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双向有线电视网络接入网现状与趋势(四):DOCSIS 3.1的发展及应用现状

目前,DOCSIS 3.1技术正处于快速的发展状态之中。(注:如果想要了解DOCSIS 3.1技术更详细的细节情况——包括研发背景、核心技术、工程部署等,可以查阅SCTE Expo 2013 show(美国有线电视网络及电信网络工程师协会2013年技术展)论文集之中的相关文章。)
 
简而言之,研发DOCSIS 3.1这种最新一代双向有线电视网络接入网技术的主要驱动因素在于,对现有DOCSIS系统进行有效的扩容,提高其成本效率以及运营效率。
 
在过去的十多年时间里,由于用户对于双向有线电视网络的接入速率要求不高,就可以仅采用1个DOCSIS下行信道来提供Internet(因特网)接入服务并支撑数据流量的不断(小幅)增长。但是,发展到目前这个时代,双向有线电视网络的业务服务类型越来越多,而且其中的高宽带应用类型也越来越多,网络数据流量不断地以较大幅度甚至巨幅的态势增长,这样,就需要采取更多个数量的DOCSIS下行信道来进行承载——这是因为,1个DOCSIS下行信道仅具有40 Mbit/s的总体容量,虽然其足以为过去十几年中的宽带接入业务提供承载服务,但是,双向有线电视网络中数据流量的年均增长率很大,不断驱动着单个用户的平均网络接入带宽数值达到20 Mbit/s、50 Mbit/s甚至更高的级别(笔者注:目前,美国第一大有线电视网络运营商已经在部分地区推出了2000 Mbit/s入户带宽的宽带接入服务),从而,单个的DOCSIS下行信道就无法予以支撑。目前,大多数有线电视网络运营商在其双向有线电视网络之中均部署了4个甚至8个DOCSIS下行信道。根据发展趋势,预计将来,相关数值还将会上升(比如:16个、24个、32个、64个等)。
 
为了达到上述目标,最新一代双向有线电视网络接入网技术——DOCSIS 3.1就具有以下三大关键的目标以及特征/功能。
 
(1)极大地提高双向有线电视网络底层物理频谱资源的利用效率,在传输带宽效率(bps/Hz,每赫兹物理带宽平均承载的数据率)方面提升50%。对此,可采用下述的三种方式:
 
①不再采用现行的、编码效率低下的RS(Reed-Solomon,里德-索罗门)编码技术,而是采用最新的、编码效率高/很高的LDPC(Low Density Parity Check,低密度奇偶校验编码)这种更为先进/高级的FEC(Forward Error Correction,前向纠错编码)技术;
 
②在双向型有线电视网络的下行信道,增加部署具有更高QAM(正交调幅)调制阶数的调制技术,比如:1024 QAM以及4096 QAM;
 
③在双向型有线电视网络的上行信道,增加部署具有更高QAM(正交调幅)调制阶数的调制技术,比如:256 QAM以及1024 QAM。
 
无论是在双向型有线电视网络的上行信道,还是在下行信道:①上述更高阶QAM调制技术的采用使得底层物理频谱资源的利用效率均能提高2 bit/s/Hz~4 bit/s/Hz;②部署低密度奇偶校验编码这种新兴的信道编码技术之后,双向有线电视网络的RF(射频)性能可以实现大致5 dB的提升。
 
从而就可使得有线电视网络运营商在其所部署的基于DOCSIS 3.1技术的双向有线电视网络之中,以大致具有120 MHz总的物理带宽的底层频谱资源,提供1 Gbit/s的系统容量——而作为对比,如果是通过现有广泛部署的DOCSIS 3.0系统来提供1 Gbit/s的系统容量,则大致需要具有180 MHz总的物理带宽的底层频谱资源。由此可见频谱资源利用效率提升的程度之大。
 
(2)DOCSIS 3.1主要通过采用已在其他通信系统(比如地面数字电视广播系统、无线局域网系统、LTE移动通信系统等)中得到广泛部署的成熟技术(比如引入正交频分复用技术OFDM),来实现系统成本的降低。尤其是,DOCSIS 3.1系统之中,下行信道采用正交频分复用技术OFDM,而上行信道则采用正交频分复用多址接入技术OFDMA,从而,就可以在提高双向有线电视网络底层物理频谱资源利用效率的同时,降低系统成本——这是因为,采用这些通用型的技术之后,双向有线电视网络设备供应商的阵营就会发展壮大,从而可以加快技术创新速度,并增大各个网络设备供应商之间在技术创新以及市场拓展等关键方面的竞争力度。
 
(3)DOCSIS 3.1所采取的是一种简捷而有序的网络传输策略:不仅可以与现今已经得到广泛的部署的DOCSIS 3.0/2.0的CMTS头端系统以及CM终端设备相兼容,而且还可以支持对于双向有线电视网络扩展型底层物理频谱资源的有效使用(从而就可以进一步地增大双向有线电视网络的系统容量)。
 
尤其值得一提的是有以下的三点:
 
①DOCSIS 3.1技术的CM终端设备可以运行于目前已经得到大规模市场部署的遵循DOCSIS 3.0/2.0技术规范的CMTS头端系统以及融合型有线电视网络接入网平台CCAP之中。从而,就可以确保采用DOCSIS 3.1技术规范的CPE(用户驻地网设备)快速地获得规模性的商用化部署;
 
②而此外,采用DOCSIS 3.1技术规范的CMTS头端系统以及融合型有线电视网络接入网平台CCAP也可以支持遵循DOCSIS 3.0/2.0技术规范的用户驻地网设备接入并正常运行,从而,就使得有线电视网络运营商可以在无需更换用户终端设备的情况之下对其双向有线电视网络的前端/分前端核心设备进行升级换代操作;
 
③采用DOCSIS 3.1技术规范的CMTS头端系统、融合型有线电视网络接入网平台CCAP以及CM终端设备均可支持对于现有双向有线电视网络中下行信道频谱配置以及上行信道频谱配置的使用,而且还可支持对于85 MHz频点及以上的上行频段的使用、对于860 MHz~1.2 GHz的下行频段的使用。
 
图1所示为采用DOCSIS技术的双向有线电视网络现网中下行信道的SNR(Signal-to-Noise Ratio,信噪比)分布曲线图,其是根据对于全网中大部分正常运行的CM终端设备的实际测试数据以及相关的分析而绘制的。从图3之中可以看出,很多用户的双向有线电视网络链路信道条件都很好,是完全可以支持在部署DOCSIS 3.1技术时采用更高阶数的QAM(正交调幅)调制方式,而其他的小部分双向有线电视网络链路则需要在提高信噪比质量之后,才能部署DOCSIS 3.1技术。
 
大量CM终端设备的下行信道SNR(信噪比)质量分布曲线
资料来源:编译自参考文献[1] Figure 3(原文第5页)。
 
如果假设信道编码所采取的码率为8/9,那么,对于DOCSIS 3.1技术,采用不同QAM调制技术所需的最小SNR(信噪比)数值如表1所示:
 
1
 
调制方式
最低信噪比需求数值
512 QAM
27 dB
1024 QAM
30 dB
2048 QAM
33 dB
4096 QAM
36 dB
8196 QAM
39 dB
16384 QAM
42 dB
注:其中的8196 QAM以及16384 QAMDOCSIS 3.1技术规范中所定义的未来调制技术。
资料来源:编译自参考文献[1] Table 1(原文第6页)。
 
如果把表1中所示的信噪比数值需求与图1中所示的CM终端设备下行信道信噪比对照起来看,那么就会发现:大部分的CM终端设备其实都不具备足够的下行信道质量来采用4096 QAM调制技术;此外,如果还要进一步地考虑足够的信噪比裕量空间来应对信道质量状况的瞬时波动,那么,将会有更多的CM终端设备无法采用4096 QAM调制技术。
 
参考文献:
 [1] Jorge D. Salinger. The Next Evolution in Cable: Converged, Distributed and Virtualized Access Network[C]. 2015 Spring Technical Forum Proceedings. NY: NCTA, 2015-05-05.

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