1. Kábel TV hálózattal megvalósított hozzáférés A távközlı és informatikai hálózatoknál a legproblémásabb és a talán a legköltségesebb az elıfizetıi hozzáférési szakasz. Napjainkban a számítógépes hálózatokhoz egyre nagyobb sávszélességő hozzáférésre van igény. A multimédiás tartalmak ezt az elvárást egyre csak erısítik. A képi információt hordozó multimédiás tartalmak felbontása, így mérete is egyre növekszik. A HD (High Density) minıségő tartalom egyre általánosabb, ami folyamatos lejátszás esetén (720p, 1080i formátum esetén, MPEG-4 kódolással) 6-8 Mbit/s folyamatos letöltési sebességet feltételez. A valódi szélessávú hozzáférések költséghatékony kialakításához jó alapot szolgáltatnak a kábeltelevíziós hálózatok, melyek többsége kétirányú adatátvitelt is lehetıvé tesz (úgynevezett „kétirányúsított”). Napjainkban a kábeltelevíziós hálózatok koaxiális kábellel kialakított szegmenseinek felsı határfrekvenciája körülbelül 860 MHz-re tehetı, de a mai technológiával (ami természetesen hálózati építıelemek cseréjét jelenti) ez kiterjeszthetı 1 GHz, vagy magasabb frekvenciára is. Jelenleg mősorszórásra többnyire a 108 MHz - 862 MHz között rendelkezésre álló sávot használjuk, míg a visszirányú (feltöltési irány – „upstream”) kommunikációra a körülbelül 5 MHz-tıl az 50 MHz-ig terjedı sáv áll rendelkezésre.1 Az európai SD analóg TV csatornák sávszélessége miatt a rendelkezésre álló frekvenciasávot 7, illetve 8 MHz sávszélességő csatornákra osztották fel. A kétirányú koaxiális szegmensen többszintő digitális modulációs technikákkal kétirányú digitális csatorna alakítható ki. A DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specifications) ajánlást a CableLab és több közremőködı cég (ARRIS, BigBand Networks, Broadcom, Cisco, Conexant, Intel, Motorola, Netgear, Terayon és a Texas Instruments) dolgozta ki. A DOCSIS ajánlások a kommunikáció módját definiálják a kábel hálózaton. A DOCSIS 1.0 specifikációk 1997 márciusában jelentek meg, míg annak revíziója - DOCSIS 1.1 – 1999. áprilisban. További fejlesztés vált szükségessé a valós idejő szolgáltatások megjelenése miatt. A DOCSIS 2.0 ajánlások 2001 decemberében kerültek kibocsátásra, mely ajánlásban szerepelt a megnövelt feltöltési adatátviteli sebesség, valamint a QoS (Quality of Service) képesség. A 1
A frekvenciák a helyi adottságok (elsısorban a koaxiális szegmens mőszaki paraméterei miatt) függvényében a fentiektıl eltérhetnek! A DOCSIS3.0 ajánlások a letöltési irány csatornáinak elhelyezését 47-1002MHz sávon belül bárhol megengedik.
DOCSIS3.0 ajánlás tervezete 2006 augusztus hónapban jelent meg, de már 2009 év végén a DOCSIS4.0 ajánlásról beszélt a szakma (ez utóbbi ajánlás, illetve annak tervezete még (2012 február) nem jelent meg). Az egyes DOCSIS berendezések ajánlás-megfelelıség ellenırzését a CableLab végzi és hozza nyilvánosságra. Az ITU (International Telecommunication Union Standardization Sector) ratifikálta a DOCSIS 1.1 és a DOCSIS 2.0 ajánlásokat. Az elıbbit ITU-T J.112 (Annex B), míg az utóbbit ITU-T J.122 jelentette meg. Érdekességképpen meg kell említeni, hogy az ITU-T J.112 Annex A írja le a korábbi Európai kábel modem rendszereket (DVB EuroModem), melyek ATM-en alapulnak, valamint az Annex C definiálja a Japán kábel rendszereket. A frekvencia allokáció az Amerikai Egyesült Államok és az Európai CATV rendszerekben jelentısen eltér, mivel a TV csatornák sávszélessége különbözı, ezért a DOCSIS szabványok európai verziója (módosítása) is megszületett EuroDOCSIS néven. Az amerikai és az európai rendszerek közti fı eltérést a TV csatorna sávszélessége jelenti. Európában a PAL rendszerő analóg adás a B = 8 MHz, míg a Amerikában az NTSC rendszer B = 6 MHz sávszélességet specifikál. Az EuroDOCSIS specifikáció tehát figyelembe veszi a nagyobb rendelkezésre álló csatorna sávszélességet és így ugyanannyi csatorna felhasználása esetén nagyobb átviteli sebességet képest biztosítani. A jegyzetben elsısorban az EuroDOCSIS jellemzıit vesszük figyelembe, amikor DOCSIS ajánlásról beszélünk.
1.1. DOCSIS1.0, 1.1 és 2.0 A DOCSIS ajánlások igazodnak az OSI (Open System Interconnection)2 rétegstruktúrájához, és abból az alsó két réteget definiálják. A layer1 a fizikai (PHY) átvitelt írja le, míg a layer2ben az adatkapcsolati ( mely utóbbi két alrétegbıl áll: MAC –Media Access Control; és LLC – Logical Link Control) réteg mőködésének definícióját találjuk. A DOCSIS 2.0 ajánlás elıírásai alapján fontos követelmény a kompatibilitás, vagyis a 2.0-ás eszköz képes „lebutulni” 1.0/1.1 szintre. A modulációs mód DOCSIS 1.0/1.1 esetén 64, vagy 256 állapotú QAM a letöltési irányban, míg a felfelé irányra QPSK-t, vagy 16 állapotú QAM-et használnak. A DOCSIS 2.0-ban lehetıség van feltöltési irányban magasabb állapotszámú modulációk használatára (QAM-32, QAM-64, QAM-128), mellyel értelemszerően magasabb feltöltési sebesség elérése biztosítható. A MAC réteg vonatkozásában a DOCSIS ajánlások több hozzáférési eljárást alkalmaznak: DOCSIS 1.0/1.0 – TDMA3 DOCSIS 2.0 – TDMA és S-CDMA4 A DOCSIS1.0 és 1.1 esetében a maximális letöltési sebesség 42,88 Mbit/s (ebbıl hasznos sávszélesség körülbelül 38 Mbit/s lehet), míg a feltöltési irány 10,24 Mbit/s, amibıl körülbelül 9 Mbit/s sebességet lát a felhasználó. EuroDOCSIS1.1 esetén a nagyobb csatorna sávszélesség miatt az elérhetı digitális sávszélesség is magasabb a letöltési irányban 57,2MBit/s (hasznos 51 Mbit/s). A DOCSIS2.0-nak megfelelı eszközök letöltési irányban ugyanazt a sávszélességet biztosítják, mint a DOCSIS1.0/1.1 eszközök, de a feltöltési irány digitális sávszélességét megemelték 30,72Mbit/s értékre, melybıl hasznosnak körülbelül 27 Mbit/s tekinthetı.
2
Az OSI referenciamodellt az ISO hozta létre abból a célból, hogy az egyes feladatokat egymástól jól elkülönítse. A hét rétegő modell célja volt az, hogy az egyes rétegek és az abban megvalósított eljárások könnyen cserélhetık legyenek… A kedélyeket itt nem borzolnám tovább az OSI modellel (hiszen azt szinte minden informatikai könyv megtanítja), ha a Kedves Olvasó mégis úgy gondolná, hogy hasznos lehet az áttekintése, akkor a könyv végén a mellékletben egy picit bıvebb leírást talál. 3 TDMA – Time Division Multiple Access 4 S-CDMA – Synchronous Code Division Multiple Access
1.2. DOCSIS3.0 Napjainkban az IP címek „elfogyása” miatt, valamint az egyre növekvı sávszélesség igény okán 2006 augusztusában jelent meg a DOCSIS 3.0 tervezet, mely már az IPv6-ot is támogatja, valamint jelentıs átviteli sebesség növelés is történt, mind a fel- és letöltés irányban. A DOCSIS 3.0-ban megjelent a csatorna-összefogás (Channel-bonding) lehetısége, mely segítségével még magasabb átviteli sebesség érhetı el. A csatorna összefogás függetlenül megvalósítható a fel- és letöltési irányban is. A csatorna-összefogás (Channel-bonding) miatt a letöltési irány sávszélessége magasabb lehet, mint 480 Mbit/s, míg feltöltési irányban több, mint 120 Mbit/s állhat a rendelkezésre. A jegyzet írásakor a DOCSIS3.0 eszközökkel a szolgáltatók által nyújtott letöltési sávszélesség maximuma 80 Mbit/s, míg a feltöltési irányban mindössze 5 Mbit/s-ot biztosítanak5. A DOCSIS 3.0 ajánlásban szintén kiemelkedıen fontos a kompatibilitási kérdés. A DOCSIS 3.0 eszközbe be kell építeni a DOCSIS1.0/1.1, 2.0 és 3.0 képességeket. A DOCSIS 3.0 kábel modemnek (CM) képesnek kell lennie az együttmőködésre a korábbi (1.0, 1.1, 2.0) kábel modem végzıdtetı rendszerekkel (CMTS), valamint a DOCSIS 3.0 CMTS-nek együtt kell mőködnie a korábbi verziójú CM-ekkel is. A DOCSIS ajánlás alkotói ezt a szempontot mindvégig szem elıtt tartották. Természetesen az ilyen alulról-felülrıl kompatibilitás maga után vonja azt, hogy az összeköttetés, a szerényebb képességő eszközökhöz igazodik. A DOCSIS3.0 architektúra két fı komponensbıl áll: •
Kábelmodembıl (CM – Cable Modem);
•
Kábelmodem végzıdtetı rendszerbıl (CMTS – Cable Modem Termination System).
A CM a felhasználónál helyezkedik el, míg a CMTS a CATV fejállomásnál.
5
Magyar Telekom „Kábelnet Maximum” tarifacsomag, 2012. január
IPv4 CPE NMS
CM
CMTS
IPv6 CPE
HFC
CM
Kezdeti konfigurációs rendszer
IPv4 CPE IPv6 CPE
Háttérirodai hálózat
HFC hálózat
Elıfizetıi hálózat
1.2-1. ábra. A DOCSIS3.0 hálózat
A HFC hálózaton történı adatátvitel minden esetben egy CMTS és egy CM (kábelmodem) között folyik. A CMTS-CM irányt letöltési (downstream), míg a CM-CMTS irányt feltöltési (upstream) iránynak nevezzük. Egy hálózatban legalább egy CMTS és több CM található. A letöltési irány kezelése ütközés szempontból viszonylag egyszerő, mivel egy CMTS az adott szegmensben egyedül kommunikál egy letöltési frekvencián. Feltöltési irányban viszont ugyanazt a frekvenciát akár több száz kábelmodem (CM) is használhatja és a kábelmodemek között nincs szinkronizáció. Ezen okból a CMTS feladata a CM-ek feltöltési csatornájának hozzáférés ütemezése, vagyis az upstream adatfolyam szervezése. A DOCSIS protokoll értelmében minden CM-nek kérnie kell a CMTS-tıl egy idıkeretet, amikor kizárólagos jogot kap adott feltöltési frekvencia használatra. Ennek az idıkeretnek a neve „mini-slot”. Egy mini-slot hossza 6,25 µs. Egy mini-slotban minimum 16, maximum 48 byte hasznos információ lehet, de egy limitált határig a CM kérhet több mini-slotot, így lehetıség adódik nagyobb mennyiségő adat feltöltésére is. A mini-slot kéréseket a CMTS által meghatározott idıközönként (idıosztásban) lehet továbbítani. A mini-slot kiosztás engedélyezés (MAP – Mini-slot Allocation Packet) a letöltési irány sávszélesség terhére megy.
Feltöltési irány (Up-stream) jellemzıi A feltöltési irányban FDMA/TDMA
(amit
„TDMA”
módnak
neveznek),
vagy
FDMA/TDMA/S-CDMA (melyet „S-CDMA” módnak neveznek) burst típust alkalmaznak, amelyhez hat modulációs mód tartozik. Az adás üzemmód kiválasztása (CM) a CMTS-sel „MAC” (2. réteg) üzenettel programozható. Az FDMA (Frequency Division Multiple Acces) jelen vonatkozásban azt jelenti, hogy több csatorna tartozik a feltöltési irányhoz. A CM egy vagy több rádiófrekvenciás (RF) csatornát használ a feltöltési irányban. A TDMA (Time Division Multiple Access) a DOCSIS 3.0 vonatkozásában azt jelenti, hogy a feltöltési irány adása (CM adás) szakaszosan (burst-ökben) történik, az idırések dinamikus kiosztásával. Az S-CDMA (Synchronous Code Division Multiple Access) jelen vonatkozásban azt jelenti, hogy a CM képes egyidejő adásra ugyanabban az RF csatornában, ugyanabban az idırésben úgynevezett ortogonális kód alkalmazásával. Ebben az esetben az információk az ortogonális kódolás miatt választhatók szét.
TDMA üzemmód A TDMA módban a jelfolyam a következı feldolgozáson esik át: A feldolgozási folyamatba az adatok csomag egységként érkeznek. •
Információs blokkokra bontás;
•
R-S (Reed-Solomon) kódolás;
•
Byte-ba illesztés (byte interleaver) [ez a funkció kikapcsolható];
•
Szkremblerezés;
•
Felvezetı kód (preamble) hozzáfőzés;
•
Szimbólumhoz rendelés;
•
Adás kiegyenlítés;
•
Szőrés (adási spektrum formázás);
•
Modulálás.
A feldolgozás kimenete az RF jel.
S-CDMA üzemmód Az S-CDMA üzemmódban az adatküldés kétdimenziós módban történik. A két dimenziót a kódolás és az idı jelenti. A fizikai rétegben ekkor az adatok átvitele maximum 128 mezıbıl álló kóddal kerülnek továbbításra (lásd lenti ábra).
A CMTS-ben keretszámláló (frame-counter) és mini-slot számláló is van. Minden CM-ben ugyanekkor kötelezı karbantartani az úgynevezett idıbélyeg számlálót, mini-slot számlálót és keretszámlálót. A CM úgynevezett UCD (Upstream Channel Descriptor) üzenetbıl veszi a CMTS idıbélyeget (time stamp), és további paramétereket, melybıl képes kiszámolni az S-CDMA keretenként az „idıszámláló” számot. A számításhoz a CM modulo aritmetikát használ. A CMTS és a CM 32 bites idıbélyeg számlálót, 32 bites mini-slot számlálót és 8 bites keretszámlálót használ.
1.2-2. ábra. Kétdimenziós kódolás, keret idıbélyeg
Az UCD-ben 3 paraméter specifikált, ami definiálja a mini-slot elrendezést: •
Szórás intervallum keretenként (spreading intervals);
•
Kódszám mini-slotonként;
•
Aktív kódok száma.
T fr = K ⋅ 128 ⋅ Ts Az összefüggésben a kód hossza minden esetben 128 hosszúságú. A szórás intervallum keretenkénti értéke („spreading intervals per frame”) 1 – 32 közé esı szám lehet.
A kódok száma mini-slotonként (Cms) definiálja a mini-slot kapacitást, vagyis megadja az összes lehetséges szimbólum számot, ami a mini-slot-ban elıfordulhat. A mini-slot kapacitást (Sms) a következı összefüggés definiálja: S ms = K ⋅ C ms A mini-slot kapacitás alsó határa 16 szimbólum. A maximális mini-slot kapacitást a szórás intervallum keretenkénti maximális számának és a mini-slot-ban elıforduló kódszám maximális számának szorzata adja, ami 32 ⋅ 32 = 1024 szimbólumot jelent. A fentiek értelmében a mini-slot-ban elıforduló kódok száma 2 – 32 közé eshet. Az aktív kódok paraméter száma (Na) 128, vagy annál kisebb szám lehet. Abban az esetben, ha Na értékének 128-nál kisebb számot választunk, akkor azt a következı két módszer szerint lehet meghatározni:
•
„Selectable Active Codes Mode1”;
•
„Selectable Active Codes Mode2”.
Az aktív kódok redukálásának több elınye is van, melyek közül talán a legfontosabb elıny az, amikor a mőködtetés zajos csatornában történik. Kevesebb engedélyezett kódszám esetén lehetıség van az aktív kódokhoz tartozó teljesítmény növelésére, így például 128 helyett 64 aktív kód alkalmazásával 3 dB-es jel-zaj viszony javulás érhetı el.
CM modulátor A feltöltési irány szimbólum sebessége (modulációs sebesség) 160 – 5120 ksym/s, míg SCDMA alkalmazása esetén a modulációs sebességet „chip-rate”-nek nevezzük, és 1280 – 5120 kHz értéktartományba eshet. A feltöltési irány esetében a CM modulátort, valamint a CMTS demodulátort vizsgáljuk. A CM modulátor magába foglalja az elektromos-jelszint modulációs funkciót, valamint a digitális jelfeldolgozás (DSP) funkciót. A DSP funkció felelıs a FEC (Forward Error Correction), a preamble, prepend és a „symbol-mapping”, valamint az egyéb feldolgozási lépések ellátásáért. A CM-ben a DSP funkció folyamatát a következı ábra szemlélteti:
1.2-3. ábra. DSP funkció folyamata A CMTS demodulátor hasonlóan két alapfunkciót ellátó komponensbıl áll, a demodulálást ellátó és a jelfeldolgozást megvalósító részbıl. A demodulátor demodulációs funkciója fogadja
a
különbözı
szintő
jeleket
(a
beállított
szint
körül),
megvalósítja
a
szimbólumidızítést, a vivı helyreállítást és követést, a burst-ök begyőjtését és demodulálását. Ez a fokozat becsli továbbá a jel-zaj viszonyt, és adaptív kiegyenlítést végez, mérsékli a visszhang és csoportfutási problémák hatását. A dekóder DSP funkciója a CM-ben található feldolgozási feladatok inverzét látja el. Fogadja a demodulált burst-öket, ezen felül idızítési feladatokat is ellát. Indikálja továbbá a sikeres dekódolást, jelzi a dekódolási hibát, valamint megadja minden kódszóhoz a korrigált Reed-Solomon szimbólum számot.
Modulációs eljárások, szimbólumok elhelyezkedése A feltöltési irányban (CM adási irány, CMTS vételi irány) a kompatibilitás miatt a DOCSIS eszközöknek a következı modulációs eljárásokat kell ismerniük:
•
QPSK;
•
QAM-8;
•
QAM-16;
•
QAM-32;
•
QAM-64;
•
QAM-128 (kizárólag TCM-nél).
A CM és a CMTS berendezés modulációs módja MAC (második réteg) üzenettel választható ki (menedzselhetı). Differenciális kódolású QPSK és 16 állapotú QAM mód lehetséges TDMA módban. A QPSK szimbólumokat a 1.2-4. ábra, a 16 QAM szimbólumok elhelyezkedését a 1.2-5. ábra mutatja.
1.2-4. ábra. QPSK szimbólumok
1.2-5. ábra. QAM szimbólumok QPSK, 8 QAM, 16 QAM, 32 QAM, 64 QAM és 128 QAM a TDMA és S-CDMA csatornák számára használatos, míg a TCM kódolt QPSK, 8 QAM, 16 QAM, 32 QAM, 64 QAM és 128 QAM S-CDMA csatorna esetén használatos. Mindegyik üzemmódban a bitek elrendezése az I (In-phase) és Q (Quadrature-phase) konstellációban az alábbi táblázat szerinti definíciónak kell megfelelnie:
QAM mód:
Bemeneti bitek definíciója: (x1 jelenti a legkisebb helyértékő bitet, LSB-t)
QPSK
x2x1
8 QAM
x3x2x1
16 QAM
x4x3x2x1
32 QAM
x5x4x3x2x1
64 QAM
x6x5x4x3x2x1
128 QAM
x7x6x5x4x3x2x1
1.2-1. táblázat. Bitek elrendezése különbözı QAM esetén
A soros adatfolyam elsı kilépı bitje mindig a legértékesebb bit (MSB).
1.2-6. ábra. 8 QAM és 32 QAM szimbólumok
1.2-7. ábra. 64 QAM és 128 QAM szimbólumok
Az egyes szimbólumok kódolása Gray, vagy differenciális kódolással történhet.
1.2-8. ábra. Gray (a) és differenciális (b) kódolás 16 QAM esetén Spreader S-CDMA átvitel alapja az úgynevezett direkt szekvenciájú szórt spektrumú moduláción (direct-sequence spread-spectrum) alapszik. Az S-CDMA digitális ortogonális kódszavak családját alkalmazza, így egyidejőleg maximum 128 modulációs szimbólum adására is képes. Minden szórás intervallum egy vektorral írható le (Pk), ahol: PK = S K ∗ C
A fenti összefüggésben az Sk egy vektor, ami a modulációs szimbólumokat tartalmazza, valamint C egy mátrix:
ahol a C mátrix sorai a 128 kódot definiálja. A DOCSIS ajánlások a C mátrixot rövidített formában írják le (a „coden” valójában a mátrix n-edik sorát jelenti, ami 128 elembıl áll):
code127 ⋅ C= code1 code0 A C mátrixot gyakran szórás mátrixnak (spreading matrix) nevezik. Kódugratás (Code Hopping) A kódugratás nem jelent mást, mint a C mátrix (szórás mátrix) sorainak szisztematikus felcserélését. A felcserélési sorrendet ál-véletlen generátor vezérelt ciklikus shift végzi. A DOCSIS 3.0 ajánlás kétféle kódugrató eljárást definiál:
•
MODE1;
•
MODE2.
A MODE1 a „SAC-Mode1” (Selectable Active Codes Mode1) esetben használatos, míg a MODE2 a „SAC-Mode2” (Selectable Active Codes Mode2) esetben. MODE1 esetben a Ck alakulása:
Ahol:
MODE2 esetben:
Ahol:
Szkremblerezés A szkrembler feladata, hogy az adatjelet átvitelre elıkészítse és annak tulajdonságait véletlen jel tulajdonságaihoz hasonlóra alakítsa (innen származik a funkcióra szintén használt „randomiser” elnevezés). A szkrembler jelen esetben nem más, mint egy 15 bites shift regiszterbıl kialakított álvéletlen szekvencia generátor, mely kimenete és a továbbítandó jel bitjei között ütemrıl-ütemre kizáró-vagy (xor) mőveletet végzünk. A szkremblerezett jelet a kizáró-vagy mőveletet végzı logikai kapu kimenetén kapjuk. A szkrembler elvi felépítése a következı ábrán látható:
1.2-9. ábra. Feltöltési irány szkrembler fokozata A szkremblerezéshez az x15 + x14 + 1 polinomot alkalmazzuk.
Adási elı-kiegyenlítı Az adási elı-kiegyenlítı fokozat struktúráját tekintve az ajánlás a DOCSIS 3.0 esetén ugyanúgy, mint a 2.0 esetén 24-ed fokú FIR struktúrát ír elı (DOCSIS 1.1 esetén ez 8-ad fokú szőrı volt). A FIR szőrıstruktúra elınye a lineáris fázis, valamint a stabil mőködés, mivel a struktúra nem tartalmaz visszacsatolást. Az adási elı-kiegyenlítı elvi jelfolyam diagramja a következı ábrán látható (na de ezt Ti már jól ismeritek H-3 –ból!! ☺):
1.2-10. ábra. Feltöltési irány adási elı-kiegyenlítı fokozata Az elı-kiegyenlítıben szereplı konstansok (F1 … F24) valójában a szőrı impulzus válaszának (súlyfüggvénynek) mintái. A szőrı frekvenciatartománybeli átviteli függvényét a súlyfüggvény minták Fourier transzformáltja szerint számíthatjuk. A 1.2-10. ábra szerinti struktúra a z síkon történı megvalósítást mutatja, ahol a z-1 az idıtartományban nem más, mint egy T ütem (T = a DSP struktúra mintavételi frekvencia reciproka) szerinti késleltetı elem. A sorba kapcsolt tároló elemeket tehát T ütem szerint léptetett tároló lánccal valósíthatjuk meg. A FIR szőrı tehát az idıtartományban a súlyfüggvény minták (F1 … F24) és a beérkezı jelminták konvolúcióját végzi el.
