DOCSIS2.0技術(shù)深度解析

1、docsis2.0 技術(shù)深度解析docsis2. 0規(guī)范由于能夠傳遞對(duì)上行通道容量要求更高的高級(jí)業(yè)務(wù)，同時(shí)提高了對(duì)噪聲的免疫能力，具有極其頑健的上行性能，因此獲得了迅速的發(fā)展。發(fā)揮docsis2. 0優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵在于理解規(guī)范中包括的兩種技術(shù)一a-tdma(高級(jí)時(shí)分復(fù)用)和s-cdma(同步碼分復(fù)用)一一及其在hfc網(wǎng)絡(luò)中對(duì)噪聲的抵抗和提高效率的原因。s-cdma基礎(chǔ)在經(jīng)過(guò)cablelabs的多方評(píng)估之后， docsis2. 0規(guī)范要求同時(shí)包含s-cdma和a-tdma兩種技術(shù)，并且要求它們可以與已安裝的docsis1.x設(shè)備兼容，互操作。對(duì)s-cdma評(píng)估得出的結(jié)論表明它是docsis2. 0的

2、關(guān)鍵組成部分，與純粹基于tdma的設(shè)備相比，它能夠在更加廣泛的運(yùn)營(yíng)條件下提供docsis2. 0規(guī)范所增加的上行信道容量。s-cdma的系統(tǒng)自1997年起，已在全球范圍內(nèi)應(yīng)用于hfc網(wǎng)絡(luò)，但卻是新近才被加入docsis規(guī)范，因此，有必要首先看一看s-cdma是如何工作的。s-cdma的碼分復(fù)用部分直接來(lái)自于離散序列擴(kuò)譜(dsss)，這是一種由軍方開(kāi)發(fā)的技術(shù)，以對(duì)抗通訊中來(lái)自敵方的干擾和攔截。dsss中的擴(kuò)展指的是將數(shù)據(jù)信號(hào)在頻率和時(shí)間上的展開(kāi)。在s-cdma中，擴(kuò)展處理通過(guò)將數(shù)據(jù)信號(hào)與一個(gè)擴(kuò)展“代碼”相乘來(lái)完成，這些代碼屬于一個(gè)正交的代碼集合。發(fā)射一個(gè)完整“編碼”信號(hào)的時(shí)間稱作擴(kuò)展間隔。每個(gè)擴(kuò)

3、展間隔內(nèi)有128個(gè)代碼，表示可以有128個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)同時(shí)傳輸?？蓪?2個(gè)擴(kuò)展間隔組成一個(gè)幀，支持?jǐn)?shù)個(gè)擴(kuò)展間隔上的信號(hào)交織。通過(guò)對(duì)所有modem的嚴(yán)格時(shí)間同步，并對(duì)每個(gè)modem發(fā)出的數(shù)據(jù)使用不同的擴(kuò)展碼，s-cdma允許多個(gè)modem同時(shí)共享同一頻譜。可有64個(gè)modem同時(shí)進(jìn)行傳輸，每次傳輸可包括2到128個(gè)編碼信號(hào)。在docsis2. 0中，分割傳輸?shù)幕緯r(shí)間單位是微時(shí)隙。在s-cdma中，每次傳輸可占用數(shù)個(gè)微時(shí)隙，一個(gè)微時(shí)隙占用2到32個(gè)編碼，以及分配給一個(gè)幀的擴(kuò)展間隔。cmts知道擴(kuò)展碼的分配，從微時(shí)隙的輸出提取出相應(yīng)的信號(hào)，分派給對(duì)應(yīng)的用戶數(shù)據(jù)流。擴(kuò)展處理對(duì)影響電纜傳輸?shù)母鞣N類型噪聲存

4、在的條件下，信號(hào)的頑健性具有極大的作用。理論上來(lái)說(shuō)，a-tdma的每赫茲比特容量與s-cdma是相等的，但是，在下面將看到，在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中，由于s-cdma能夠容忍更高的噪聲電平，從而能夠采用更高的qam或qpsk調(diào)制，因此能獲得更大的上行信道的總體的容量。脈沖噪聲情況下的短分組效率 對(duì)hfc網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行造成主要侵害的脈沖噪聲一般由中等強(qiáng)度的短(小于1微秒)突發(fā)信號(hào)構(gòu)成，通常由網(wǎng)絡(luò)中的電子設(shè)備擾動(dòng)引起，如變壓器，開(kāi)關(guān)和發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火等。脈沖也可能持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，偶爾也可能具有較高的功率，與短脈沖相比出現(xiàn)的可能要少得多罷了。 由于將數(shù)據(jù)信號(hào)擴(kuò)展到長(zhǎng)時(shí)間間隔，s-cdma非常適合于處理脈沖噪聲。在a-

5、tdma中，典型情況是在modem發(fā)射時(shí)發(fā)生脈沖噪聲將導(dǎo)致此信號(hào)的丟失，而對(duì)于運(yùn)行在s-cdma模式下的modem來(lái)說(shuō)，同樣的噪聲脈沖將被擴(kuò)展到包含數(shù)據(jù)信號(hào)的128個(gè)碼片上，從而在每個(gè)碼片上將脈沖功率降低為原來(lái)功率的1128。s-cdma在脈沖噪聲條件下的優(yōu)異性能增強(qiáng)了電纜運(yùn)營(yíng)商部署docsis2. 0來(lái)開(kāi)展voip業(yè)務(wù)的能力，因?yàn)関oip是典型的由短分組構(gòu)成的業(yè)務(wù)。對(duì)抗短突發(fā)噪聲的極其頑健的保護(hù)對(duì)于獲得電信級(jí)的voip業(yè)務(wù)性能是決定性的。s-cdma優(yōu)異的抗脈沖噪聲性能還在對(duì)信號(hào)的前導(dǎo)部分的潛在影響方面具有特別的意義。由于a-tdma不使用s-cdma固有的同步過(guò)程，a-tdma的前導(dǎo)部分必

6、須包含時(shí)鐘信息以及相位，增益和其它數(shù)據(jù)。所以a-tdma的前導(dǎo)部分必然要比s-cdma所用的要長(zhǎng)一一典型的比值是20比8。a-tdma增加的前導(dǎo)長(zhǎng)度產(chǎn)生了更多的開(kāi)銷，傳輸?shù)男视兴档停菀资艿矫}沖噪聲的干擾。如果脈沖足夠強(qiáng)，掩蓋了前導(dǎo)信號(hào)，則整個(gè)的信息載荷也將無(wú)法提取出來(lái)。s-cdma的前導(dǎo)部分較少受到脈沖的侵害，因?yàn)榕ca-tdma相反，前導(dǎo)本身也是經(jīng)過(guò)交織的。在大多數(shù)情況下，由于采用了交織器，脈沖噪聲一般只能損壞s-cdma前導(dǎo)信號(hào)中的一個(gè)信號(hào)。關(guān)于傳輸效率還有一點(diǎn)值得說(shuō)明的是由于a-tdma要對(duì)每次傳輸之間的抖動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償而產(chǎn)生的時(shí)間限制，對(duì)抖動(dòng)進(jìn)行調(diào)整要求在每次發(fā)送之間有一到二個(gè)符號(hào)的

7、“保護(hù)帶寬”，這更進(jìn)一步增加了a-tdma的傳輸開(kāi)銷，特別對(duì)volp和其它一些短分組的情況尤其明顯。docsis2. 0使用了里德-所羅門(rs)前向糾錯(cuò)(fec)來(lái)降低脈沖噪聲及其它噪聲侵害的影響，所以，在脈沖持續(xù)時(shí)間與每個(gè)rs塊的糾錯(cuò)容量t=16字節(jié)相當(dāng)時(shí)，a-tdma系統(tǒng)也受到保護(hù)。然而，由于擴(kuò)展的緣故，s-cdma可以在脈沖噪聲的持續(xù)時(shí)間超出16字節(jié)的情況下給出更強(qiáng)的頑健性。在此，在s-cdma幀內(nèi)交織所有的信號(hào)符號(hào)在保證最小的符號(hào)損壞中起關(guān)鍵的作用。對(duì)t=16的rs糾錯(cuò)編碼，不能有超過(guò)16字節(jié)的信號(hào)被破壞。例如，對(duì)于5。12msps的qam64(每符號(hào)6位)a-tdma信道，設(shè)rs的

8、t=16，分組長(zhǎng)度為64字節(jié)，假如21個(gè)符號(hào)損傷(16字節(jié))，fec就失敗了。所以，對(duì)a-tdma，可以容忍的最大脈沖噪聲持續(xù)時(shí)間為215. 12=4. 1微秒。與此相比，64qam，t=16，每幀擴(kuò)展間隔為32，每個(gè)微時(shí)隙兩個(gè)碼的s-cdma信道將給出最大的保護(hù)，64字節(jié)的分組適合兩個(gè)微時(shí)隙，等效于24位的擴(kuò)展間隔。假如5個(gè)擴(kuò)展間隔被噪聲損壞，則相當(dāng)于5個(gè)每擴(kuò)展間隔24位，共120位或15字節(jié)，rs仍然能夠進(jìn)行糾錯(cuò)。當(dāng)然，如果是6個(gè)擴(kuò)展間隔，132位或18字節(jié)損壞，fec也將失敗。因此，s-cdma的最大可容忍持續(xù)噪聲時(shí)間是5*1285. 12=125微秒，是a-tdma的30倍。一些評(píng)論人

9、員注意到，由于異常高功率的脈沖噪聲，存在一個(gè)臨界點(diǎn)，使得s-cdma的擴(kuò)展效應(yīng)不能夠有效克服脈沖噪聲的能量，來(lái)阻止1128的每碼片噪聲功率對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的干擾。這些看法忽略了2. 0的cmts所采用的asic通過(guò)使用脈沖檢測(cè)和符號(hào)消除技術(shù)，能夠容易地克服高脈沖幅度的問(wèn)題。在cablelabs對(duì)采用這些技術(shù)的接收機(jī)進(jìn)行的高級(jí)phy試驗(yàn)表明，在脈沖突發(fā)為10dbc(超出信號(hào)功率10db)的情況下，系統(tǒng)的性能等效于脈沖突發(fā)為0dbc的情況，有力地證明了高能量的脈沖噪聲可以被有效地處理而不對(duì)信道性能帶來(lái)更多的損害。docsis2. 0在窄帶干擾的情況在docsis2. 0中，抑制外部rf的侵入由廠商自己解

10、決，但cmts接收機(jī)的芯片應(yīng)當(dāng)能夠消除多個(gè)窄帶干擾侵入的影響。最常用的方法是自適應(yīng)濾波和預(yù)均衡。簡(jiǎn)而言之，這些技術(shù)對(duì)a-tdma和s-cdma都是適用的。特別地，在cablelabs進(jìn)行的高級(jí)phy試驗(yàn)表明，s-cdma對(duì)侵入的消除能力，在16qam調(diào)制，6dbc的靜態(tài)侵入條件下，丟包率為1。存在脈沖侵入的情況下，系統(tǒng)能夠忍受8. 5dbc的干擾而保持相同的性能。現(xiàn)在，已經(jīng)有了比上述性能更好的s-cdma接收機(jī)asic芯片可供選用。docsis2. 0在信道畸變的情況docsis2. 0規(guī)定了傳輸符號(hào)之外24個(gè)符號(hào)的回波或諧波分析，docsisl. 1僅僅要求8個(gè)這樣的“抽頭”，這就是2. 0

11、能夠支持更高次調(diào)制直到128qam的原因之一。隨著更高次調(diào)制的符號(hào)密度的增加，對(duì)噪聲的敏感程度也相應(yīng)增加， 比較低的調(diào)制所要求的更小的反射畸變的能力就很重要了。在docsisl. 1和docsis2. 0中，補(bǔ)償畸變的均衡過(guò)程在modem初始測(cè)距的時(shí)候開(kāi)始進(jìn)行，并在以后的周期性維護(hù)過(guò)程中繼續(xù)進(jìn)行。根據(jù)從上行接收均衡器中讀出的系數(shù)，cmts向modem發(fā)送一組“反”發(fā)射機(jī)前置濾波器系數(shù)。cm的預(yù)失真和信道的非線性的合成結(jié)果，導(dǎo)致輸入cmts的信號(hào)完全均衡。如此，cmts能夠識(shí)別并消除相位、頻率以及反射畸變，因此避免了cmts需要對(duì)每個(gè)接收突發(fā)進(jìn)行均衡而在前導(dǎo)部分中增加復(fù)雜性的要求。這種補(bǔ)償畸變的

12、方法對(duì)a-tdma和s-cdma同樣適用良好。由于在docsis2. 0中擴(kuò)充到24個(gè)的“抽頭”，對(duì)a-tdma有一個(gè)細(xì)微但重要的不利影響。在a-tdma模式下，從各個(gè)不同的modem來(lái)的信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)同步，信號(hào)在不同的時(shí)間上被抽樣。這個(gè)時(shí)間差別在不同的突發(fā)之間產(chǎn)生了畸變，即便對(duì)每個(gè)modem的均衡做的很好也不能避免。這些畸變的持續(xù)時(shí)間是信道脈沖相應(yīng)和均衡器長(zhǎng)度的一個(gè)因素。為防止這些畸變，需要在突發(fā)之間增加保護(hù)帶。使用改進(jìn)的較長(zhǎng)預(yù)均衡器，這些保護(hù)帶可以達(dá)到24個(gè)信號(hào)符號(hào)的長(zhǎng)度，這對(duì)短分組來(lái)說(shuō)是相當(dāng)大的開(kāi)銷。 (作為比較，64b凈載荷的分組傳輸用64qam時(shí)要求的信號(hào)符號(hào)稍少于90個(gè))。在s-cd

13、ma中，所有modem發(fā)射的信號(hào)是同步的，在不同modem之間沒(méi)有畸變，從而避免了這種長(zhǎng)時(shí)間的保護(hù)要求。對(duì)加性高斯噪聲(awgn)增強(qiáng)的噪聲邊際docsis2. 0在cm-cmts鏈路上通過(guò)改進(jìn)rsfec和降低可接受的鏈路損耗來(lái)抵抗awgn這種在信號(hào)頻譜上的等強(qiáng)度積累系統(tǒng)噪聲。雖然64個(gè)s-cdma能夠同時(shí)發(fā)射信號(hào)，s-cdma的傳輸特點(diǎn)并不會(huì)產(chǎn)生附加的不可忍受的awgn。考慮64個(gè)modem同時(shí)傳輸?shù)淖顗那闆r，使用參數(shù)如下： mm一傳輸modem數(shù)量=64 n. 一每個(gè)樣本位數(shù)=12 fda-一采樣率=120mhz fs-一信號(hào)符號(hào)率；5. 12mhz pa-一全部代碼激活時(shí)s-cdma的峰

14、值對(duì)平均值比；13db對(duì)比發(fā)射功率的所有modem的組合量化為： (4. 7+6*n-pa+10*logl0(fda2)fs)-10*logl0(m)= (4. 7+6*12-13+10*logl0(12025. 12)10*logl0(64)= -56. 3dbc即使采用輸出為10. 5位的低性能的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(dac)，組合量化噪聲也將有-47. 3dbc。還要注意的是，對(duì)一個(gè)僅發(fā)射2個(gè)碼的modem，發(fā)射功率比所有碼全部激活時(shí)低18db，加于這2個(gè)碼的噪聲功率是總噪聲功率的2128，因此量化功率與上面計(jì)算的結(jié)果是相同的(56. 3dbc)。所以，積累的cable modem輸出在系統(tǒng)的每個(gè)

15、點(diǎn)上都不是一個(gè)限制因素。通過(guò)格子編碼調(diào)制(tcm)的fec技術(shù)，s-cdma還提供了抵抗白噪聲的一個(gè)主要的附加的優(yōu)勢(shì)。tcm使用數(shù)字調(diào)制和糾錯(cuò)處理擴(kuò)展傳輸星座圖來(lái)在傳輸中引入冗余。引入的冗余允許格子解碼器糾正信號(hào)誤碼，根據(jù)使用的星座大小，產(chǎn)生2. 5到4db的增益。運(yùn)營(yíng)商可以利用此編碼增益來(lái)增加容忍噪聲的邊際，或者在系統(tǒng)中采用更高次的調(diào)制，從而獲得更多的系統(tǒng)容量。例如，以qam64調(diào)制，關(guān)閉rs的a-tdma傳輸長(zhǎng)分組時(shí)要求的snr為25. 7db，而以128qam，tcm調(diào)制，關(guān)閉rs的s-cdma傳輸同樣的分組所要求的snr僅有22. 4db。在cablelabs進(jìn)行的先進(jìn)phy測(cè)試中，使

16、用128qamtcm調(diào)制的長(zhǎng)分組傳輸，在awgn噪聲snr為22. 5db時(shí)，得到的丟包率為1。作為一個(gè)較低星座圖運(yùn)行的例子，qpsktcm傳輸將snr的門限降低到2db，而相同條件下的a-tdma為9db。值得注意的是，隨著對(duì)awgn的抵抗力的增強(qiáng)，降低的snr門限為客戶自行安裝使用cable modem創(chuàng)造了一個(gè)有利的環(huán)境。規(guī)范沒(méi)有提供rs和tcm之間的交織。運(yùn)營(yíng)商可自行選擇要用的fec系統(tǒng)，上面的例子中，不用貼的tcm在長(zhǎng)分組傳輸中，使用128qam產(chǎn)生了比不用rs的a-tdma高的增益。在rs的優(yōu)化設(shè)置t=16的例子中，tcm并不對(duì)rs提供更多提高，運(yùn)營(yíng)商可以關(guān)閉tcm。因此，一般來(lái)說(shuō)

17、，不用交織沒(méi)有理由會(huì)妨礙充分獲得tcm所能獲得的好處。. 將docsis2. 0引入docsisi. x環(huán)境許多運(yùn)營(yíng)商想在已經(jīng)運(yùn)行傳統(tǒng)的docsisl. x的tdma modem電纜系統(tǒng)中充分利用docsis2. 0產(chǎn)品的好處。部署docsis2. 0的一個(gè)好處是，docsis2. 0modem提高的效率能夠提高docsisl. x modem的上行性能。另外,使用基于docsis2. 0的modem能夠增加更多的客戶，在現(xiàn)有的條件下帶來(lái)更高水平的性能。在運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始逐漸提供商務(wù)級(jí)服務(wù)的現(xiàn)實(shí)條件下，為新的商務(wù)客戶提供高回傳帶寬能力是非常重要的。在傳統(tǒng)docsis環(huán)境中加入docsis2. 0的另

18、外一個(gè)方法，是在由于docsis2. 0的更加頑健的能力所成就的的信道上使用docsis2. 0的cmts，同時(shí)伴以docsis2. 0的modem,這樣，運(yùn)營(yíng)商就能夠選擇在一個(gè)比較“干凈”的環(huán)境中運(yùn)營(yíng)docsis2. 0的modem,充分利用新技術(shù)的高星座圖能力的優(yōu)勢(shì)，傳遞極高容量的信息。而且，運(yùn)營(yíng)商還可以選擇在噪聲比較大的環(huán)境中部署docsis2. 0的modem,利用其對(duì)噪聲的優(yōu)異抵抗能力，在之前絕無(wú)可能的地方傳遞高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。結(jié)論：在docsis2. 0規(guī)范中包括s-cdma是由于此技術(shù)在多種因素方面對(duì)性能改善的極大貢獻(xiàn)所要求的。充分利用這些好處的關(guān)鍵在于電纜運(yùn)營(yíng)商能夠正確選擇產(chǎn)品，不僅僅是符合規(guī)范的要求，而是最大優(yōu)化a-tdma和s-cdma的性能的產(chǎn)品特色。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，并不會(huì)有極大的復(fù)雜性與成本的顯著不同，其原因是這些能力的實(shí)現(xiàn)最終是靠有限的一些cmts接收機(jī)asic生產(chǎn)商來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 因此docsis2.0 技術(shù)是融合和擴(kuò)展了s-cdma、tdma技術(shù)形成了具有兼容現(xiàn)有docsis1.0/1.1并且通過(guò)擴(kuò)展形成高級(jí)s-cdma、a-tdma技術(shù)。使