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DOCSIS EoC DOCSIS EPON Ethernet 光纖電纜同軸電纜有線電視 QoC

部署最後100米　中國大陸力推DOCSIS EoC

2011-02-24

Emie Bahm/Ed Boyd

由於中國大陸市場競爭壓力越來越大，而且市場在向三網合一服務演進，因此中國大陸的有線電視營運商正在為最後100米接入尋求基於標準的、既經濟又能適應未來變化的技術解決方案。需要這樣的解決方案，主要是因為必須以更大的頻寬傳輸網際網路內容、影像和語音資料。

目前的解決方案涉及各種不同的、通常稱為同軸電纜乙太網路(Ethernet over Coax, EoC)的技術，但是這類解決方案是廠商各自開發的，因此不同廠商的設備之間沒有互通性，也沒有為諸如語音等即時服務實現服務品質(QoS)的標準化方法。纜線數據服務介面規範(DOCSIS)為有線電視網的各種服務提供了一種標準化技術，因此在系統供應商的設備間實現強大的互通性，該技術並提供各種非常有效的QoS方法，可確保在網路壅塞時仍然能傳送資料。

本文概述中國大陸有線電視營運商如何用DOCSIS技術實現同軸電纜乙太網路解決方案。本文提供的解決方案利用乙太網路被動光纖網路(EPON)的各種特性、跨光纖電纜/同軸電纜提供QoS連續性，同時利用這些特性讓該解決方案能夠實現與今日之同軸電纜乙太網路解決方案相媲美的經濟性。

市場需求牽動DOCSIS走向

中國大陸的有線電視營運商正在經歷著巨大的結構性轉變，正在進行省際合併和業務擴展。中國大陸政府已經制訂下一代廣播電視網(NGB)計畫作為這個計畫的一部分，最近指定十二個城市為三網合一服務和新一代架構的試驗地點。這個計畫的目標是，建立中國大陸最先進的、廣播電視網路，促成電信、網際網路和有線電視網路的融合。

預計這項計畫在未來幾年內將使有線電視營運商增加極大的資本支出，因為這些營運商急於升級網路。在有線電視營運商以經濟實惠的方式為中國大陸消費者建設網路的過程中，資本支出的主要去向將是部署創新性網路架構。

在中國大陸的大型城市中，大多數三網合一服務的用戶都居住在多住戶大樓如多住宅單元設備(MDU)中，通常每棟樓房或樓群的居民數不超過五百人。一般採用光纖電纜為這類大樓提供服務，並選用「最後100米」其中的某幾種技術，以大樓的豎井來實現。這幾種技術包括光纖電纜、雙絞線、乙太網路和同軸電纜(圖1)。有線電視營運商通常會使用豎井中的同軸電纜，而且願意選用這種電纜提供服務。

圖1　多住宅單元設備可選用的最後100米技術

目前還有幾種技術能透過有線電視網實現雙向服務，其中包括幾種專有和特定廠商的技術，一般統稱為同軸電纜乙太網路。不過，營運商通常喜歡以標準的方式來使用有線電視網，因為可確保廠商之間的互通性，並降低成本，因設備供應商在開發產品時能夠從規模經濟中受益。DOCSIS和EuroDOCSIS兩種標準定義了有線電視網上的雙向服務。由於一般預料三網合一網路會出現壅塞，DOCSIS還提供必要的QoS工具，以便在網路壅塞時確保語音通話順暢。在過去12年中，全球每年都部署數百萬台DOCSIS數據機，這證明就語音、影像和網際網路通訊協定(IP)影像服務而言，DOCSIS是一種可靠和成熟的技術。

不過，DOCSIS的設計初衷是，在通常由數千個使用者組成的網路中、以有限的頻寬支援不完全確定的射頻(RF)環境。在共用的有線電視網上，對使用者的管理與評斷是由纜線數據機終端系統(CMTS)完成的。儘管就提供雙向有線電視服務而言，CMTS可能相當經濟實惠，但是其成本必須分散在成千上萬的用戶身上，這樣才能與現有同軸電纜乙太網路解決方案這類的成本持平。就不超過兩百個使用者的多住宅單元設備而言，用傳統的商用CMTS提供服務，從成本上來看是不可行的。

本文將探討一種新的基於DOCSIS的同軸電纜乙太網路稱之為DOCSIS EoC的創新方法，這種DOCSIS同軸電纜乙太網路可用來在中國大陸的多住宅單元設備中部署DOCSIS技術。這種方法利用現有的EPON光傳輸終端機(OLT)，透過有線電視網提供雙向服務，成本可與非標準的同軸電纜乙太網路解決方案相媲美，並同時提供高達400Mbit/s的速率。

DOCSIS EoC是一種獨特的適合中國大陸市場的解決方案，可以利用中國大陸開發的EPON標準，專門針對中國大陸的基礎設施要求及新一代融合需求，將DOCSIS制定為最後100米解決方案。

DOCSIS同軸電纜乙太網路發展蓬勃

DOCSIS同軸電纜乙太網路架構利用DOCSIS媒體存取控制(MAC)/實體(PHY)層技術與EPON網路單元實現一種經濟且可利用中國大陸多住宅單元設備中DOCSIS用戶端裝置(CPE)的解決方案，其主要的網路設備如圖2所示。

圖2　面向EPON網路架構的DOCSIS同軸電纜乙太網路

光纖網路和有線電視網路通訊協定架構如圖3所示。EPON光傳輸終端機在寬頻網路的廣域網路(WAN)一側提供封包入口/出口，並利用圖3中光纖網路通訊協定架構部分所示的EPON協定架構為通向多住宅單元設備的光纖電纜服務。在多住宅單元設備大樓中，為了通過大樓豎井中的同軸電纜傳輸射頻訊號，同軸電纜媒體轉換器(CMC)提供從EPON到DOCSIS區域的橋接功能。DOCSIS協議終止於使用者所處的位置，用戶可採用標準的、現成已售的、通過DOCSIS認證的纜線數據機(CM)，還可採用嵌入式多媒體終端轉換器(EMTA)或含有支援DOCSIS機上盒閘道(DSG)協定之嵌入式DOCSIS數據機的機上盒(STB)。

圖3　面向EPON的DOCSIS同軸電纜乙太網路協定總結

同軸電纜媒體轉換器設備負責利用嵌入式光纖網路單元(ONU)終止EPON協定，並利用纜線數據機終端系統設備中的DOCSIS MAC和PHY層技術發起DOCSIS協議。為了實現同軸電纜媒體轉換器經濟實惠的目標，有必要利用光傳輸終端機已有的功能，並僅選擇必要的最先進的DOCSIS功能，以確保已認證的DOCSIS用戶端裝置的數據機和機上盒正確運作。

實際使用到的光傳輸終端機功能，包括封包分類和開關功能，這些功能將封包附上優先順序標記，並指示將封包發送到同軸電纜媒體轉換器的哪一個埠。

這些網路單元可以利用與符合中國大陸操作、管理、維護(OAM)標準的協力廠商網路管理系統(NMS)來部署和管理，或者反過來利用DOCSIS命令列介面(CLI)的指令來部署和管理。

同軸電纜媒體轉換器支援DOCSIS 3.0與DOCSIS 2.0運作，但為了降低成本並未包括以下各項功能(前三者屬於MAC層，最後一項功能屬於PHY層)：

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檔頭壓縮(PHS)透過先抑制IP封包傳輸控制協定(TCP)部分的欄位，然後在接收器端重新插入這些欄位，來提高網路效率。PHS是在DOCSIS 1.0中引入的，其設計初衷是服務於上行和下行頻寬可能受限的網路。隨著DOCSIS 2.0和DOCSIS 3.0設備條件的改善及頻寬的增加，PHS的好處大大地減少。此外，PHS僅對營運商自行管理的服務有用，亦即營運商明確設定的單項服務。目前，這種服務基本上意味是語音服務，而且語音頻寬在總頻寬中所占百分比越來越小，因此提高效率的優勢沒有以前那麼突出。

‧	運用AES的BPI
	高級加密標準(AES)是一種加密方式，是為實現線保密介面(BPI)而加入到DOCSIS 3.0中。DOCSIS 2.0運用資料加密標準(DES)密碼實現BPI，而同軸電纜媒體轉換器將使用DES，以降低MAC層的成本。

‧	邏輯通道
	DOCSIS 2.0增加邏輯通道模式，以便讓進階版分時多重存取(ATDMA)和同步分碼多重存取(SCDMA)PHY在相同的物理通道上運行。DOCSIS同軸電纜乙太網路同軸電纜媒體轉換器僅支援SCDMA模式，因此無需邏輯通道。

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DOCSIS 2.0和DOCSIS 3.0標準運用SCDMA和ATDMA模式實現PHY層傳輸。SCDMA是一種先進的PHY技術，在DOCSIS 2.0中增加這種技術是為了在通道條件不那麼理想的電纜線路上進行RF傳輸。尤其是SCDMA能減輕纜線線路上的脈衝雜訊，這類雜訊有可能通過吹風機、微波爐等常見的家用電器注入用戶端裝置。而ATDMA在有脈衝雜訊的情況下表現不是很好。因此，同軸電纜媒體轉換器將僅支援SCDMA模式，以最大限度地利用多住宅單元設備大樓豎井中的同軸電纜運行。

DOCSIS同軸電纜乙太網路運用RF傳輸

在上行PHY方面，如前一節所討論的，DOCSIS同軸電纜乙太網路採用DOCSIS、SCDMA中所用的最先進的PHY層技術。DOCSIS同軸電纜乙太網路SCDMA在上行鏈路中還支援256QAM模式，這種模式在6MHz通道中提供40Mbit/s線路速率，該速率比64QAM模式提高33%。此外，SCDMA採用正交碼，以提供可靠的纜線數據機傳輸。

目前的短脈衝串接收器運用強大的數位訊號處理器(DSP)實現複雜演算法，這些演算法利用SCDMA正交碼減輕電纜設備上的突發雜訊和脈衝雜訊。

圖4顯示的是，與ATDMA接收器及DSP能力不足、無法利用SCDMA編碼減輕雜訊的常規SCDMA接收器相比，博通(Broadcom)BCM3141 DOCSIS同軸電纜乙太網路短脈衝串接收器減輕雜訊的特性。

圖4　SCDMA在有脈衝雜訊的情況下運行。

正交編碼還允許SCDMA能夠在有很強侵入雜訊的情況下運行。透過有選擇性地採用某些代碼，SCDMA可以同時檢測及避開窄帶與寬頻侵入雜訊。這種技術稱為可選擇的主動編碼(SAC)，它是DOCSIS用戶端裝置的一個標準，允許來自多個廠商的設備在有侵入雜訊的情況下運行。圖5顯示頻譜分析儀從一台真實的電纜設備中捕捉到的頻譜圖，點狀線構成的長方形圍住的部分是侵入雜訊最嚴重的情況。

圖5　電纜設備上的侵入雜訊

此侵入雜訊加入到BCM3141 DOCSIS同軸電纜乙太網路短脈衝串接收器上，並與64QAM、5×106符號/秒數據機傳輸連接。如果不用SAC，那片星座圖就無法恢復(圖6)。

圖6　有侵入雜訊的常規SCDMA

不過，在接收器上啟動SAC後，侵入雜訊就減輕，而且64QAM星座圖能以足夠的訊噪比(SNR)恢復出來，從而實現無誤差運行(圖7)。

圖7　有侵入雜訊時，DOCSIS同軸電纜SCDMA的運行。

而在下行PHY方面，DOCSIS同軸電纜乙太網路還以1,024QAM(美國標準DOCSIS)模式支援一種先進的下行傳輸模式。這種傳輸模式在6MHz的下行通道中提供50Mbit/s的線路速率，這比256QAM模式有25%的改進。1,024QAM星座圖如圖8所示。

圖8　DOCSIS同軸電纜乙太網路1,024QAM「星雲」

DOCSIS MAC提供調度/整形

DOCSIS同軸電纜乙太網路為端到端QoS提供兩級解決方案。DOCSIS MAC針對每個用戶、每種服務同時為上行和下行方向提供調度和整形。透過單獨控制和監視客戶服務，營運商可以為視訊會議、虛擬專線、網路備份等各種應用提供網際網路以外的增值連接。在被動式光纖網路架構(PON)上，客戶服務分成幾組，並給每組分配保證頻寬及通過PON的延遲參數。DOCSIS同軸電纜乙太網路和同軸電纜媒體轉換器在兩個QoS區域間提供橋接(圖9)。

圖9　EPON至DOCSIS的QoS變換

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DOCSIS標準定義了一種經過實用驗證的QoS方法，即利用服務流量識別碼、針對每個客戶和每種服務單獨調度封包。利用這種DOCSIS中提供的QoS方法，同軸電纜媒體轉換器可針對每個客戶和每種服務提供服務級別協定。同軸電纜媒體轉換器可以針對每種服務監視任何使用者的動態。

服務可以透過靜態配置來建立，或動態地基於營運商的要求而建立。服務流一旦建立，則除了上行和下行方向的延遲限制，還擁有最小頻寬保證和最大頻寬限制。同軸電纜媒體轉換器提供準確的整形，減少了網路對昂貴的流量管理設備的需求。利用多個服務流和嵌入式流量管理，營運商可以在輕負載或超負載網路中提供高品質的三網合一服務。

因為DOCSIS在上行和下行方向均採用分頻多工(FDM)，所以透過標準QAM或DOCSIS IP影像提供影像服務是可能的。不間斷的下行FDM、針對影像點播、組播、單播影像之隔離的服務流為高畫質影像用戶提供保障。而半雙工的EoC同軸電纜乙太網路系統難以向家庭提供高畫質影像，因為多個發送器存在爭用延遲的問題。

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EPON允許多條邏輯鏈結在上行和下行方向實現服務隔離。DOCSIS同軸電纜乙太網路系統運用多條邏輯鏈結識別碼(LLID)來隔離在同軸電纜網路上所提供的服務。可以設定邏輯鏈結上的服務合約，以保證滿足同軸電纜媒體轉換器上服務流的頻寬與延遲要求。因為EPON調度程式是節約工作型，所以在有保證的服務上未使用的頻寬將重新分配給其他服務。

融合PON/DOCSIS　簡化管理降低成本

DOCSIS同軸電纜乙太網路系統的一個關鍵特色是PON和DOCSIS的融合式管理。整個系統可以用常見的介面和定義、利用EPON的營運、管理、維護(OAM)規則來管理。該系統與其他解決方案不同，不須要對每個纜線數據機或每個同軸電纜媒體轉換器進行IP管理。整合為單一管理，降低成本並簡化網路分析。

同軸電纜媒體轉換器網路管理變換

同軸電纜媒體轉換器在國際電機電子工程師學會(IEEE)、中國通信標準化協會(CCSA)等定義的802.3乙太網路OAM規則和纜線數據機上的DOCSIS管理規則之間提供變換。因為同軸電纜媒體轉換器提供管理變換，所以可用單一網路管理系統來控制光傳輸終端機、光纖到府(FTTH)光纖網路單元和DOCSIS纜線數據機。毋須DOCSIS管理系統來管理DOCSIS系統，而以PON網路管理系統管理PON網路。在DOCSIS同軸電纜乙太網路中，EPON網路管理系統或具有DOCSIS媒介層(DML)的光傳輸終端機可用來全面管理所有單元。

同軸電纜媒體轉換器將回應IEEE與其他標準團體定義的乙太網路OAM規則。同軸電纜媒體轉換器將含括當地語系化纜線數據機所需如IP位址、簡易網路管理通訊協定(SNMP)資訊管理庫(MIB)和設定檔的普通檔案傳輸協定(TFTP)等的管理。管理域的橋接允許同軸電纜媒體轉換器顯示PON和DOCSIS網路的標準相容管理介面。

FTTH ONU/DOCSIS EoC可並存

DOCSIS同軸電纜乙太網路的設計允許與FTTH ONU共存，同時仍然保留標準DOCSIS纜線數據機的管理介面。

圖10所示規則中的DOCSIS同軸電纜乙太網路管理顯示，光傳輸終端機、光纖網路單元、同軸電纜媒體轉換器與纜線數據機在單一網路體系中都是可見的。纜線數據機和光纖網路單元由相同的配置屬性控制，如一個光纖網路單元般地提供虛擬區域網路(VLAN)交換、服務級別協定、統計和網路警告。一種常見的鑑別方法可用於光纖網路單元和纜線數據機。

圖10　運用中國大陸營運、管理、維護規則的DOCSIS同軸電纜管理

針對DOCSIS EoC進行DOCSIS管理

圖11　用DOCSIS媒介層管理EPON和DOCSIS同軸電纜乙太網路。

對許多有線電視營運商而言，纜線數據機的DOCSIS管理非常有價值。DOCSIS管理可為配置、網路監視和管理提供一個標準化的介面。博通DOCSIS媒介層軟體可以添加到EPON光傳輸終端機中，以提供對整個系統的DOCSIS管理。在光傳輸終端機機架上的眾多PON埠、FTTH光纖網路單元、同軸電纜媒體轉換器和纜線數據機在DOCSIS管理系統中都將以單一纜線數據機終端系統的面目出現。SNMP管理、系統日誌、配置和命令列介面在PON網路和純纜線數據機終端系統網路中將會很常見(圖11～12)。而DOCSIS同軸電纜乙太網路規範總結可參考表1。