DOCSIS 3.1 — як досягти максимальної пропускної спроможності

Нова версія специфікації DOCSIS — DOCSIS 3.1, повністю змінила принципи роботи DOCSIS, збільшивши пропускну здатність каналу на 50%, продуктивність до 10 Гб/с в прямому каналі і до 2 Гб/с у зворотному — швидкості, зіставні з передачею даних по оптоволокну.

image
DOCSIS 3.1 забезпечує більше біт на 1 герц порівняно з DOCSIS 3.0 при тому ж співвідношенні сигнал/шум

Специфікація DOCSIS 3.1 була випущена і успішно протестована в лабораторних умовах у 2015-му році. На початок 2016 року було сертифіковано 5 нових кабельних модемів, що підтримують стандарт DOCSIS 3.1, провайдерів по всьому світу почали впроваджувати і тестувати обладнання цього стандарту.

Але що робить унікальним DOCSIS 3.1 порівняно з більш ранніми версіями і як зміняться методи тестування у зв'язку з цим? У даній статті розглядаються дві основні технології, використовувані в останній версії специфікації: мультиплексування з ортогональним частотним поділом каналів (orthogonal frequency-division multiplexing — OFDM) і код з малою щільністю перевірок на парність (low density parity check — LDPC). У статті також описуються методи досягнення максимальних рівнів продуктивності.

Orthogonal Frequency Domain Multiplexing
Найпростіший спосіб зрозуміти OFDM – це згадати як працює DOCSIS 3.0. Там для одного прямого каналу використовується одна несуча частота з смугою 6 МГц (8 МГц в Європі). Для цієї частоти модуляції використовується QAM з однією несучою (SC-QAM) і символи передаються на цій частоті строго послідовно. Якщо з прийомом сигналу виникають проблеми, то модуляцію необхідно зменшувати — не тільки для цієї частоти, але і для всіх інших каналів в мережі. Це означає, що модуляція повинна бути оптимізована під найгіршу частину коаксіальної мережі.

На відміну від SC-QAM, OFDM використовує ширину смуги від 24 до 192 МГц. В межах цієї смуги може бути розміщено до 8 тисяч піднесучих з шириною від 25 до 50 кГц кожна. (Точніше 7680 піднесучих 25 кГц або 3840 піднесучих 50 кГц – прим. перекладача). Всі поднесущие синхронізовані між собою за часом і формують єдиний набір символів. Ці символи, в свою чергу, розподілені за поднесущим і тайм-слотів і передають кодові слова (кодових слів).

Головна перевага такого підходу в тому, що символи передаються одночасно на різних частотах. Це створює деякі унікальні можливості. Так, якщо на одній піднесе виникли перешкоди, OFDM просто виключає її, об'єднуючи сусідні частоти. Це дозволяє продовжити передачу даних з оптимальним рівнем продуктивності. (Крім того, такий метод передачі значно менш чутливий до вузькосмуговим і імпульсних перешкод, так як вони зачіпають тільки деякі поднесущие, тоді як у випадку звичайного сигналу перешкода впливає на весь його спектр – прим. перекладача)

Оскільки тип модуляції OFDM задається на певний період часу, дана технологія дозволяє контролювати взаємне співвідношення фаз піднесучих. Якщо одна піднесуча знаходиться на піку, то сусідня може бути налаштована в протифазі, тобто в нулі. Це зменшує інтерференцію між сусідніми піднесучими і дозволяє використовувати для них більш високі рівні модуляції і, відповідно, підвищити загальну пропускну здатність мережі. Замість того, щоб використовувати один рівень модуляції для всього діапазону, OFDM дозволяє використовувати різні рівні модуляції для кожної піднесе. Крім того, можна створювати модуляційні профілі таким чином, щоб задавати індивідуальні рівні модуляції для всіх піднесучих і мати при цьому кілька таких профілів.

image
Модуляція – SC QAM
Виділені канали з шириною смуги 6 МГц (8 МГц в Європі).
Кожний частотний канал незалежний від інших.
Символи в одному каналі передаються послідовно.
Модуляція оптимізується під гіршу частину кабельної мережі.


Візьмемо одну піднесучу в якості прикладу. Кожен профіль має свій рівень модуляції (наприклад, 64 QAM, 1024 QAM, 2048 QAM або 4096 QAM). OFDM може використовувати профіль з найвищим рівнем для даного сегмента HFC-мережі. В одному сегменті це буде 4096 QAM, в іншому це може бути 1024 QAM. У третьому сегменті на цій частоті може бути занадто велика інтерференція і цю ділянку спектра взагалі буде виключено з профілю і т. д.

Тепер подивимося, що відбувається на цій піднесе, щоб зрозуміти роботу всіх 8000. Окремий профіль описує окрему піднесучу для того, щоб досягти її максимальної продуктивності в кожен період часу.

Як вище зазначалося, всі поднесущие об'єднуються між собою для спільної передачі символів з яких формуються кодові слова. Поднесущие прив'язуються до кожного символу кодового слова і їх рівень модуляції описується профілем. Профілів, у свою чергу, призначаються літерні позначення (наприклад, A, B, C і D). Таким чином виходить, що оптимізація проводиться не тільки для кожної піднесе окремо, але і для всіх 8000 піднесучих в комплексі.

Замість того, щоб оптимізувати модуляцію під найгірший ділянку мережі, вона може бути оптимізована під найкращий ділянку в будь-який момент часу. Це робить DOCSIS 3.1 набагато більш ефективною технологією, ніж її попередники. Там, де канал на DOCSIS 3.0 міг передавати 6.3 біта на 1 Гц, DOCSIS 3.1 може досягти 10.5 біт на 1 Гц при використанні модуляції 4096 QAM. У більш типовому випадку, коли одночасно використовуються кілька рівнів модуляції, DOCSIS 3.1 може досягати 8.5 біт на 1 Гц, забезпечуючи збільшення ефективності на 35% без змін у HFC-мережі.

Low Density Parity Check
Поліпшення, досягнуті використанням OFDM, не були б можливі без використання алгоритмів корекції помилок. DOCSIS 3.0 використовує алгоритм попередньої корекції помилок з кодом Ріда-Соломона (FEC) і вимірює рівень бітових помилок (BER). BER відноситься до несучої, а OFDM використовує багато. У зв'язку з тим, що OFDM розподіляє передані дані за множиною піднесучих, використання BER більше не має сенсу.

DOCSIS 3.1 замість FEC використовує LPDC. Цей алгоритм працює по всьому діапазону і оцінює помилки не окремих бітів, а кодових слів. Якщо таку помилку можна виправити, LPDC це автоматично робить, що дозволяє використовувати більш високі рівні модуляції і значно зменшує необхідність повторної передачі кодових слів. LPDC наближає пропускну здатність каналу до теоретичних меж, описаним теоремою Шеннона.

Але LDPC має один недолік. Так як цей алгоритм змінює налаштування в реальному часі, система може досягти максимальних значень по потужності і рівнями модуляції коригуючи виникають помилки. Це означає, що мережа буде деградувати непомітно для оператора і в якийсь момент помилки стануть коригуються таким чином, а користувачі помітять зниження якості сервісу. Для того, щоб уникнути такої ситуації необхідно більш ретельно тестувати систему.

Досягнення максимальної пропускної здатності мережі
Щоб тестування пройшло успішно дуже важливо розуміти з чого складається OFDM. В основі всього лежить рівень PLC – PHY link channel, який містить інформацію про те, як декодувати OFDM сигнал. Без цього рівня модем не зможе «побачити» несучу OFDM і зрозуміти, як її декодувати. Рівнем вище знаходиться вказівник на наступне кодове слово (next codeword pointer — NCP), який повідомляє модему про те, яке кодове слово потрібно прочитати наступним і який профіль використовувати для декодування кожного кодового слова. Далі йде профіль A. Це завантажувальний профіль, який кожен модем DOCSIS 3.1 повинен вміти використовувати, щоб «розуміти» більш високі рівні модуляції QAM в інших профілях.

image
Профілі — спрощена ситуація. Для спрощення приймемо, що профілі використовують однакову модуляцію на всіх піднесучих.

Параметри рівнів потужності, MER і шуму в профілі А обрані для надійної роботи OFDM. Якщо цей профіль працює, то далі можуть використовуватися стандартні профілі B, С і D. Профілі відмінні від них можуть створюватися виробниками CMTS і кабельних модемів на свій розсуд і їх кількість ніяк не обмежена.

При передачі інформації рівня PLC важливо домогтися відсутності некорректируемых помилок кодових слів (uncorrectable codeword errors CWE). На рівні PLC передача інформації повинна бути максимально надійною, тому рівень потужності і MER повинні бути строго заданому діапазоні. Для цього параметри даного рівня повинні бути строго фіксованими – специфікація DOCSIS 3.1 обмежує використання для PLC тільки BPSK або 16 QAM.

Якщо на рівні PLC все працює без помилок, параметри NCP також фіксуються і не повинні допускати некорректируемых помилок (CWE). Якщо відбувається втрата повідомлень на даному рівні, то модем буде перезапрашивать інформацію або, що ще гірше, не буде зовсім. У DOCSIS 3.1 для передачі NCP може використовуватися тільки QPSK, 16 QAM або 64 QAM.

Так як профіль A є завантажувальним, то йому призначаються більш низькі рівні модуляції порівняно з іншими: QAM 16 і 64 QAM. Це робиться для того, щоб всі модеми могли працювати навіть в гіршої частини кабельної мережі. Сигнал з більш низьким рівнем модуляції може працювати при більш низьких рівнях потужності і MER. Так само, як і два попередніх рівня профіль A повинен мати фіксовані параметри і не допускати некорректируемых помилок. Якщо з'являються некорректируемые помилки, то модем перейде в режим DCOSIS 3.0 і не буде ніякого збільшення ефективності. Профіль A може працювати і на більш високих рівнях модуляції, при цьому допускаються коригована помилки CWE, це нормально, головне, щоб не було некорректируемых.

image
Профілі — реальна ситуація. OFDM дозволяє виключати певні поднесущие і дозволяє кожному мати різні рівні модуляції для різних піднесучих. Це оптимізує загальну пропускну здатність каналу — кожен профіль має свої власні винятки.

Коли всі 3 рівня, працюють в заданих межах можна подивитися на загальну пропускну здатність каналу. Однією з помилок на даному етапі може бути вимірювання рівня сигналу у всій смузі 192 МГц. Треба пам'ятати, що загальна потужність в даній смузі спектра дорівнює потужності 6 МГц сигналу з урахуванням ширини смуги. Таким чином, сумарна потужність OFDM сигналу дуже сильно відрізняється від одиночної потужності несучої c шириною 6 (8) МГц. Для того, щоб більш точно налаштувати потужність OFDM сигналу всі рівні повинні бути виміряні відносно потужності сигналу з шириною смуги 6 МГц.

OFDM має ще кілька унікальних характеристик. Рівні перших і останніх 6 МГц в заданій смузі OFDM сигналу будуть приблизно на 0.8 дБ менше, ніж рівні інших піднесучих з-за спаду в захисному діапазоні (guard band). Це стає важливим, коли для вимірювання використовуються стандартні прилади або в тому випадку, якщо вимірюється потужність в діапазоні частот шириною 6 МГц, виділеному із загального діапазону. Крім того, що несе з PLC приблизно на 0.8 дБ вище, ніж інші поднесущие з-за додаткових пілотних сигналів і переданих даних. Таким чином загальна пологість (flatness) OFDM сигналу в порівнянні зі стандартним сигналом 6 МГц буде коливатися в межах 1.6 дБ з-за початкових і кінцевих спадів і впливу PLC.

Для того, щоб OFDM працював з піковою продуктивністю середній рівень потужності не повинен виходити із заданих меж, МЕР повинен бути гарним і рівні шуму повинні бути мінімальними. Шуми дуже сильно впливають на сигнал OFDM і можуть призвести до того, що профілі з високими рівнями модуляції взагалі не будуть використовуватися.

Якщо всі зазначені вимоги дотримуються, то стає можливим використання профілів з високими рівнями модуляції. Важливо, щоб у межах профілю настройки були зафіксовані (locked). Профілі з високим рівнем модуляції можуть мати деяку кількість коригованих помилок (CWE), так як це не так критично, як для більш низьких рівнів, але некорректируемые помилки призведуть до того, що максимальна продуктивність не буде досягнута. Наприклад, якщо профіль C має некорректируемые помилки, профілі D і більш високі не зможуть використовувати більш високу модуляцію, ніж профіль С. Для досягнення високих рівнів модуляції HFC-мережа повинна бути чистою і не допускати виникнення некорректируемых помилок (що справедливо і для більш ранніх версій DOCSIS).

А що в Upstream?
DOCSIS 3.1 для зворотного каналу використовує OFDMA – Orthogonal Frequency-Division Multiple Access.
Окремі поднесущие в OFDMA можуть вимикатися, для забезпечення зворотної сумісності з каналами DOCSIS 2/3.0

Порівняльна таблиця DOCSIS 3.0 і DOCSIS 3.1
image

Висновок
DOCSIS 3.1 вирішує головну дилему, яка стояла перед операторами протягом довгих років: «Витрачати гроші на повну модернізацію всієї кабельної мережі або поступово вносити зміни в існуючу мережу?» Використовуючи технології OFDM і LDPC, оператори можуть значно збільшити пропускну здатність мережі при її мінімальній модернізації.

Досить невеликий модернізації фізичної структури мережі для того, щоб збільшити її ефективність (швидкість і пропускну здатність) на 35%, використовуючи DOCSIS 3.1. Це також дасть операторам додатковий час для подальшої поступової модернізації, яка, в свою чергу, дасть змогу ще більше збільшити пропускну здатність.

Тим не менш, операторам треба досить обережно підходити до впровадження та тестування DOCSIS 3.1. Якщо це зробити неправильно, то ніякого покращення, порівняно з DOCSIS 3.0 не буде.

Використання практик, описаних в цій статті, дозволить бути впевненим, що DOCSIS 3.1 використовується максимально ефективно, зменшуючи кількість виїздів ремонтних бригад та забезпечуючи високу якість сервісу клієнтам.

Що далі?
Наступним етапом стане впровадження специфікації DOCSIS 3.1 Full duplex, яка забезпечить симетричну передачу даних на швидкості 10Gb/s як в прямому, так і в зворотному каналі.

Оригінал статті тут.
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.