1. Kábel TV hálózattal megvalósított hozzáférés

Átírás

1 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 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 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 MHz sávon belül bárhol megengedik.

2 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.

3 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 layer2- ben 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 TDMA 3 DOCSIS 2.0 TDMA és S-CDMA 4 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

4 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 biztosítanak 5. 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, január

5 NMS CM IPv4 CPE IPv6 CPE CMTS HFC Kezdeti konfigurációs rendszer CM IPv4 CPE IPv6 CPE Háttérirodai hálózat HFC hálózat Elıfizetıi hálózat 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.

6 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).

7 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 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 = K 128 fr T s Az összefüggésben a kód hossza minden esetben 128 hosszúságú. A szórás intervallum keretenkénti értéke ( spreading intervals per frame ) 1 32 közé esı szám lehet.

8 A kódok száma mini-slotonként (C ms ) definiálja a mini-slot kapacitást, vagyis megadja az összes lehetséges szimbólum számot, ami a mini-slot-ban elıfordulhat. A mini-slot kapacitást (S ms ) a következı összefüggés definiálja: S = K ms 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 = 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) ksym/s, míg S- CDMA alkalmazása esetén a modulációs sebességet chip-rate -nek nevezzük, és 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:

9 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 ábra, a 16 QAM szimbólumok elhelyezkedését a ábra mutatja.

10 ábra. QPSK szimbólumok 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:

11 QAM mód: Bemeneti bitek definíciója: (x 1 jelenti a legkisebb helyértékő bitet, LSB-t) QPSK x 2 x 1 8 QAM x 3 x 2 x 1 16 QAM x 4 x 3 x 2 x 1 32 QAM x 5 x 4 x 3 x 2 x 1 64 QAM x 6 x 5 x 4 x 3 x 2 x QAM x 7 x 6 x 5 x 4 x 3 x 2 x táblázat. Bitek elrendezése különbözı QAM esetén A soros adatfolyam elsı kilépı bitje mindig a legértékesebb bit (MSB) ábra. 8 QAM és 32 QAM szimbólumok ábra. 64 QAM és 128 QAM szimbólumok

12 Az egyes szimbólumok kódolása Gray, vagy differenciális kódolással történhet. Spreader ábra. Gray (a) és differenciális (b) kódolás 16 QAM esetén 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 (P k ), ahol: P K = 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 code n valójában a mátrix n-edik sorát jelenti, ami 128 elembıl áll):

13 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 C k alakulása: Ahol: MODE2 esetben:

14 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: ábra. Feltöltési irány szkrembler fokozata A szkremblerezéshez az x 15 + x 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!! ):

15 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 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.