Новая версия спецификации DOCSIS — DOCSIS 3.1, полностью изменила принципы работы DOCSIS, увеличив пропускную способность канала на 50%, производительность до 10 Гб/сек в прямом канале и до 2 Гб/сек в обратном — скорости, сопоставимые с передачей данных по оптоволокну.
DOCSIS 3.1 обеспечивает больше бит на 1 герц по сравнению с DOCSIS 3.0 при том же соотношении сигнал/шум
Спецификация DOCSIS 3.1 была выпущена и успешно протестирована в лабораторных условиях в 2015-м году. На начало 2016 года было сертифицировано 5 новых кабельных модемов, поддерживающих стандарт DOCSIS 3.1, провайдеры по всему миру начали внедрять и тестировать оборудование этого стандарта.
Но что делает уникальным DOCSIS 3.1 по сравнению с более ранними версиями и как изменятся методы тестирования в связи с этим? В данной статье рассматриваются две основные технологии, используемые в последней версии спецификации: мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (orthogonal frequency-division multiplexing — OFDM) и код с малой плотностью проверок на чётность (low density parity check — LDPC). В статье также описываются методы достижения максимальных уровней производительности.
Orthogonal Frequency Domain Multiplexing
Самый простой способ понять OFDM – это вспомнить как работает DOCSIS 3.0. Там для одного прямого канала используется одна несущая частота с полосой 6 МГц (8 МГц в Европе). Для модуляции этой частоты используется QAM с одной несущей (SC-QAM) и символы передаются на этой частоте строго последовательно. Если с приёмом сигнала возникают проблемы, то модуляцию необходимо уменьшать — не только для этой частоты, но и для всех остальных каналов в сети. Это означает, что модуляция должна быть оптимизирована под самую худшую часть коаксиальной сети.
В отличие от SC-QAM, OFDM использует ширину полосы от 24 до 192 МГц. Внутри этой полосы может быть размещено до 8 тысяч поднесущих с шириной от 25 до 50 кГц каждая. (Точнее 7680 поднесущих 25 кГц или 3840 поднесущих 50 кГц – прим. переводчика). Все поднесущие синхронизированы между собой по времени и формируют единый набор символов. Эти символы, в свою очередь, распределены по поднесущим и тайм-слотам и передают кодовые слова (codewords).
Главное преимущество такого подхода в том, что символы передаются одновременно на разных частотах. Это создаёт некоторые уникальные возможности. Так, если на одной поднесущей возникли помехи, OFDM просто исключает её, объединяя соседние частоты. Это позволяет продолжить передачу данных с оптимальным уровнем производительности. (Кроме того, такой метод передачи значительно менее чувствителен к узкополосным и импульсным помехам, так как они затрагивают только некоторые поднесущие, тогда как в случае обычного сигнала помеха влияет на весь его спектр – прим. переводчика)
Поскольку тип модуляции в OFDM задаётся на определённый период времени, данная технология позволяет контролировать взаимное соотношение фаз поднесущих. Если одна поднесущая находится на пике, то соседняя может быть настроена в противофазе, т.е. в нуле. Это уменьшает интерференцию между соседними поднесущими и позволяет использовать для них более высокие уровни модуляции и, соответственно, повысить общую пропускную способность сети. Вместо того, чтобы использовать один уровень модуляции для всего диапазона, OFDM позволяет использовать различные уровни модуляции для каждой поднесущей. Кроме того, можно создавать модуляционные профили таким образом, чтобы задавать индивидуальные уровни модуляции для всех поднесущих и иметь при этом несколько таких профилей.
Модуляция – SC QAM
Выделенные каналы с шириной полосы 6 МГц (8 МГц в Европе).
Каждый частотный канал независим от остальных.
Символы в одном канале передаются последовательно.
Модуляция оптимизируется под худшую часть кабельной сети.
Возьмём одну поднесущую в качестве примера. Каждый профиль имеет свой уровень модуляции (например, 64 QAM, 1024 QAM, 2048 QAM или 4096 QAM). OFDM может использовать профиль с наивысшим уровнем для данного сегмента HFC-сети. В одном сегменте это будет 4096 QAM, в другом это может быть 1024 QAM. В третьем сегменте на этой частоте может быть слишком большая интерференция и этот участок спектра вообще будет исключён из профиля и т.д.
Теперь посмотрим, что происходит на этой поднесущей, чтобы понять работу всех 8000. Отдельный профиль описывает отдельную поднесущую для того, чтобы достичь её максимальной производительности в каждый период времени.
Как выше указывалось, все поднесущие объединяются между собой для совместной передачи символов из которых формируются кодовые слова. Поднесущие привязываются к каждому символу кодового слова и их уровень модуляции описывается профилем. Профилям, в свою очередь, назначаются буквенные обозначения (например, A, B, C и D). Таким образом получается, что оптимизация производится не только для каждой поднесущей по отдельности, но и для всех 8000 поднесущих в комплексе.
Вместо того, чтобы оптимизировать модуляцию под самый худший участок сети, она может быть оптимизирована под самый лучший участок в любой момент времени. Это делает DOCSIS 3.1 намного более эффективной технологией, чем её предшественники. Там, где канал на DOCSIS 3.0 мог передавать 6.3 бита на 1 Гц, DOCSIS 3.1 может достичь 10.5 бит на 1 Гц при использовании модуляции 4096 QAM. В более типичном случае, когда одновременно используются несколько уровней модуляции, DOCSIS 3.1 может достигать 8.5 бит на 1 Гц, обеспечивая увеличение эффективности на 35% без изменений в HFC-сети.
Low Density Parity Check
Улучшения, достигнутые использованием OFDM, не были бы возможны без использования алгоритмов коррекции ошибок. DOCSIS 3.0 использует алгоритм упреждающей коррекции ошибок с кодом Рида-Соломона (FEC) и измеряет уровень битовых ошибок (BER). BER относится к одной несущей, а OFDM использует много. В связи с тем, что OFDM распределяет передаваемые данные по множеству поднесущих, использование BER больше не имеет смысла.
DOCSIS 3.1 вместо FEC использует LPDC. Этот алгоритм работает по всему диапазону и оценивает ошибки не отдельных битов, а кодовых слов целиком. Если такую ошибку можно исправить, LPDC автоматически это делает, что позволяет использовать более высокие уровни модуляции и значительно уменьшает необходимость повторной передачи кодовых слов. LPDC приближает пропускную способность канала к теоретическим пределам, описанным теоремой Шеннона.
Но LDPC имеет один недостаток. Так как этот алгоритм изменяет настройки в реальном времени, система может достичь максимальных значений по мощности и уровням модуляции корректируя возникающие ошибки. Это означает, что сеть будет деградировать незаметно для оператора и в какой-то момент ошибки станут некорректируемыми, а пользователи заметят снижение качества сервиса. Для того, чтобы избежать такой ситуации необходимо более тщательно тестировать систему.
Достижение максимальной пропускной способности сети
Чтобы тестирование прошло успешно очень важно понимать из чего состоит OFDM. В основе всего лежит уровень PLC – PHY link channel, который содержит информацию о том, как декодировать OFDM сигнал. Без этого уровня модем не сможет «увидеть» несущую OFDM и понять, как её декодировать. Уровнем выше находится указатель на следующее кодовое слово (next codeword pointer — NCP), который сообщает модему о том, какое кодовое слово нужно прочитать следующим и какой профиль использовать для декодирования каждого кодового слова. Далее идёт профиль A. Это загрузочный профиль, который каждый модем DOCSIS 3.1 должен уметь использовать, чтобы «понимать» более высокие уровни модуляции QAM в других профилях.
Профили — упрощённая ситуация. Для упрощения примем, что профили используют одинаковую модуляцию на всех поднесущих.
Параметры уровней мощности, MER и шума в профиле А выбраны для надёжной работы OFDM. Если этот профиль работает, то дальше могут использоваться стандартные профили B, С и D. Профили отличные от них могут создаваться производителями CMTS и кабельных модемов по своему усмотрению и их количество никак не ограничено.
При передаче информации уровня PLC важно добиться отсутствия некорректируемых ошибок кодовых слов (uncorrectable codeword errors CWE). На уровне PLC передача информации должна быть максимально надёжной, поэтому уровень мощности и MER должны быть строго в заданном диапазоне. Для этого параметры данного уровня должны быть строго фиксированными – спецификация DOCSIS 3.1 ограничивает использование для PLC только BPSK или 16 QAM.
Если на уровне PLC всё работает без ошибок, параметры NCP также фиксируются и не должны допускать некорректируемых ошибок (CWE). Если происходит потеря сообщений на данном уровне, то модем будет перезапрашивать информацию или, что ещё хуже, связи не будет совсем. В DOCSIS 3.1 для передачи NCP может использоваться только QPSK, 16 QAM или 64 QAM.
Так как профиль A является загрузочным, то ему назначаются более низкие уровни модуляции по сравнению с другими: QAM 16 и QAM 64. Это делается для того, чтобы все модемы могли работать даже в худшей части кабельной сети. Сигнал с более низким уровнем модуляции может работать при более низких уровнях мощности и MER. Так же, как и два предыдущих уровня профиль A должен иметь фиксированные параметры и не допускать некорректируемых ошибок. Если появляются некорректируемые ошибки, то модем перейдёт в режим DCOSIS 3.0 и не будет никакого увеличения эффективности. Профиль A может работать и на более высоких уровнях модуляции, при этом допускаются корректируемые ошибки CWE, это нормально, главное, чтобы не было некорректируемых.
Профили — реальная ситуация. OFDM позволяет исключать определённые поднесущие и позволяет каждому иметь разные уровни модуляции для разных поднесущих. Это оптимизирует общую пропускную способность канала — каждый профиль имеет свои собственные исключения.
Когда все 3 уровня работают в заданных пределах можно посмотреть на общую пропускную способность канала. Одной из ошибок на данном этапе может являться измерение уровня сигнала во всей полосе 192 МГц. Надо помнить, что общая мощность в данной полосе спектра равна мощности 6 МГц сигнала с учётом ширины полосы. Таким образом, суммарная мощность OFDM сигнала очень сильно отличается от мощности одиночной несущей c шириной 6 (8) МГц. Для того, чтобы более точно настроить мощность OFDM сигнала все уровни должны быть измерены относительно мощности сигнала с шириной полосы 6 МГц.
OFDM имеет ещё несколько уникальных характеристик. Уровни первых и последних 6 МГц в заданной полосе OFDM сигнала будут примерно на 0.8 дБ меньше, чем уровни остальных поднесущих из-за спада в защитном диапазоне (guard band). Это становится важным, когда для измерения используются стандартные приборы или в том случае, если измеряется мощность в диапазоне частот шириной 6 МГц, выделенном из общего диапазона. Кроме того, несущая с PLC примерно на 0.8 дБ выше чем другие поднесущие из-за дополнительных пилотных сигналов и передаваемых данных. Таким образом общая пологость (flatness) OFDM сигнала по сравнению со стандартным сигналом 6 МГц будет колебаться в пределах 1.6 дБ из-за начальных и конечных спадов и влияния PLC.
Для того, чтобы OFDM работал с пиковой производительностью средний уровень мощности не должен выходить из заданных пределов, MER должен быть хорошим и уровни шума должны быть минимальными. Шумы очень сильно влияют на сигнал OFDM и могут привести к тому, что профили с высокими уровнями модуляции вообще не будут использоваться.
Если все указанные требования соблюдаются, то становится возможным использование профилей с высокими уровнями модуляции. Важно, чтобы в пределах профиля параметры были зафиксированы (locked). Профили с высоким уровнем модуляции могут иметь некоторое количество корректируемых ошибок (CWE), так как это не так критично, как для более низких уровней, но некорректируемые ошибки приведут к тому, что максимальная производительность не будет достигнута. Например, если профиль C имеет некорректируемые ошибки, профили D и более высокие не смогут использовать более высокую модуляцию, чем профиль С. Для достижения высоких уровней модуляции HFC-сеть должна быть чистой и не допускать возникновения некорректируемых ошибок (что справедливо и для более ранних версий DOCSIS).
А что в Upstream?
DOCSIS 3.1 для обратного канала использует OFDMA – Orthogonal Frequency-Division Multiple Access.
Отдельные поднесущие в OFDMA могут выключаться, для обеспечения обратной совместимости с каналами DOCSIS 2/3.0
Сравнительная таблица DOCSIS 3.0 и DOCSIS 3.1
Заключение
DOCSIS 3.1 решает главную дилемму, которая стояла перед операторами в течение долгих лет: “Тратить деньги на полную модернизацию всей кабельной сети или постепенно вносить изменения в существующую сеть?” Используя технологии OFDM и LDPC, операторы могут значительно увеличить пропускную способность сети при её минимальной модернизации.
Достаточно небольшой модернизации физической структуры сети для того, чтобы увеличить её эффективность (скорость и пропускную способность) на 35% используя DOCSIS 3.1. Это также даст операторам дополнительное время для дальнейшей постепенной модернизации, которая, в свою очередь, даст возможность ещё больше увеличить пропускную способность.
Тем не менее, операторам надо довольно аккуратно подходить к внедрению и тестированию DOCSIS 3.1. Если это сделать неправильно, то никакого улучшения, по сравнению с DOCSIS 3.0 не будет.
Использование практик, описанных в этой статье, позволит быть уверенным, что DOCSIS 3.1 используется максимально эффективно, уменьшая количество выездов ремонтных бригад и обеспечивая высокое качество сервиса клиентам.
Что дальше?
Следующим этапом станет внедрение спецификации DOCSIS 3.1 Full duplex, которая обеспечит симметричную передачу данных на скорости 10Gb/s как в прямом, так и в обратном канале.
Оригинал статьи тут.
Автор: TarS
