【無線射頻通信】-新興的基于全雙工通信技術(shù)的雙向有線電視寬帶網(wǎng)絡(luò)

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----新興的基于全雙工通信技術(shù)的雙向有線電視寬帶網(wǎng)絡(luò)1、引言

最新一代的DOCSIS技術(shù)（DOCSIS3.1）極大程度地提高了雙向有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量非對(duì)稱的DOCSIS3.1可達(dá)下行10Gbps/上行1Gbps，對(duì)稱的DOCSIS3.1可達(dá)下行10Gbps/上行10Gbps。

為了支撐通過雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)向用戶供應(yīng)上行/下行對(duì)稱的Gbps接入速率，就需要增大上行網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量。而"全雙工DOCSIS通信技術(shù)'（基于DOCSIS3.1接入技術(shù)）可以在不"犧牲'（這是該技術(shù)的最大亮點(diǎn)）下行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量的狀況下來提高上行網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量，并將從2023年7月起進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化階段（該標(biāo)準(zhǔn)被稱為DOCSIS3.1標(biāo)準(zhǔn)的"incrementalevolution（增量式演進(jìn)）'）。

Nokia已于2023年5月末首次演示全雙工DOCSIS3.1技術(shù)的概念驗(yàn)證（相關(guān)原型解決方案的名稱為"XG-CABLE'），實(shí)現(xiàn)了在具有100米長(zhǎng)度同軸電纜的雙向有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)（其上限截至頻率為1.2GHz）上/下行對(duì)稱10Gbps速率。目前，Nokia正聯(lián)合北美及歐洲的一些主流的雙向有線電視寬帶網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商討論于現(xiàn)網(wǎng)部署全雙工通信技術(shù)的可行性。另外，Cisco（思科）公司也在2023年5月發(fā)布首份相關(guān)的白皮書。

本文就介紹基于雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)的全雙工DOCSIS技術(shù)及其所能帶來的潛在的容量增益相關(guān)全雙工通信解決方案綜合考慮了雙向有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)不斷向前演進(jìn)背景之下的后向兼容性問題、性能問題、可擴(kuò)展性問題、終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單度問題。

2、新興的全雙工通信技術(shù)

無論是有線通信技術(shù)還是無線通信技術(shù)，均使用FDD（頻分復(fù)用）或TDD（時(shí)分復(fù)用）機(jī)制來打造雙向的通信系統(tǒng)。

實(shí)行FDD時(shí)，可用的頻譜資源被分成US（上行）信道及DS（下行）信道（在無線通信中分別為上行鏈路與下行鏈路信道），且相互間不重疊或通過設(shè)置愛護(hù)帶來防止上行信號(hào)與下行信號(hào)相互干擾。于是，下行信道與上行信道的頻段分割比就成為打算下行系統(tǒng)與上行系統(tǒng)容量比的主要因素。從而，要增大上行網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量，就必定要以"犧牲'下行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量為代價(jià)，反之亦然。

實(shí)行TDD時(shí)，上行信道與下行信道使用相同的頻譜資源，但在不同的時(shí)間段發(fā)送信號(hào)以避開上行信號(hào)與下行信號(hào)的相互干擾。于是，下行信道與上行信道的時(shí)間分割比就成為打算下行系統(tǒng)與上行系統(tǒng)容量比的主要因素。從而，要增大上行網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量，就必定要以"犧牲'下行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量為代價(jià)，反之亦然。

實(shí)現(xiàn)雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)所實(shí)行的經(jīng)典DOCSIS技術(shù)所用的是FDD這種雙工機(jī)制：上行信道所在的頻段有3種配置（5~42MHz、5~65MHz、5~85MHz），下行信道與電視/視頻廣播共享使用高端部分的物理頻頻段（最高可達(dá)1GHz頻點(diǎn)）。

假如要提高DOCSIS接入網(wǎng)絡(luò)容量，要么增大頻譜資源利用效率（比如將DOCSIS3.0技術(shù)升級(jí)為DOCSIS3.1技術(shù)），要么為DOCSIS指配/安排更多的可用物理頻段。但是，雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源是有限的（無法延長(zhǎng)最高頻點(diǎn)），從而，增大DOCSIS上行信道的容量就必定要"犧牲'一部分下行信道的系統(tǒng)容量。

依據(jù)上述部分的爭(zhēng)論，TDD或FDD這兩種雙工機(jī)制的應(yīng)用目標(biāo)在于通過防止上行頻譜與下行頻譜在時(shí)域或頻域的重疊來防止上行信號(hào)與下行信號(hào)產(chǎn)生相互干擾。最近，無線通信技術(shù)研發(fā)所取得的最新進(jìn)展顯示，高級(jí)干擾消退技術(shù)使得FDX（全雙工通信）成為可能。

在全雙工通信系統(tǒng)之中，上行與下行實(shí)行相同的物理頻段進(jìn)行并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，而上行信號(hào)與下行信號(hào)之間的干擾則在接收機(jī)側(cè)消退（實(shí)行高級(jí)的干擾消退技術(shù)），且需要消退自干擾，由于接收機(jī)的信號(hào)放射端口與信號(hào)接收端口的電平隔離度是有限的，處于高電平狀態(tài)的放射信號(hào)就會(huì)干擾處于低電平狀態(tài)的所接收到的信號(hào)。抱負(fù)狀況是，組合電路應(yīng)由一個(gè)端口隔離度無限大的環(huán)形器組成，以防止信號(hào)放射端口與信號(hào)接收端口之間消失交叉耦合。

此外，目前，接收機(jī)側(cè)的自干擾消退可在RF（射頻）域?qū)崿F(xiàn)，也可在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)，還可在射頻/數(shù)字混合域來實(shí)現(xiàn)。

3、新興的全雙工DOCSIS接入網(wǎng)絡(luò)

目前基于DOCSIS標(biāo)準(zhǔn)的雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)，可用的上行信道頻段資源極其有限。這樣，假如于其中部署了全雙工通信技術(shù)，就可以為上行信道供應(yīng)額外的物理帶寬，同時(shí)保證下行信道具有足夠多的可用物理帶寬。

而為了在現(xiàn)有的雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)中部署全雙工通信技術(shù)，需要重點(diǎn)考慮的包括與前面各代DOCSIS的后向兼容性、性能、可擴(kuò)展性、設(shè)備實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單度。相關(guān)技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展要快于預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)。下面進(jìn)行具體介紹。

（1）后向兼容性問題。假如一個(gè)全雙工通信DOCSIS終端要與實(shí)行此前各代DOCSIS標(biāo)準(zhǔn)的雙向有線電視終端實(shí)現(xiàn)兼容，其就必需能在達(dá)到目標(biāo)KPIs（關(guān)鍵性能指標(biāo)）的同時(shí)，與后者共存于同一張雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)。其中的頻譜既可以是共享的物理頻段，也可以是專用的物理頻段前者可以提高頻譜資源利用效率，但是終端設(shè)備的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單度較實(shí)行后者的方式時(shí)更大。例如，在最新一代的DOCSIS3.1技術(shù)中，可通過部署TaFDM（時(shí)分及頻分復(fù)用）機(jī)制使得SC-QAM（單載波QAM調(diào)制）與OFDMA（正交頻分復(fù)用多址接入）信道共享使用上行頻譜資源，而在下行方向，各個(gè)SC-QAMs信道與OFDM信道則使用專用的頻譜資源。

（2）性能問題。在雙向有線電視寬帶網(wǎng)絡(luò)之中，上行與下行對(duì)稱型業(yè)務(wù)的流量在不斷增長(zhǎng)（尤其是在光纖到戶FTTH網(wǎng)絡(luò)之中）。目前的DOCSIS接入網(wǎng)絡(luò)在下行方向已能供應(yīng)1Gbps的接入，因此，上行方向合理的初期性能目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是供應(yīng)1Gbps的速率，以使得DOCSIS接入網(wǎng)能像用戶供應(yīng)上行與下行對(duì)稱1Gbps的業(yè)務(wù)。同時(shí)，新一代的DOCSIS還應(yīng)具備按需擴(kuò)展至更高等級(jí)速率的力量。

（3）可擴(kuò)展性問題。假如要在雙向有線電視寬帶網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)網(wǎng)中進(jìn)行技術(shù)的升級(jí)/更新?lián)Q代，就需要考慮如何把對(duì)于在網(wǎng)用戶的影響降低到最小的程度。那些基于網(wǎng)絡(luò)容量實(shí)際需求的、逐步演進(jìn)部署的相關(guān)解決方案，更利于促進(jìn)技術(shù)升級(jí)并減小由此而帶來的相關(guān)成本。這些解決方案需要能基于用戶數(shù)量的增長(zhǎng)及用戶業(yè)務(wù)需求的提高進(jìn)行高效擴(kuò)展，同時(shí)保持與上一代技術(shù)的后向兼容性。這種可擴(kuò)展性就使得雙向有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商無需進(jìn)行簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)、無需更換現(xiàn)有全部用戶的終端設(shè)備（不會(huì)造成業(yè)務(wù)中斷）即可逐步于現(xiàn)網(wǎng)中部署新興技術(shù)。

（4）終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單度問題。對(duì)終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單度進(jìn)行管理，直接關(guān)系到對(duì)新興技術(shù)部署成本的管理。在現(xiàn)有的雙向有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之中，CMTS（局端/頭端設(shè)備）被眾多CMs（終端設(shè)備）共享使用，為此，把CM的簡(jiǎn)單度降低到最小程度、將更多的功能集成/上移到CMTS或?qū)⑹且粋€(gè)可行的解決方案。

基于上述考量，CableLabs（有線電視網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)室）研發(fā)出一種基于全雙工通信解決方案的DOCSIS3.1技術(shù)來提高雙向有線電視寬帶網(wǎng)絡(luò)的上行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。相關(guān)的全雙工技術(shù)架構(gòu)如下描述：

在該解決方案之中，如圖4所示，CMTS工作于全雙工模式（在DOCSIS信道之中。圖1），與此同時(shí)，在任何一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，某個(gè)CM終端可通過某個(gè)特定的信道發(fā)送或者接收信號(hào)，也可通過不同的信道同時(shí)發(fā)送或者接收信號(hào)（圖2）。

圖1、CMTS局端的全雙工信道視圖[1]

圖2、CM終端的全雙工信道視圖[1]

實(shí)行這種方式時(shí)，"干擾消退'就僅在CMTS局端側(cè)進(jìn)行，從而就可以把CM全雙工終端的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單度降低到最小程度。

此外，CMTS局端側(cè)進(jìn)行干擾消退的性能直接影響到雙向有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)所能達(dá)到的上行系統(tǒng)容量，而CMTS下行信號(hào)放射功率（電平）及干擾圖樣影響下行系統(tǒng)容量。

另外，還需要考慮解決全雙工DOCSIS終端設(shè)備與傳統(tǒng)DOCSIS終端設(shè)備的共存問題（尤其是當(dāng)需要共享下行頻譜資源時(shí)）。傳統(tǒng)DOCSIS終端設(shè)備會(huì)持續(xù)偵聽CMTS局端的各個(gè)下行信道。全雙工DOCSIS終端設(shè)備上行放射信號(hào)有可能會(huì)對(duì)接近的傳統(tǒng)DOCSIS終端下行接收信號(hào)產(chǎn)生潛在的干擾。

全雙工CM上行信號(hào)對(duì)另一CM下行信號(hào)的干擾程度，取決于各自的RF（射頻）隔離度凹凸。假如終端設(shè)備間的RF隔離度較差，上述這種干擾現(xiàn)象就將會(huì)比較顯著。CableLabs的試驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)表明：同一RF安排器所連接的CMs終端的上行發(fā)送信號(hào)會(huì)對(duì)下行信號(hào)產(chǎn)生高電平干擾，從而嚴(yán)峻影響其接收下行信號(hào)的力量；不同RF安排器所連接的CMs終端則不會(huì)為上行傳輸所影響，或下行SNR（信噪比）數(shù)值降低（從而需要這些CMs終端實(shí)行更低階的調(diào)制）。

因此，為了把對(duì)CM下行接收的影響降低到最小的程度，CMTS局端將需要對(duì)終端設(shè)備間（設(shè)備A到設(shè)備B）的干擾進(jìn)行管理。一種可能的解決途徑為：先確定/定位與雙工設(shè)備相關(guān)的干擾組（被全雙工CMs上行信號(hào)所干擾的CMs終端），CMTS局端再基于干擾組對(duì)CMs調(diào)度作對(duì)齊處理干擾組之中的CMs終端不會(huì)被支配接收數(shù)據(jù)或者實(shí)行低階調(diào)制方式，而全雙工終端設(shè)備則被調(diào)度用于上行數(shù)據(jù)傳輸。

可以通過信道探測(cè)來測(cè)知CMs終端設(shè)備之間的隔離度，并以此確定出干擾組。信道探測(cè)的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方式為：CMs終端實(shí)時(shí)測(cè)量被全雙工終端干擾后的接收功率電平，并將其上報(bào)給CMTS局端。

4、全雙工DOCSIS接入網(wǎng)絡(luò)的性能

部署了新興全雙工DOCSIS通信技術(shù)之后的雙向有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)所能具備的潛在系統(tǒng)容量，取決于雙向有線電視寬帶接入基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的射頻性能、CMTS局端/CM終端的力量、CMTS局端的自干擾消退性能。

對(duì)此，有線電視網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)室以下述條件來評(píng)估上述潛在的系統(tǒng)容量所可達(dá)到的水平：CMTS局端/CM終端的力量方面實(shí)行最新一代的DOCSIS3.1標(biāo)準(zhǔn)；雙向有線電視寬帶接入基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的射頻性能方面，以如圖3所示的無源同軸接入網(wǎng)來測(cè)試，該接入網(wǎng)的技術(shù)參數(shù)如表1所示；CMTS局端的自干擾消退性能方面，假設(shè)CMTS局端調(diào)度器允許干擾組之內(nèi)的各CMs在存在干擾（來自于接近的全雙工終端設(shè)備）的狀況之下接收低階調(diào)制信號(hào)。

圖3、無源雙向有線電視同軸接入網(wǎng)絡(luò)

表1、圖3中所示網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)詳細(xì)數(shù)值CMTS下行放射功率41dBmV/6MHz目標(biāo)上行信號(hào)接收功率0dBmV/6MHz最大CM終端上行放射功率65dBmVDOCSIS信道帶寬192MHz同軸網(wǎng)絡(luò)段的信號(hào)損耗4.5dB系統(tǒng)效率80%依據(jù)上述條件，有線電視網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)室測(cè)得了在不同的CMTS局端自干擾消退性能（dB）下，全雙工DOCSIS3.1寬帶接入網(wǎng)絡(luò)的上行系統(tǒng)容量與下行系統(tǒng)容量，詳細(xì)如圖7所示。

圖4、全雙工DOCSIS3.1系統(tǒng)的上行與下行容量

對(duì)于最新一代的DOCSIS3.1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，與不存在相關(guān)干擾時(shí)相比，存在干擾時(shí)，下行系統(tǒng)的容量會(huì)降低11%。

有線電視網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)室分析認(rèn)為，假如對(duì)CMs終端上行信號(hào)發(fā)送功率、CMTS局端下行信號(hào)發(fā)送功率、CMTS局端自干擾消退性能（dB）進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，全雙工DOCSIS3.1網(wǎng)絡(luò)的上行與下行系統(tǒng)容量均可得到進(jìn)一步的提升。另外，還可以這樣的方式來進(jìn)一步增大下行系統(tǒng)的容量：調(diào)度干擾組內(nèi)的部分CMs終端傳送下行數(shù)據(jù)（當(dāng)干擾組內(nèi)的全部CMs終端均沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)