Triple Play на базе  Wireless DOCSIS

В.А. СПИРИН, технический директор ЗАО “Вимком Оптик ТС”

Сегодня повсеместно обсуждается технология беспроводного доступа WiMAX, которая рассматривается как технологический прорыв в области широкополосных систем абонентского доступа. Альтернативные технологии оказались в тени. Насколько успешной будет реализация WiMAX — покажет время. Сегодня, восполняя информационный пробел, хотелось бы познакомить читателей с технологией Wireless DOCSIS, доказавшей свою коммерческую состоятельность.

Введение

Первоначально (1997 г.) технология Wireless DOCSIS (Data over Cable Service Interface Specifications) развивалась как беспроводное расширение интерактивных сетей кабельного телевидения (КТВ) и называлась BWIN (Broadband Wireless Internet Network). Операторы MSO, использующие для предоставления услуг Triple Play сети КТВ с обратным каналом, для подключения объектов в радиусе двух миль использовали радиочастотные удлинители в диапазоне 600 — 700 МГц.

Высокие технические и эксплуатационные характеристики оборудования DOCSIS позволили посредством использования беспроводных решений предоставлять услуги телефонии и передачи данных.

Следующий этап развития технологии (1998 г.) связан с выделением частотных полос под обратный канал для систем беспроводного телевизионного вещания MMDS (Multipoint Multichannel Distribution System) в диапазоне 2,1 — 2,7 ГГц. Операторы сетей MMDS получили конкурентное преимущество перед кабельными операторами, поскольку обеспечили в зоне покрытия радиусом до 50 км предоставление полного комплекта услуг самым быстрым и дешевым способом.

Разработка спецификации DOCSIS 2.0 (2002 г.) открыла новые возможности. Применение новых методов модуляции, а также алгоритмов цифровой обработки радиочастотных сигналов увеличило скорость передачи в частотных каналах и помехозащищенность сигнала.

Использование двухступенчатой схемы модуляции
A-TDMA/S-CDMA обеспечило совместимость предыдущих версий оборудования DOCSIS (1.0 и 1.1). Таким образом, отпала необходимость в замене ранее установленных абонентских модемов и производители стали плавно переходить на выпуск оборудования, поддерживающего спецификацию DOCSIS 2.0 и позволяющего организовывать каналы связи не только в зоне прямой видимости, но и при приеме переотраженного сигнала, что существенно расширило зону охвата.

Успех технологии был столь весом, что вызвал волну разработок систем LMDS для более высоких диапазонов частот, которые должны стать альтернативой проводным системам широкополосного доступа. На сегодняшний день серийно выпускается приемопередающее оборудование для диапазонов 600 и 700 МГц, 1,9, 2,1, 2,3, 2,5, 3,5, 5,7, 10 и 23 ГГц.

В зависимости от мощностей передатчиков, используемых антенн и рельефа местности, базовая станция Wireless DOCSIS может обеспечить зону покрытия до 50 км. По данным исследовательской группы IGI Consulting, на американском рынке происходит экспоненциальный прирост абонентской базы пользователей широкополосных мультисервисных сетей, реализованных на базе MMDS (рис. 1).

Успех технологии обусловлен тем, что с самого начала развитие происходило на базе единого стандарта DOCSIS, полностью определяющего радиочастотную спецификацию. Для обеспечения устойчивого развития и конкурентных преимуществ перед традиционными операторами связи, ведущие американские операторы КТВ образовали консорциум, под эгидой которого был сформирован независимый сертификационный орган CableLabs. Он обеспечил единую стандартизацию всего оборудования DOCSIS и его полную совместимость.

Достигнутая стабильность и предсказуемость рынка позволили развернуть массовое производство кабельных модемов, что положительно сказалось на стоимости продукции. В настоящее время цена за кабельный модем не превышает 50 долл. США. Объемы продаж исчисляются десятками миллионов штук.

Логическим итогом продвижения технологии на массовый рынок стало принятие Международным союзом электросвязи стандарта DOCSIS 2.0 в качестве Рекомендации  J.122.

Общая структура построения сетей Wireless DOCSIS

Общая структура сети представлена на рис. 2. Основу системы составляет головной кабельный модем CMTS (Cable Modem Termination System). Он определяет все радио-частотные и сетевые интерфейсы. Как правило, сетевой интерфейс — 100/1000 Base-T, а радиочастотный — ассиметричный, использующий разные схемы модуляции сигнала и частотные полосы.

Сигнал прямого канала (в сторону абонента) с выхода головного модема подается на передатчик, осуществляющий перенос частотного спектра в соответствующий диапазон и усиливающий сигнал, который далее по фидеру поступает на передающую антенну прямого канала. Сигнал обратного канала (от абонента) с антенны обратного канала поступает на понижающий конвертер (диапазон 5 — 42 МГц) и на вход головного модема.

Приемные и передающие антенны могут иметь круговую диаграмму направленности, но для более эффективного использования спектра частот и увеличения числа абонентов на практике используют секторные антенны 60 или 90 градусов.

У абонента устанавливается универсальная приемопередающая антенная решетка и трансивер, который обеспечивает конвертирование сигналов в стандартные частотные полосы для подключения абонентского кабельного модема. Комплект антенной решетки и трансивера может устанавливаться как персонально абоненту, так и в качестве коллективной точки доступа многоквартирного дома или нескольких домов, если они объединены телевизионной кабельной сетью с обратным каналом.

Общее описание стандарта DOCSIS

Технология изначально разрабатывалась для операторов КТВ с целью реализации в телевизионных сетях интерактивных сервисов, включая видео-по-запросу (VoD), коммутируемую телефонию на базе протокола IP (Switched Voice over IP). Спецификации радиочастотных интерфейсов полностью совпадают с частотным планом коаксиальной кабельной сети, при этом в соответствии с различием частотных планов Европы и США существуют две модификации — DOCSIS и EuroDOCSIS. Спецификации прямого и обратного каналов представлены в табл. 1 и 2.

Применяется ассиметричная схема организации каналов связи в прямом (Downstream) и обратном (Upstream) каналах.

Вся система передачи данных осуществляется через головной кабельный модем CMTS, который управляет всеми ресурсами и кабельными модемами, жестко синхронизируя их работу (10,24 МГц Clock, 2,048 МГц Clock).

Передача в прямом канале осуществляется в формате MPEG, фреймами по 188 байт ко всем модемам заданного сегмента сети одновременно. Каждый конкретный модем распаковывает поток и считывает только адресованную ему информацию.

Передача в обратном канале реализуется на базе одного или нескольких (смешанное решение) протоколов: TDMA (Time Division Multiple Access), A-TDMA (Advanced Time Division Multiple Access), S-CDMA (Synchronous Code Division Multiple Access). 

Канал передачи разделяется по времени на множество минислотов по 6,25 мкс. Каждый модем может получить один или несколько минислотов как по запросу на время передачи данных, так и в постоянное пользование с заданными параметрами распределения по времени для управления задержкой и устранения джиттера, что равноценно выделенному каналу с фиксированной скоростью (Smart Service Flow).

Распределение минислотов осуществляет CMTS на основании полученных запросов от всех кабельных модемов своего сегмента сети и информации о помеховой обстановке, доступного частотного ресурса для передачи и достижимой скорости передачи.

Кабельные модемы, в свою очередь, могут запрашивать ресурсы только в рамках заданной для каждого модема конфигурации, которая регламентирует предельное число используемых модемом минислотов по запросу и количество минислотов, выделенных ему в постоянное пользование.

Механизмы обеспечения качества обслуживания QoS, SLA

Unsolicited Grant Service (UGS) используется для обеспечения передачи голоса и видео, требующего гарантированную полосу. Для этого типа сервиса выделяется постоянный поток минислотов заданной длины и с заданной частотой, что позволяет гарантировать не только скорость передачи трафика, но и задержку с минимальным колебанием. При этом сетевой ресурс для голосовых портов абонентских модемов резервируется только при установлении телефонного соединения и высвобождается по его окончании.

Committed Information Rate применяется для выделения по запросу в соответствии с заданными параметрами CIR. При этом гарантируется заданная минимальная скорость соединения. Такой сервис подходит для обеспечения высококачественного подключения к Интернету или организации виртуальных частных сетей для корпоративных пользователей, требующих гарантированного качества обслуживания. При этом благодаря пакетному режиму передачи можно обеспечить переподписку и приоритезацию “корпоративного” трафика.

Развитие спецификации  DOCSIS, технические характеристики

Первая спецификация DOCSIS 1.0 позволяла производить только статическое распределение минислотов для всех видов трафика UGS — Unsolicited Grant Service (only static), что существенно снижало эффективность использования полосы для предоставления сервисов.

Вторая версия спецификации — DOCSIS 1.1 обеспечила возможность осуществлять: динамическое выделение сервисных потоков на момент предоставления услуг, классификацию трафика, динамические распределение мини-слотов для разных видов трафика, управление задержкой и джиттером.

Список поддерживаемых классов сервисов был значительно расширен:

• UGS — Unsolicited Grant Service;

• USG-AD — Unsolicited Grant Service Activity Detection;

• RTPS — Real-Time Polling Service;

• Best Effort;

• NRTPS — Non Real-Time Polling Service;

• Fragmentation;

• Concatenation;

• PHS — Payload Header Suppression;

• CIR — Committed Information Rate;

• DCC — Dynamic Channel Change;

• DSF — Dynamic Service Flows;

• BPI+ — Baseline Privacy Interface.

Спецификация DOCSIS 2.0 определила новые методы передачи и цифровой обработки сигнала (протоколы
A-TDMA, S-CDMA), что в несколько раз увеличило помехозащищенность и скорость передачи в обратном канале. При этом была обеспечена полная совместимость с ранее выпущенным оборудованием версии DOCSIS 1.0/1.1.

Также она позволила осуществлять цифровой анализ частотного спектра и обеспечила динамическое управление выбором частотных полос с наилучшими условиями помеховой обстановки. Новые алгоритмы цифровой обработки сигнала позволили успешно бороться с переотраженными сигналами, замираниями, групповыми задержками и искажениями сигнала, подавлять шумы ингрессии и импульсные помехи. Общие данные по возможностям оборудования в стандарте DOCSIS 1.1, 2.0 представлены в табл. 3.

Развитие стандарта на этом не закончилось. Первого июня этого года лаборатория CableLabs объявила об окончании работ по разработки новой спецификации — DOCSIS 3.0, которая позволит увеличить скорость передачи в прямом канале до 200 и до 100 Мбит/с в обратном. Ведущий производитель оборудования DOCSIS, Motorola, анонсировал выпуск оборудования в новом стандарте уже к концу 2005 г.

Консорциум кабельных операторов намерен оказать серьезную конкуренцию другим технологиям широкополосного доступа, равно как WiMAX или ADSL. В табл. 4 представлена программа развития CableLabs спецификации на ближайший год.

Коммерческие аспекты применения технологии

Для наглядной демонстрации приоритетных областей применения технологии Wireless DOCSIS проведем сравнительный анализ с альтернативной технологией WiMAX (табл. 5).

Рассматриваемые технологии во многом совпадают. Главной отличительной особенностью Wireless DOCSIS, не считая схемы модуляции сигнала, является более высокая плотность передачи информации бит/Гц и низкие требования к ширине полосы частот.

В российских условиях, когда получить большую полосу частот зачастую слишком сложно, для развертывания системы Wireless DOCSIS достаточно 8 МГц для прямого канала и 6 МГц для обратного. Технология имеет неоспоримое преимущество в условиях дефицита частотного ресурса.

Второй ее особенностью является то, что она полностью совместима как с аналоговыми, так и с цифровыми стандартами телевизионного вещания и может стать хорошим дополнением телевизионных систем MMDS, DVB-T, превратив их в широкополосные сети с полным спектром услуг — телевидение+телефон+Интернет.

Дешевизна и доступность абонентского оборудования, низкая частотная емкость, простота реализации широковещательного телевидения по соседним частотным каналам делают данную технологию привлекательной для реализации сети широкополосного доступа в пригородных районах с низкой плотностью застройки и в сельской местности с целью удовлетворения населения в насущных потребностях: 10 — 12 ТВ программ, телефон, доступ в Интернет.

Следует отметить, что в отличие от WiMAX системы, реализованные в стандарте Wireless DOCSIS, имеют многолетний опыт успешной коммерческой эксплуатации при полной совместимости оборудования, выпущеного различными производителями.