao.
3.2 Công nghệ truyền dẫn đồng trục trong mạng HFC:
Cáp đồng trục là phương tiện phổ biến trong việc phân phối tín hiệu truyền hình Hình 2.11 minh họa cấu trúc của cáp đồng trục được áp dụng 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:
Bộ khuếch đại đường truyền đóng vai trò quan trọng trong việc bù lại suy giảm tín hiệu trong hệ thống mạng CATV HFC Mỗi bộ khuếch đại được trang bị một bộ ổn định để xử lý suy giảm ở các tần số khác nhau Có ba loại bộ khuếch đại được sử dụng trong mạng đồng trục, trong đó bộ khuếch đại trung kế được lắp đặt tại vị trí có mức suy hao lên tới 20 ÷ 22dB tính từ bộ khuếch đại trước đó, với mức đầu ra thường dao động khoảng 30 ÷ 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 được sử dụng để phát tín hiệu video đến các bộ khuếch đại trung kế mà còn có khả năng chia sẻ tín hiệu tới 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 tối ưu giữa các bộ khuếch đại là từ 120m đến 130m, được đặt gần thuê bao để giảm thiểu méo phi tuyến trong tín hiệu Video Để đảm bảo tín hiệu đồng đều trên toàn dải tần, chỉ nên sử dụng từ 2 đến 4 bộ khuếch đại đường dây, tùy thuộc vào số lượng bộ trích tín hiệu (Tap) giữa các bộ khuếch đại Các thiết bị chia và rẽ tín hiệu như Splitter, DC và Tap cũng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống này.
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, có chức năng chia tín hiệu theo một chiều và 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
Thiết bị Tap là công cụ quan trọng trong việc phân phối tín hiệu từ mạng cáp đến các thuê bao, tuân thủ các thông số theo chuẩn CATV Một Tap điển hình bao gồm một khối ghép định hướng RF và các khối chia công suất, giúp đảm bảo chất lượng tín hiệu và hiệu suất truyền tải ổn định.
Hình 1.10: Sơ đồ khối đơn giản của Tap 4 đường suy hao 20 dB
Thiết bị này được sử dụng trong hệ thống mạng cáp đồng trục, giúp kết nối các loại cáp đồng trục với các thiết bị như khuyếch đại, Splitter, DC, Multi Taps, v.v Nó bao gồm nhiều loại tương thích với các 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 trên mạng HFC hiện nay vẫn chủ yếu dựa vào việc điều chế các kênh TV tương tự tiêu chuẩn, tương tự như cách thức truyền dẫn các kênh truyền hình quảng bá Để chuẩn hóa lớp vật lý (PHY layer) và lớp điều khiển truy nhập đa phương tiện (MAC layer) cho các hệ thống HFC, tiêu chuẩn IEEE 802.14 đã được hình thành vào tháng 11 năm 1994.
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 ở 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 Tốc độ bit của năm kỹ thuật điều chế này rất đa dạng.
- 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 chính của giao thức DOCSIS, trong khi modem cáp là thiết bị đầu cuối kết nối khách hàng với mạng CMTS và modem cáp được kết nối qua mạng HFC, tạo thành hệ thống hoàn chỉnh.
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 là phần quan trọng trong hệ thống CMTS, bao gồm giao diện với mạng dữ liệu MSO, các card đường truyền cho giao tiếp DOCSIS với HFC, và một chuyển mạch gói 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 số lượng thuê bao không bị ảnh hưởng bởi sự cố giao tiếp mạng, các khối thiết bị này cần 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 Những khối chuyển mạch này thường được cấu hình dự phòng nhằm bảo vệ hệ thống khi xảy ra sự cố thiết bị.
Các khối đường truyền CMTS đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dữ liệu cho giao diện mạng HFC, cho phép gửi và nhận tín hiệu RF qua kết nối đồng trục Trong hướng xuống, tín hiệu RF được phát sóng đến nhiều FN, trong khi ở hướng lên, mỗi FN thường sử dụng sợi quang riêng để kết nối RF tới CMTS Điều này có thể thực hiện qua một sợi quang tách biệt hoặc một tập bước sóng tách biệt trên sợi quang chia sẻ Các khối đường truyền được bảo vệ theo kiểu 1:n, sử dụng một giá chuyển mạch bên ngoài để kết nối đồng trục RF tới nhiều khối đường truyền hoạt động hoặc một khối đường truyền 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 thể thu từ MSO, cho phép thuê bao chuyển CM đến bất kỳ vị trí nào do MSO cung cấp và nhận các dịch vụ tương ứng Điều này khác biệt với thiết bị tại nhà khách hàng như DSL hoặc PON, vì chúng thường gắn liền với một vị trí cố định thay vì một thuê bao linh hoạt.
CMTS 3.0 giới thiệu kiểu module M-CMTS, cho phép phân chia các chức năng của CMTS thành các phần thiết bị riêng biệt, mỗi phần được đặt trong giá riêng Các chức năng này bao gồm giao tiếp RF với luồng xuống/lên, 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 thiểu số lượng thiết bị QAM cần thiết cho các tín hiệu dữ liệu nhanh hơn, từ đó giảm chi phí thiết bị một cách đáng kể Module EQAM độc lập cho phép tối ưu hóa việc chia sẻ băng thông HFC giữa các dịch vụ MPEG-TS và DOCSIS.
CM đóng vai trò kết nối cuối cho giao thức DOCSIS, điều chế tín hiệu RF trong chiều xuống và nhận dạng các gói tin cho thuê bao, chuyển đổi chúng thành tín hiệu phù hợp Ngoài ra, CM cũng cung cấp xử lý VoIP và giao diện điện thoại cho người dùng Tín hiệu được truyền từ CM tới bộ giải mã STB, trong khi trong chiều lên, CM tham gia vào giao thức MAC DOCSIS để thu băng thông hướng lên, thực hiện ghép kênh gói tin và điều chế dữ liệu lên kênh RF thích 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 Các lớp cao hơn trong ngăn xếp giao thức đảm bảo chức năng OAM&P và duy trì SLA cho các luồng dữ liệu của khách hàng.
Trong quá trình truyền tín hiệu, chức năng O/E (Chuyển đổi Quang - điện) được thực hiện để phát tín hiệu hướng xuống qua cáp đồng trục Đồng thời, 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 mạng, thường xuyên được cập nhật với các tính năng mới trong mỗi phiên bản phát hành Các chức năng bổ sung trong các phiên bản chính của DOCSIS được tóm tắt ở đây.
Một yếu tố quan trọng của mỗi phiên bản DOCSIS là khả năng tương thích ngược của CMTS và CM, cho phép chúng giao tiếp hiệu quả với các phiên bản trước đó Ví dụ, CMTS hỗ trợ DOCSIS 2.0 có thể kết nối với CM chỉ hỗ trợ DOCSIS 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 thiết lập giao thức quản lý mạng xây dựng trên SNMP.
DOCSIS 1.1, được phát hành vào tháng 4 năm 1999, đã cải tiến nhiều tính năng quan trọng như đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS), tự động tạo và xóa dịch vụ Phiên bản này cũng nâng cao hiệu suất băng thông ở lớp MAC, tăng cường bảo mật, hỗ trợ thay đổi kênh động, multicast, quản lý thuê bao, quản lý tài khoản và quản lý lỗi.
DOCSIC 2.0, phát hành vào tháng 12 năm 2001, đã bổ sung các khả năng mới cho lớp MAC và vật lý Nó hỗ trợ hai chế độ hoạt động khác nhau cho kênh hướng lên là A-TDMA và S-CDMA, đồng thời cải thiện MAC bằng cách sử dụng khái niệm kênh logic có thể hoạt động trên cùng một kênh vật lý DOCSIC 2.0 cũng cung cấp tính năng cân bằng tải tự động, giúp điều khiển sự thay đổi kênh động ở cả hai hướng lên và xuống.
DOCSIS 3.0, được phát hành vào tháng 8 năm 2006, mang đến nhiều tính năng mới như khả năng liên kết các kênh vật lý để tạo ra các kênh logic băng thông lớn hơn và cân bằng tải tự động cho nhóm kênh liên kết Phiên bản này cũng hỗ trợ IPv6 và cung cấp mật mã lưu lượng mạnh hơn với AES 128 bit, đồng thời cho phép IP multicast 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 lần cập nhật, hỗ trợ tốc độ lên đến 10 Gbit/s cho truyền tải xuôi dòng và 1 Gbit/s cho truyền tải ngược dòng thông qua công nghệ 4096 QAM Các thông số kỹ thuật mới này loại bỏ khoảng cách kênh rộng 6 MHz và 8 MHz, thay vào đó sử dụng sóng mang con phân chia theo tần số trực giao (OFDM) với băng thông hẹp hơn, cụ thể là 25 kHz hoặc 50 kHz, cho phép liên kết trong một phổ khối rộng khoảng 200 MHz.
DOCSIS 4.0 là phiên bản nâng cấp của DOCSIS 3.1, cho phép sử dụng toàn bộ phổ tần của hệ thống cáp từ 0 MHz đến khoảng 1,8 GHz, cả ở hướng lên và hướng xuống Công nghệ này hỗ trợ các dịch vụ internet đối xứng đa gigabit và vẫn đảm bảo tương thích ngược với DOCSIS 3.1 CableLabs đã công bố thông số kỹ thuật chi tiết vào tháng 10 năm 2017.
Phiên bản Năm sản xuất
Maximum upstream capacity Đặc trưng
1.0 1997 40 Mbit/s 10 Mbit/s phát hành lần đầu
1.1 2001 thêm khả năng VOIP và cơ chế QoS
2.0 2002 30 Mbit/s Tốc độ dữ Upstream tăng
3.0 2006 1 Gbit/s 200 Mbit/s Tăng đáng kể tốc độ downstream/ upstream, giới thiệu hỗ trợ cho IPv6, giới thiệu liên kết kênh
3.1 2013 10 Gbit/s 1-2 Gbit/s Tăng đáng kể tốc độ upstream/downstream, cấu trúc lại các thông số kỹ thuật của kênh
4.0 2017 6 Gbit/s Tăng đáng kể dữ liệu ngược dòng
Hình 2.4: So sánh các phiên bản của DOCSIC
Lớp vật lý DOCSIC
Băng tần phổ điển hình cho tín hiệu video tương tự bắt đầu từ khoảng 54 MHz, vì dưới tần số này, suy giảm do tạp âm quá lớn khiến việc truyền dẫn video chất lượng trở nên khó khăn Tuy nhiên, băng tần từ 5 đến 42 MHz đủ mạnh để hỗ trợ các định dạng điều chế số, và đây là vùng phổ được chọn cho truyền dẫn DOCSIS hướng lên Sự cải tiến này bổ sung các kênh tần số mới cao hơn, giúp 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
- 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 Tại khu vực Bắc Mỹ, các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình cáp (MSO) tuân thủ chuẩn ITU-T J.83-B, trong khi đó, các MSO châu Âu áp dụng tiêu chuẩn truyền hình kỹ thuật số DVB.
Cả hai vùng đều sử dụng mã sửa lỗi FEC nhưng đã chọn các loại FEC khác nhau FEC giúp tăng tỉ số tín hiệu trên tạp âm hiệu dụng của kênh, cho phép tăng tốc dữ liệu vượt qua băng tần mà mào đầu FEC RS(204,188) của châu Âu cung cấp khả năng sửa lỗi tốt hơn so với RS(128,122) của Bắc Mỹ, mặc dù độ phức tạp của bộ giải mã cao hơn Tiêu chuẩn Bắc Mỹ còn 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, trong đó có 4 byte tiêu đề MPEG dùng để nhận dạng khung, bao gồm tải trọng Video MPEG hoặc tải trọng của MAC DOCSIS.
Khi các gói MPEG được truyền qua mạng dữ liệu DOCSIS, tải trọng DOCSIS sẽ chiếm một phần trong tải trọng của gói MPEG Một khung MAC DOCSIS có thể bắt đầu từ bất kỳ vị trí nào trong gói MPEG Mỗi gói MPEG có khả năng mang một khung MAC DOCSIS đơn, giúp lấp đầy phần còn lại của vùng tải MPEG, hoặc có thể chứa một phần của khung MAC DOCSIS và 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 sử dụng các khối tương thích với các chế độ A-TDMA và S-CDMA Hệ thống này áp dụng bộ trộn với đa thức trộn g(x) = x^15 + x^14 + 1.
Dải rộng tùy chọn kiểu điều chế giúp xử lý hiệu quả nhiễu lớn trong phổ tần hướng lên Tín hiệu hướng lên được trộn để đảm bảo 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 sử dụng 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 trên kênh DOCSIS 2.0 tích hợp tùy chọn điều chế mã lưới TCM nhằm cải thiện khả năng chống lỗi, với mã lớn n/n+1 giúp tăng gấp đôi số lượng bit được mã hóa thành một ký hiệu phát, đồng thời nâng cao tỷ số tín hiệu trên tạp âm bằng cách kiểm tra nhiều ký hiệu liên tiếp để xác định chuỗi ký hiệu tương ứng Dải tốc độ dữ liệu hướng lên của mỗi kênh gồ mào đầu 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 một từ mã đầy đủ cũng có thể được sử dụng.
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 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 từ CM đến CMTS.
3.3.1 Quá trình đồng bộ hóa
Các khối cơ bản của quá trình đồng bộ hóa CM và CMTS được trình bày trong hình 2-10 CMTS đóng vai trò là nguồn đồng bộ chính cho mạng, cùng với các CM nhận được đồng bộ và tín hiệu định thời từ tín hiệu hướng xuống Quá trình này tuân theo các khuyến nghị ITU-T J.83 phụ lục A, B, C Đồng hồ chính của CMTS hoạt động ở tần số 10,24 MHz và tốc độ ký hiệu của nó được khóa chặt với nhau Mối quan hệ giữa đồng hồ và chu kỳ ký hiệu được xác định bởi tỉ lệ M và N, trong đó M và N là các số nguyên 16 bit được quy 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 Nhãn thời gian này sử dụng trong cơ chế ranging để cung cấp thông tin về độ lệch định thời Cơ chế bộ đếm nhãn thời gian DOCSIS cho ranging tương tự như cơ chế của EPON, với nhãn thời gian là một bộ đếm 32 bit chạy bởi đồng hồ có tần số khoảng 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 đặc trưng cho giá trị bộ đếm tại thời điểm cố định, tương ứng với thời điểm mà byte đầu tiên của bản tin quản lý được gửi.
MAC đồng bộ hóa thời gian từ phân lớp hội tụ truyền dẫn, 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 nhãn thời gian MAC thông qua một xung đồng bộ hóa khung Tại mỗi giới hạn khung, PHY nhanh chóng bắt được nhãn thời gian để chuẩn bị cho việc truyền dẫn trong một UCP.
CMTS hoặc CM có thể có điểm tham chiếu bắt đầu và điểm tham chiếu kết thúc Nếu có điểm tham chiếu bắt đầu, nó sẽ duy trì trường này như một bản sao nhãn thời gian cục bộ Khi CM có điểm tham chiếu bắt đầu, CMTS sẽ đặt tất cả bit 0 trong trường bắt đầu nhãn thời gian, và nếu CMTS có điểm tham chiếu này, CM sẽ sao chép giá trị từ trường tương ứng của bản tin DPV-REQ vào trường bắt đầu nhãn thời gian Giá trị nhãn thời gian sẽ được trao đổi khi người gửi đưa gói DPV vào luồng dữ liệu tại điểm tham chiếu DPV Trường kết thúc nhãn thời gian được khởi tạo với giá trị 0 bởi CMTS, và CM sẽ sao chép vào trường TE nếu có điểm tham chiếu kết thúc, tức là giá trị đồng nhất từ bản tin DPV-REQ.