基于全双工通信技术的双向有线电视宽带网络技术

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1、引言

最新一代的DOCSIS技术(DOCSIS 3.1)极大程度地提高了双向有线电视宽带接入网络的系统容量——非对称的DOCSIS 3.1可达下行10 Gbps/上行1 Gbps,对称的DOCSIS 3.1可达下行10 Gbps/上行10 Gbps。

为了支撑通过双向有线电视网络向用户提供上行/下行对称的Gbps接入速率,就需要增大上行网络的系统容量。而“全双工DOCSIS通信技术”(基于DOCSIS 3.1接入技术)可以在不“牺牲”(这是该技术的最大亮点)下行网络系统容量的情况下来提高上行网络的系统容量,并将从2016年7月起进入标准化阶段(该标准被称为DOCSIS 3.1标准的“incremental evolution(增量式演进)”)。

Nokia已于2016年5月末首次演示全双工DOCSIS 3.1技术的概念验证(相关原型解决方案的名称为“XG-CABLE”),实现了在具有100米长度同轴电缆的双向有线电视宽带接入网络(其上限截至频率为1.2 GHz)上/下行对称10 Gbps速率。目前,Nokia正联合北美及欧洲的一些主流的双向有线电视宽带网络运营商研究于现网部署全双工通信技术的可行性。另外,Cisco(思科)公司也在2016年5月发布首份相关的白皮书。

本文就介绍基于双向有线电视网络的全双工DOCSIS技术及其所能带来的潜在的容量增益——相关全双工通信解决方案综合考虑了双向有线电视宽带接入网络在技术不断向前演进背景之下的后向兼容性问题、性能问题、可扩展性问题、终端设备实现的复杂度问题。

2、新兴的全双工通信技术

无论是有线通信技术还是无线通信技术,均使用FDD(频分复用)或TDD(时分复用)机制来打造双向的通信系统。

采取FDD时,可用的频谱资源被分成US(上行)信道及DS(下行)信道(在无线通信中分别为上行链路与下行链路信道),且相互间不重叠或通过设置保护带来防止上行信号与下行信号相互干扰。于是,下行信道与上行信道的频段分割比就成为决定下行系统与上行系统容量比的主要因素。从而,要增大上行网络的系统容量,就必定要以“牺牲”下行网络系统容量为代价,反之亦然。

采取TDD时,上行信道与下行信道使用相同的频谱资源,但在不同的时间段发送信号以避免上行信号与下行信号的相互干扰。于是,下行信道与上行信道的时间分割比就成为决定下行系统与上行系统容量比的主要因素。从而,要增大上行网络的系统容量,就必定要以“牺牲”下行网络系统容量为代价,反之亦然。

实现双向有线电视网络所采取的经典DOCSIS技术所用的是FDD这种双工机制:上行信道所在的频段有3种配置(5~42 MHz、5~65 MHz、5~85 MHz),下行信道与电视/视频广播共享使用高端部分的物理频频段(最高可达1 GHz频点)。

如果要提高DOCSIS接入网络容量,要么增大频谱资源利用效率(比如将DOCSIS 3.0技术升级为DOCSIS 3.1技术),要么为DOCSIS指配/分配更多的可用物理频段。但是,双向有线电视网络的频谱资源是有限的(无法延伸最高频点),从而,增大DOCSIS上行信道的容量就必然要“牺牲”一部分下行信道的系统容量。

根据上述部分的讨论,TDD或FDD这两种双工机制的应用目标在于通过防止上行频谱与下行频谱在时域或频域的重叠来防止上行信号与下行信号产生相互干扰。最近,无线通信技术研发所取得的最新进展显示,高级干扰消除技术使得FDX(全双工通信)成为可能。

在全双工通信系统之中,上行与下行采取相同的物理频段进行并发数据传输,而上行信号与下行信号之间的干扰则在接收机侧消除(采取高级的干扰消除技术),且需要消除自干扰,由于接收机的信号发射端口与信号接收端口的电平隔离度是有限的,处于高电平状态的发射信号就会干扰处于低电平状态的所接收到的信号。理想情况是,组合电路应由一个端口隔离度无限大的环形器组成,以防止信号发射端口与信号接收端口之间出现交叉耦合。

此外,目前,接收机侧的自干扰消除可在RF(射频)域实现,也可在数字域实现,还可在射频/数字混合域来实现。

3、新兴的全双工DOCSIS接入网络

目前基于DOCSIS标准的双向有线电视网络,可用的上行信道频段资源极其有限。这样,如果于其中部署了全双工通信技术,就可以为上行信道提供额外的物理带宽,同时保证下行信道具有足够多的可用物理带宽。

而为了在现有的双向有线电视网络中部署全双工通信技术,需要重点考虑的包括与前面各代DOCSIS的后向兼容性、性能、可扩展性、设备实现的复杂度。相关技术的研发进展要快于预先设定的目标。下面进行详细介绍。

(1)后向兼容性问题。如果一个全双工通信DOCSIS终端要与采取此前各代DOCSIS标准的双向有线电视终端实现兼容,其就必须能在达到目标KPIs(关键性能指标)的同时,与后者共存于同一张双向有线电视网络。其中的频谱既可以是共享的物理频段,也可以是专用的物理频段——前者可以提高频谱资源利用效率,但是终端设备的实现复杂度较采取后者的方式时更大。例如,在最新一代的DOCSIS 3.1技术中,可通过部署TaFDM(时分及频分复用)机制使得SC-QAM(单载波QAM调制)与OFDMA(正交频分复用多址接入)信道共享使用上行频谱资源,而在下行方向,各个SC-QAMs信道与OFDM信道则使用专用的频谱资源。

(2)性能问题。在双向有线电视宽带网络之中,上行与下行对称型业务的流量在不断增长(尤其是在光纤到户FTTH网络之中)。目前的DOCSIS接入网络在下行方向已能提供1 Gbps的接入,因此,上行方向合理的初期性能目标应该是提供1 Gbps的速率,以使得DOCSIS接入网能像用户提供上行与下行对称1 Gbps的业务。同时,新一代的DOCSIS还应具备按需扩展至更高等级速率的能力。

(3)可扩展性问题。如果要在双向有线电视宽带网络的现网中进行技术的升级/更新换代,就需要考虑如何把对于在网用户的影响降低到最小的程度。那些基于网络容量实际需求的、逐步演进部署的相关解决方案,更利于促进技术升级并减小由此而带来的相关成本。这些解决方案需要能基于用户数量的增长及用户业务需求的提高进行高效扩展,同时保持与上一代技术的后向兼容性。这种可扩展性就使得双向有线电视宽带接入网络运营商无需进行复杂的网络升级、无需更换现有所有用户的终端设备(不会造成业务中断)即可逐步于现网中部署新兴技术。

(4)终端设备实现的复杂度问题。对终端设备实现的复杂度进行管理,直接关系到对新兴技术部署成本的管理。在现有的双向有线电视宽带接入网络架构之中,CMTS(局端/头端设备)被众多CMs(终端设备)共享使用,为此,把CM的复杂度降低到最小程度、将更多的功能集成/上移到CMTS或将是一个可行的解决方案。

基于上述考量,CableLabs(美国有线电视网络实验室)研发出一种基于全双工通信解决方案的DOCSIS 3.1技术来提高双向有线电视宽带网络的上行网络系统容量。相关的全双工技术架构如下描述:

在该解决方案之中,如图4所示,CMTS工作于全双工模式(在DOCSIS信道之中。图1),与此同时,在任何一个时间点,某个CM终端可通过某个特定的信道发送或者接收信号,也可通过不同的信道同时发送或者接收信号(图2)。

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图1、CMTS局端的全双工信道视图[1]

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图2、CM终端的全双工信道视图[1]

采取这种方式时,“干扰消除”就仅在CMTS局端侧进行,从而就可以把CM全双工终端的实现复杂度降低到最小程度。

此外,CMTS局端侧进行干扰消除的性能直接影响到双向有线电视宽带接入网络所能达到的上行系统容量,而CMTS下行信号发射功率(电平)及干扰图样影响下行系统容量。

另外,还需要考虑解决全双工DOCSIS终端设备与传统DOCSIS终端设备的共存问题(尤其是当需要共享下行频谱资源时)。传统DOCSIS终端设备会持续侦听CMTS局端的各个下行信道。全双工DOCSIS终端设备上行发射信号有可能会对临近的传统DOCSIS终端下行接收信号产生潜在的干扰。

全双工CM上行信号对另一CM下行信号的干扰程度,取决于各自的RF(射频)隔离度高低。如果终端设备间的RF隔离度较差,上述这种干扰现象就将会比较显著。CableLabs的实验室测试数据表明:同一RF分配器所连接的CMs终端的上行发送信号会对下行信号产生高电平干扰,从而严重影响其接收下行信号的能力;不同RF分配器所连接的CMs终端则不会为上行传输所影响,或下行SNR(信噪比)数值降低(从而需要这些CMs终端采取更低阶的调制)。

因此,为了把对CM下行接收的影响降低到最小的程度,CMTS局端将需要对终端设备间(设备A到设备B)的干扰进行管理。一种可能的解决途径为:先确定/定位与双工设备相关的干扰组(被全双工CMs上行信号所干扰的CMs终端),CMTS局端再基于干扰组对CMs调度作对齐处理——干扰组之中的CMs终端不会被安排接收数据或者采取低阶调制方式,而全双工终端设备则被调度用于上行数据传输。

可以通过信道探测来测知CMs终端设备之间的隔离度,并以此确定出干扰组。信道探测的具体实现方式为:CMs终端实时测量被全双工终端干扰后的接收功率电平,并将其上报给CMTS局端。

4、全双工DOCSIS接入网络的性能

部署了新兴全双工DOCSIS通信技术之后的双向有线电视宽带接入网络所能具备的潜在系统容量,取决于双向有线电视宽带接入基础网络的射频性能、CMTS局端/CM终端的能力、CMTS局端的自干扰消除性能。

对此,美国有线电视网络实验室以下述条件来评估上述潜在的系统容量所可达到的水平:CMTS局端/CM终端的能力方面采取最新一代的DOCSIS 3.1标准;双向有线电视宽带接入基础网络的射频性能方面,以如图3所示的无源同轴接入网来测试,该接入网的技术参数如表1所示;CMTS局端的自干扰消除性能方面,假设CMTS局端调度器允许干扰组之内的各CMs在存在干扰(来自于临近的全双工终端设备)的情况之下接收低阶调制信号。

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图3、无源双向有线电视同轴接入网络

表1、图3中所示网络的技术参数

技术参数 具体数值
CMTS下行发射功率 41 dBmV/6 MHz
目标上行信号接收功率 0 dBmV/6 MHz
最大CM终端上行发射功率 65 dBmV
DOCSIS信道带宽 192 MHz
同轴网络段的信号损耗 4.5 dB
系统效率 80%

根据上述条件,美国有线电视网络实验室测得了在不同的CMTS局端自干扰消除性能(dB)下,全双工DOCSIS 3.1宽带接入网络的上行系统容量与下行系统容量,具体如图7所示。

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图4、全双工DOCSIS 3.1系统的上行与下行容量

对于最新一代的DOCSIS 3.1网络系统,与不存在相关干扰时相比,存在干扰时,下行系统的容量会降低11%。

美国有线电视网络实验室分析认为,如果对CMs终端上行信号发送功率、CMTS局端下行信号发送功率、CMTS局端自干扰消除性能(dB)进行联合优化,全双工DOCSIS 3.1网络的上行与下行系统容量均可得到进一步的提升。另外,还可以这样的方式来进一步增大下行系统的容量:调度干扰组内的部分CMs终端传送下行数据(当干扰组内的所有CMs终端均没有数据需要发送至CMTS局端的时候),于是就无需采用低阶调制而继续采用高阶射频调制,从而就可再提高全双工DOCSIS 3.1网络下行系统容量。

5、总结

在双向有线电视宽带接入网络中部署最新的全双工通信技术具有这样的潜力:极大程度地提高上行系统容量;使得双向有线电视宽带接入网络可提供上行与下行对称Gbps的速率。新兴的基于全双工通信技术的双向有线电视宽带网络采取了最新的DOCSIS 3.1宽带接入技术,利用了双向有线电视宽带接入网络的射频性能、CMTS局端的自干扰消除性能(dB)及智能调度功能。

参考文献:

[1] Belal Hamzeh. Full Duplex DOCSIS Technology over HFC Networks[C].
2016 Spring Technical Forum Proceedings, 2016-06-20.
 
[2] ALAN BREZNICK. Full Steam Ahead for Full Duplex DOCSIS[OB/L].
https://www.lightreading.com/cable/docsis/full-steam-ahead-for-full-duplex-docsis/d/d-id/723555, 2016-05-23.

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