有线电视速度飙到10Gbps,光纤承受不住?DOCSIS3.1技术了解一下!

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5G是移动设备和蜂窝基础设施的年度热词,而有线电视基础设施也正尽己所能来提升系统容量,支持向 5G 过渡。
 
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目前正在开发的一项突破性的 CATV 技术是全双工 DOCSIS 3.1,全双工 DOCSIS 3.1(简称 FDX)是 CATV 运营商力图增加其 HFC 网络容量,以支持下一代数据需求的一种方法。它将大幅提高现有混合光纤同轴 (HFC) 有线电视网络的上行容量。什么是全双工 DOCSIS?它与目前部署的 DOCSIS 3.1 技术有何不同?这个新标准有哪些挑战?下面我们就来探讨一下。
 
DOCSIS 3.1 的当前现状
 
DOCSIS(即有线电缆数据服务接口规范)于 20 世纪 90 年代后期推出,当时有线电视行业正由模拟传输系统转向数字传输系统。DOCSIS 1.0 允许数字信号通过现有的模拟同轴电缆系统传输,而 DOCSIS 规范的后续版本为系统带来了更高的数据速率和性能,如下表所示。
 
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美国多家MSO(包括Comcast、Mediacom和Midco)已在多个城市部署了DOCSIS 3.1,并且 2018 年可能还会有更多的 MSO 实施部署。
 
向全双工 DOCSIS 3.1 迁移
 
即使采用最新的 DOCSIS 3.1,有线行业 HFC 网络的上行容量可能还是不能满足长远需求。实现 10 Gbps 对称型流传输(即下行和上行双向 10 Gbps)目标,出于以下几个原因:
 
① 诸如光纤之类的竞争技术已能实现 10 Gbps 对称传输。CATV 运营商需要达到 10 Gbps 的上行速度,才能保持对于 Google 光纤、光纤到户 (FTTH) 和无源光纤网络 (PON) 的竞争力,后几者已能实现 10 Gbps 的上行传输速率。
 
② 新兴应用要求更快的上行和下行速率。当前的上行容量也许足以满足现有应用,例如流媒体视频或 Facebook 直播。但有线电视网络仍需要大幅提高其上行容量,以支持新的用户体验和未来应用,如虚拟现实、自动驾驶汽车、传感器网络、互联智能家居等其他应用。这些新应用将带来上行和下行传输数据量的指数级增长。
 
③ 有线和光纤网络需要支持 5G 应用不断增长的带宽和数据需求。随着蜂窝网络在未来几年内升级至 5G,有线和光纤网络也需要提高其容量,协助整个基础设施支持 5G。
 
 
最具挑战性的难题是拆除现有同轴电缆或升级主控端的代价高昂。而有线 MSO 希望延长其现有铜线同轴网络的使用寿命,并正在寻求替代方法来提高有线电视网络的带宽。全双工 (FDX) DOCSIS 就是他们的解决方案。
 
全双工 DOCSIS 是 DOCSIS 3.1 规范的衍生版,它大幅提高了上行容量,并使有线 MSO 的上行和下行速率均可达到 10 Gbps。
 
 
思科公司和英特尔公司于 2017 年春季和秋季在 ANGA COM 和 SCTE 上进行了 概念验证演示,证明了 FDX 的可行性,CableLabs 也于 2017 年 10 月发布了全双工 DOCSIS 3.1 规范正式版。自此,供应商开始大张旗鼓地开发支持 FDX 的节点和调制解调器,首个 Comcast 的 FDX 节点预期将于今年夏季投入初始试验。2018 年底或 2019 年初应该可以看到一些 MSO 的现场测试,并且 2019 年将会实施首个北美地区 FDX 商用部署。
 
术语表
 
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今日 FDD,明日 FDX
 
有线电视系统支持 50 MHz 至 1.2 GHz 固定频段中的每个传输频率。自 20 世纪 70 年代以来,CATV 网络就一直采用频分双工 (FDD)技术, 其上行和下行数据传输之间的频段是分开的。FDD 传输的上行和下行信号不会相互干扰,因为其频率不会重叠,如下图所示。
 
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为了实现 10 Gbps 完全对称流传输,有线电视系统必须从 FDD 转变为全双工。采用 FDX DOCSIS 技术时,MSO 可以使用全频段同时进行上行和下行双向传输,可在某些频率上重叠传输。
 
应对 DOCSIS FDX 的 RF 挑战
 
实现全双工对称流传输需要面临许多挑战。我们来探讨一些最大的挑战。
 
1. 深度光纤 (Fiber Deep) 网络第一步,有线运营商将更多功能从主控端迁至现场。主控端庞大且昂贵,需要巨额资本支出和维护费用。为了实现 FDX 并降低成本,MSO 将光纤电缆推入网络的更深层,迁移至具有数字远程 PHY 节点的 N+0 网络。在深度光纤网络中,节点中只有一个放大器;无需连接额外的放大器。为了实现 FDX,还需要在远程 PHY 节点进行许多技术创新和升级,例如回声消除、耦合器和节点的其他复杂部分。
 
2. 更高复合输出功率。采用 FDX 可提高复合功率,以支持倾斜、回声消除和其他需求。对于目前的 DOCSIS 3.1 远程 PHY 深度光纤应用,放大器的输出要求为 76.8 dBmV。其挑战在于这超出了目前市场上大多数放大器的能力。
 
3. 回声消除。试想您正在提高嗓门大声喊叫,而街对面有个人正对您轻声低语。同时,您身处都市峡谷中,喊叫的回声甚至比低语声更响。这实质上就是 FDX DOCSIS 3.1 面临的挑战。有线远程 PHY 节点必须消除所有回声,忽略“喊叫声”(下行传输信号),并从上行传输中获取微弱的接收信号。
回声消除是 FDX 的最大挑战之一。这将需要一些非常复杂的数字信号处理 (DSP),而这在目前节点中尚不具备,它也会增加对节点处理能力的要求。总体上,处理回声消除会增加功率消耗.开发符合直流功率目标的元件并获取合适的回声消除技术是一场竞技。
 
4. 调制误差比 (MER)。FDX 最大的 RF 挑战是 MER,它测量符号点在星座图中的分布状况,以及由此产生的调制误差。MER 包括来自所有离散杂散噪声、载波泄漏、时钟线路、合成器产品、线性和非线性失真、其他不需要的发射器和接收器产品、入口以及相似通道内缺陷的各种影响。从本质上讲,FDX 的挑战是试图以极低的直流功率获得很高的 RF 功率,并且误差很小(低 MER)。
 
5. 数字预失真 (DPD)。DPD 用于提高功率放大器的效率。DPD 算法可预测放大器的非线性行为,对其进行修正并降低放大器功耗,从而可实现远程 PHY 和节点+0。为了采用 FDX,器件需要针对 DPD 进行优化。采用 DPD 算法将带来更高的效率、更优的 ACPR(线性度)和更低的 MER,并能降低运营及有线提供商成本。
 
Qorvo 提供的支持 FDX 的产品
 
全双工 DOCSIS 是一个复杂的领域,Qovro 正与众多客户携手合作,开发符合 FDX 严苛要求的元件和解决方案。以下是我们提供的一些支持全双工 DOCSIS 的特色产品:
 
更高复合输出功率:Qorvo RFPD3580 混合式 GaN 放大器
 
Qorvo 凭借 RFPD3580 混合式 GaN CATV 放大器,成为目前业界唯一全面量产提供复合输出功率高达 76.8 dBmV 放大器的供应商。
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针对数字预失真 (DPD) 进行了优化:QPA3250 混合式功率倍增器
 
DPD 已在众多无线器件中得到广泛应用,但该技术在 CATV 中还不常见。我们正与 DPD 主要开发商合作,以优化我们的 CATV 器件应用 RF 解决方案,如 QPA3250 是一款针对 FDX 的 DPD 进行优化的混合式功率倍增器。这些器件可实现同样的 MER 和输出功率,而电流却更低。QPA3250 将于 2018 年底发布。
 
适合信号倾斜调整的即插即用型单个元件:QPC7336 DOCSIS 3.1可变均衡器
 
对信号进行倾斜调整的电路称为均衡器。目前,在大多数节点中,通过插入塑料插件式模块进行所需的信号倾斜调整。不幸的是,这种方法并不总能达到理想效果,因为其倾斜值是固定值(如 10 dB)。
 
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相比之下,我们的QPC7336 采用最新的绝缘硅片 (SOI) 技术,可提供所需的倾斜范围。QPC7336 能够提供 5-15 dB 的倾斜范围,可通过微控制器和 DAC(数模转换器)进行控制。
 
在大多数 HFC 系统中,放大器的倾斜通常设为两级。通过在一个插槽中采用我们的两个器件,有线运营商可以灵活地远程改变倾斜度,无需向实际地点派遣维修车。这是一种创新方式,我们非常自豪能拥有这项技术的少数解决方案之一。
 
支持 FDX 的反向放大器:QPB8896 平衡式反向路径放大器
 
除了下行传输解决方案之外,我们还提供QPB8896,一款支持 FDX 的反向放大器,支持 5-700 MHz FDX 上行传输。这款放大器具有非常低的噪声和高增益,将于 2018 年中上市。
 
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FDX:确保正确抉择的竞技
 
虽然全双工 DOCSIS 3.1 在开发和部署中面临着众多挑战,但这是业界激动人心的时刻。有线制造商正与包括 Qorvo 在内的 RF 提供商密切合作,以帮助降低总体直流功率,提高总体射频功率并设计定制型解决方案。
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