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双向有线电视网络SDN架构技术报告(九):DOCSIS 3.1文件管理应用

1、引言
 
DOCSIS 3.1是最新一代的双向有线电视宽带网络接入技术,欧、美的主流有线电视网络运营商将于2016年进行大规模的商用部署。
 
从网络行业目前对软件定义网络技术架构的定义看来,软件定义网络控制器将会通过一套通用的南向接口协议来与底层各个网元设备进行通信。这就使得双向有线电视宽带接入网络运营商将可聚焦于通过开发运行于软件定义网络控制器之上的各类新兴应用、并通过软件定义网络控制器对每个网元设备进行适当的编程与配置来为用户提供更优质的服务。
 
目前看来,双向有线电视宽带接入网络运营商将可创建及部署的新兴业务形态包括以下两大类:
 
(1)面向广大终端用户提供服务的相关应用;
 
(2)面向双向有线电视宽带接入网络运营商自身提供网络服务的相关应用。
 
“DOCSIS 3.1文件管理”就属于上述第二大类的新兴业务形态范畴,其可通过将来部署的软件定义网络基础设施来使能。本文将对此进行重点阐述。
 
目前,很多的DOCSIS网络特性均为CMTS设备的组成部分,但又并非直接与DOCSIS协议相关。最新的DOCSIS 3.1技术规范给双向有线电视宽带接入网络引入了很多新的网络特性,包括:在一个信道之内的比特加载具有可变性;于上行信道及下行信道,均采取多个调制(笔者注:面向OFDMA或OFDM子载波)级别;进行上行信道探测,以对OFDMA信号质量进行检测等。
 
在上述这些新的网络特性(比如:下行文件设置、CMs负载均衡等)中,对于并非DOCSIS物理层及媒介接入控制层内在部分的网络特性,需要对其配置、初始化逻辑与计算处理进行优化。这就使得CMTS设备的功能可以被虚拟化,并以上层应用的形式运行于CMTS设备之外。该上层应用可以与CMTS设备或多个CM设备通信,以获取其所需的相关信息、对相关数据进行处理,并就CMTS设置问题作出智能决策。部署于外部的各类上层应用可通过与CMTS设备的通信来优化整个双向有线电视宽带接入网络的性能。
 
为实现上述这种DOCSIS 3.1文件管理应用,所应采取的基本步骤是,研发可以反复地传送相关信息的数据模型及协议。美国有线电视网络实验室于2016年6月15日所发布的DOCSIS最新物理层技术规范“DOCSIS 3.1 PHY”中明确:信道中的每一个OFDM/OFDMA子载波均可采取不同阶数的QAM调制,并以“调制文件”的形式来组织和管理。具有良好设计的、被优化的调制文件集使得各个DOCSIS传输信道能在更低SNR(信噪比)的条件之下正常运行,从而就潜在地使得相关信道能在更高总体吞吐量的情况之下正常运行。实施此种优化逻辑的上层应用可以部署于CMTS设备之外,从而就将可跨越所有DOCSIS传输信道及CMs终端,对相关管理文件进行最为高效的利用。对于双向有线电视宽带接入网络运营商而言,还可跨越所有不同的CMTS平台对此类算法进行统一操作。
 
上述方式刚好可以在美国有线电视网络实验室VNF项目组在其首份技术报告“SDN Architecture for Cable Access Networks Technical Report”中所研发的架构里部署实施。其中,软件定义网络控制器支持通过采取合适的数据模型(可以是一个或多个)来呈现所需的信息,并以支撑适当的南向接口协议对CMTS设备进行配置作为前提条件。同样地,软件定义网络控制器也可通过北向的API(应用编程接口)来提供所需的功能,桥接底层DOCSIS宽带接入网络与上层文件管理应用之间的通信。
 
2、问题描述
 
1)相关背景
 
DOCSIS 3.1技术规范中引入了面向OFDM调制信道的“调制文件”的概念。相关OFDM信道的情况示例如图1所示。一份调制文件就是一张QAM调制阶数的列表,其中对应地给出了信道中每个子载波的QAM调制阶数。一台CMTS设备可以为其所覆盖的上、下行信道定义多个调制文件——而且在每个调制文件中,分配给每个子载波的QAM调制阶数是不同的。此外,一台CMTS可以面向不同组别的CMs终端,对应地分配给不同的上行调制文件及下行调制文件。
1  DOCSIS 3.1下行OFDM信道组成
 
2)问题描述与目标
 
考虑到双向有线电视宽带接入网络现网之中的CMs终端近乎“海”量,而且其信道质量也有着一定的差异,确定DOCSIS 3.1信道中各子载波最佳的调制文件就是一件难度非常大的事。为此,美国有线电视网络实验室就设计了PMA(Profile Management Application,文件管理应用)机制,来助力双向有线电视宽带接入网络运营商面向每个DOCSIS 3.1信道做出最佳的调制文件决策(依据每一路CM设备的网络信道质量)。目前,业界的研发焦点在于“DOCSIS 3.1下行信道调制文件”,随后将研发“DOCSIS 3.1上行信道调制文件”。
 
另外,对调制文件进行更改操作的目标在于:
 
(1)增大每个CM终端设备的网络吞吐量;
 
(2)把双向有线电视宽带接入网络的系统容量提高到最大的程度;
 
(3)将各种错误的总数量降低到最小的程度。
 
对此,PMA(文件管理应用)就将需要执行以下的三大任务:
 
(1)面向双向有线电视宽带接入网络现网之中的所有CMs终端设备进行如下操作:采取信道文件测试方式,在CMs处测量信道质量。基于相关测量结果,为信道中的每个OFDM子载波选择并分配最佳的QAM调制阶数。待所有相关工作均完成之后,创建出一套经过优化的、待用的调制文件。
 
(2)对于新加入接入网络之中的CM终端设备,从已有的各份调制文件之中选择最适合该CM的最佳调制文件(周期性地),并进行推荐。
 
(3)基于某个调制文件之中所出现的错误,对调制文件创建出冗余备份,并对相关CM的QAM调制阶数进行降级处理。例如,对具体的各个CM设备,基于网络链路性能以及SNR(信噪比)数值浮动情况,提供质量更佳的调制文件。
 
文件管理应用将可为上述三大步骤提供各个相关建议。但是,在DOCSIS宽带接入网络之中,实际实施更改操作的是CMTS头端设备。此外, 文件管理应用还将要对何时、以何种方式来对DOCSIS 3.1调制文件进行更改操作进行决策(依据双向有线电视宽带接入网络运营商的相关总体策略),但是,最终的控制权仍在于CMTS。美国有线电视网络实验室VNF项目组还对未来的愿景及可能性作出了展望:文件管理应用将会对“如何对所有的调制文件进行动态管理”负责并保持控制力度。
 
此外,需要考虑的其他使用案例是:为提高双向有线电视宽带接入网络的系统容量,如何对DCOCSIS 3.1 CMTS把调制文件映射至其所覆盖的所有CMs终端设备进行决策?
 
3)DCOCSIS 3.1文件管理应用的高级体系架构
 
在如图2所示的架构中,所含的主要网络实体及其功用如下:
 
2  DCOCSIS 3.1文件管理应用的高级体系架构
 
(1)文件管理应用
 
图2中,文件管理应用被用于收集有利于其作出调制文件决策的相关信息。其通过软件定义网络控制器与底层的CMTS设备进行交互式通信,以对调制文件测试进行初始化、提供新的或经过优化的调制文件,并对这些调制文件的使用方式进行推荐或发出相关指令。
 
(2)软件定义网络控制器
 
图2中,软件定义网络控制器是部署于上层应用层与底层DOCSIS网络设备(包括CMTSs与CMs)之间的中介/网络控制层。其职责在于:为上层的文件管理应用提供来自CMTSs与CMs的调制文件信息,并提供可用的调制文件行为。此外,软件定义网络控制器还通过部署实施各种可能的南向通信协议,来对各个DOCSIS 3.1网络设备进行配置,并从底层网络中接收相关的信息。
 
(3)CMTS设备
 
图2中,CMTS设备基于内部逻辑模块或者来自于文件管理应用的相关命令,采取一个给定的调制文件,对相关的CMs终端分配与其信道链路质量相对应的QAM调制阶数。此外,CMTS设备也为上层的文件管理应用提供底层网络质量、现有配置与调制文件测试结果这三大类数据。
 
(4)CMs
 
图2中,CMs设备具体地使用由CMTSs设备为其最终分配的调制文件(OFDM信道中各子载波的QAM调制阶数),也为上层的文件管理应用提供底层网络的信道质量数据。
 
从更大的高度看来:文件管理应用向CMTS设备发出于其处获取相关信息的请求;接收到请求信息之后,CMTS设备就立刻向其所覆盖的CMs设备发送MMMs(MAC Management Messages,媒介接入控制层管理消息),以收集所需的上述信息;CM将相关信息反馈给CMTS,再由CMTS上传至文件管理应用。此外,文件管理应用也给CMTS设备提供有关调制文件的建议,使得CMTS能够在适当的时候发起对CM终端的配置。
 
4)聚焦的领域
 
美国有线电视网络实验室VNF项目组认为,对于文件管理应用的研发,首要的两大焦点领域为:
 
(1)对文件管理应用的行为进行定义:来决定可提供DOCSIS 3.1信道最佳总体吐吞量的调制文件集。
 
(2)文件管理应用用以跨越所有CM终端设备分析网络信道质量并执行其功能所需的相关信息。
 
而次级焦点领域则在于:
 
(1)如何获得所需的相关信息?
 
(2)文件管理应用的更改如何对CMTS设备产生影响?
 
(3)如何对相关更改对CMTS设备所产生的影响进行监测?
 
3、文件管理应用的应用场景
 
美国有线电视网络实验室VNF项目组目前的设想是,文件管理应用采取“拉”的模式:文件管理应用对每个CMTS或CMs进行轮询(或者指定由软件定义网络控制器来执行轮询),以获得其所需的相关信息。
 
此外,如果文件管理应用采取“推”的模式,则可能会更佳。此模式中,当出现一些更改时(比如:信道的建立或释放、CMs终端何时加入或离开、何时对CM统计数据进行更新、何时“填平”高错误率等),CMTS就会将这些更改信息通知给文件管理应用(或者让软件定义网络控制器来通知给文件管理应用)。这种“推”模式在CMTS之上容易得到执行。而在“拉”的模式之下,文件管理应用必须持续不断地对CMTS设备进行轮询,以获知相关更改信息,而CMTS也必须反复地进行应答(即使所有的更改信息均是相同的)。与之相反的是,在“推”模式之中,当且仅当有更改操作发生时,CMTS才会主动地向上层的文件管理应用发送报告。
 
文件管理应用的应用场景包括:新的OFDM信道的建立;文件优化(包括由CMTS发起文件优化的初始化、由文件管理应用发起文件优化的初始化);调制文件配置的回落;“拉”模式与“推”模式。
 
美国有线电视网络实验室VNF项目组在其首份技术报告“SDN Architecture for Cable Access Networks Technical Report”中对上述四大应用场景进行了详细论述,有兴趣的读者可进一步查阅。
 
4、数据元素与行为
 
一个PMA(文件管理应用)单元需要与各个CCAP网络设备(包括CMTSs及CMs)交换相关信息。其中包括收集有关OFDM参数及性能的信息,并基于对这些信息进行分析的结果,得出OFDM信道的最佳调制文件,并将其提供给CCAP网络设备。为了应用OFDM信道质量及CM网络链路的时变特性,文件管理应用不断地进行着上述的工作。
 
对于DOCSIS 3.1的PLC,无需进行调制文件管理。美国有线电视网络实验室VNF项目组会在其后续的技术报告中提及面向NCP调制文件管理的相关需求。此份技术报告仅探讨了对于数据调制文件的管理问题——更具体的,是对于下行OFDM信道的调制文件进行管理的问题。后续的技术报告将会探讨上行OFDMA信道的调制文件管理问题。
 
这份技术报告对于文件管理单元与CMTS接口之间的消息内容(数据/消息范畴)进行了定义,主要包括以下三大类:
 
(1)OFDM信道参数与统计信息
 
其中包括:OFDM信道配置参数;对于在CMTS与CM之中所出现错误的统计。
 
这也是这份技术报告所唯一聚焦的领域。
 
(2)DOCSIS宽带接入网络拓扑与用户信息
 
其中包括:双向光节点部署信息;CM终端与各个服务组之间的关联信息等。此类信息对于上层的文件管理应用以及其他软件定义网络应用均有价值。
 
(3)地理及其他底层基础网络信息
 
此类信息对于PNM以及上层的文件管理应用均有价值。
 
另外,这份技术报告还对文件管理应用与CMTS之间的接口定义了十一类消息,相关描述如表1所示。
 
文件管理应用-CMTS接口的下行调制文件消息
 
消息名称
消息描述
下行OFDM信道描述符
把所配置的信道参数传送给DOCSIS 3.1下行信道
下行文件请求
CCAP所发出的对于新的调制文件的请求;
文件管理应用所发出的对于已有调制文件的细节信息的请求。
下行文件描述符
提供某个调制文件的配置细节
下行频率请求
文件管理应用所发出的对于某给定CM信道中RxMER值的请求
下行频率描述符
把某给定CM信道中每个子载波的RxMER测量值传送给文件管理应用
下行文件测试请求
文件管理应用对CCAP平台发出测试某特定调制文件的请求
下行文件测试相应
CCAP平台向文件管理应用传送针对特定CM终端的调制文件测试结果
“CM-to-文件”分配请求
向已经获得特定调制文件分配的一组CMs终端发送请求
“CM-to-文件”分配描述符
提供将要获得特定调制文件分配的一组CMs终端
“文件- to-CM”分配请求
发出获取CM终端所获得的配置文件参数的请求
“文件- to-CM”分配描述符
提供已获得或将要获得OFDM信道分配与调制文件分配的一组CMs终端
 
美国有线电视网络实验室VNF项目组在其首份技术报告“SDN Architecture for Cable Access Networks Technical Report”中还对上述十一大类消息以及“额外的DOCSIS宽带接入网络与CM终端信息”进行了详细论述,有兴趣的读者可进一步查阅。
 
最后,对于DOCSIS 3.1文件管理应用的数据后端及协议,可详细查阅参考文献的第12.5部分。
 
 
参考文献:
 
[1] CableLabs. SDN Architecture for Cable Access Networks Technical Report [EB/OL].
http://www.cablelabs.com/wp-content/uploads/specdocs/VNE-TR-SDN-ARCH-V01-150625.pdf, 2015-06-25.
 
本文作者为上海情报服务平台兼职情报分析员

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