DOCSIS 3.1最新PHY技術(shù)參數(shù)及運(yùn)營商部署策略探討

凌明偉，李遠(yuǎn)東

(1. 浙江傳媒學(xué)院，浙江 杭州 310018；2. DVBCN，上海 201100)

DOCSIS 3.1最新PHY技術(shù)參數(shù)及運(yùn)營商部署策略探討

凌明偉1，李遠(yuǎn)東2

(1. 浙江傳媒學(xué)院，浙江 杭州 310018；2. DVBCN，上海 201100)

摘要:2015年6月11日，CableLabs(美國有線電視網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室)發(fā)布了最新版的DOCSIS 3.1物理層技術(shù)規(guī)范，對(duì)制定該規(guī)范的背景、需求、設(shè)備、射頻信道技術(shù)參數(shù)、傳輸電平、上行發(fā)射與接收、下行發(fā)射、下行接收、OFDM技術(shù)參數(shù)、OFDMA技術(shù)參數(shù)、PHY-MAC融合、主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)進(jìn)行了介紹。還對(duì)該技術(shù)規(guī)范中涉及DOCSIS 3.1網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行介紹，并對(duì)有線電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的部署策略進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞:DOCSIS 3.1；CMTS；CM；OFDM；OFDMA；LDPC

1DOCSIS 3.1概述

當(dāng)下，消費(fèi)者對(duì)高質(zhì)量電視廣播內(nèi)容、高帶寬流媒體電視內(nèi)容、實(shí)時(shí)交互式游戲以及遠(yuǎn)程家庭監(jiān)控的需求越來越大，這就需要雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商大幅提高入戶帶寬[1-2]。在此背景下，歐美有線電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商加快了對(duì)于最新一代雙向接入技術(shù)DOCSIS 3.1的現(xiàn)網(wǎng)部署進(jìn)程[1,3]。相對(duì)于DOCSIS 3.0，DOCSIS 3.1在接入速率、體驗(yàn)質(zhì)量、系統(tǒng)容量、CM終端能效等方面均有很大提升[2]。

全球最大的兩大有線電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商Comcast Cable(美國)及Liberty Global(歐洲)將于2016年大規(guī)模部署DOCSIS 3.1技術(shù)[1,4]。截至2015年6月9日，至少有10家歐洲有線電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商正在將其雙向HFC網(wǎng)絡(luò)升級(jí)至1.2 GHz系統(tǒng)，以為規(guī)劃中的DOCSIS 3.1現(xiàn)網(wǎng)部署做前期準(zhǔn)備[5]。IHS在2015年7月28日發(fā)布的報(bào)告中稱，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)：有線電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商們希望在2017年4月之前，其部署的DOCSIS 3.1接入網(wǎng)系統(tǒng)能覆蓋到其1/3的用戶[3](筆者注：大致有1 700萬家庭用戶)；一半的受訪有線電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商表示將在2017年將其雙向有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)的上行信道截止頻點(diǎn)提升至86～100 MHz[3]；甚至，高達(dá)1/4的受訪有線電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商表示將在2017年將其雙向有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)的上行信道截止頻點(diǎn)提升至101～200 MHz[3]。

DOCSIS 3.1技術(shù)沿用了現(xiàn)有DOCSIS技術(shù)的MAC層與物理層，使之與現(xiàn)有物理層后向兼容，從而保證平滑遷移：DOCSIS 3.1的CM終端可以無縫地接入DOCSIS 3.0、2.0、1.1以及1.0的CMTS；DOCSIS 3.1的CMTS可以支持無縫地接入DOCSIS 3.0、2.0以及1.1的CM[6]。

此外，DOCSIS 3.1還設(shè)計(jì)了全新的物理層來提高頻譜效率與可用物理帶寬，同時(shí)還對(duì)MAC層及管理層進(jìn)行了相應(yīng)的更新[6]。

2功能

2.1設(shè)備

1)頻率規(guī)劃

上行系統(tǒng)的截止頻率可以是54 MHz、87.5 MHz、108 MHz或者258 MHz。下行系統(tǒng)典型的截止頻率范圍是550 ～1 002 MHz，未來有望擴(kuò)展至1 218 MHz、1 794 MHz及更高的頻點(diǎn)。

2)與其他業(yè)務(wù)的兼容性

DOCSIS 3.1的CMTS以及CM必須均能與有線電視網(wǎng)絡(luò)中其他正常運(yùn)行的業(yè)務(wù)共存。

3)故障隔離

由于DOCSIS 3.1的CMTS是點(diǎn)到多點(diǎn)的共享媒質(zhì)系統(tǒng)，就需要考慮故障對(duì)于“海”量數(shù)據(jù)用戶、視頻用戶等的潛在有害影響，并考慮故障隔離程序。

2.2射頻信道

按照雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)的上下行信道的技術(shù)參數(shù)配置，DOCSIS 3.1系統(tǒng)須至少采用其中一組物理層參數(shù)(比如調(diào)制、交織深度等)。

1)下行傳輸

雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)下行信道的傳輸特征見表1[6]。

2)上行傳輸

雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)上行信道的傳輸特征見表2[6]。

3DOCSIS 3.1的單載波QAM調(diào)制PHY子層

DOCSIS 3.1系統(tǒng)的CM或CMTS在以下兩種情況下啟動(dòng)單載波QAM調(diào)制PHY子層：與DOCSIS 3.0系統(tǒng)后向兼容時(shí)；DOCSIS 3.1全新物理層功能出現(xiàn)故障時(shí)。主要的區(qū)別在于，DOCSIS 3.1系統(tǒng)的CM或CMTS至少要支持24個(gè)下行信道綁定及8個(gè)上行信道綁定，而DOCSIS 3.0系統(tǒng)的CM或CMTS至少支持4個(gè)下行信道綁定及4個(gè)上行信道綁定。

此處，實(shí)施單載波調(diào)制的場(chǎng)景包括：DOCSIS 3.0系統(tǒng)及更早DOCSIS版本系統(tǒng)的下行信道；DOCSIS 3.0系統(tǒng)及更早DOCSIS版本系統(tǒng)的上行信道(采取TDMA、A-TDMA及S-CDMA技術(shù))。

此時(shí)，上行傳輸與接收、下行傳輸這兩者的技術(shù)參數(shù)與DOCSIS 3.0版本物理層相同。對(duì)于前者的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，如表3[6]所示。

4DOCSIS 3.1的OFDM調(diào)制PHY子層

4.1下行頻譜規(guī)劃

1)CMTS的下行頻譜規(guī)劃

CMTS必須要能支持兩個(gè)獨(dú)立配置的、下行帶寬分別為192 MHz的OFDM信道：CMTS必須支持的最高截止頻率為1.218 GHz，可以支持的最高截止頻率為1.794 GHz；CMTS必須支持的最低截止頻率為258 MHz，可以支持的最低截止頻率為108 MHz。

表1雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)下行信道傳輸特征

參數(shù)數(shù)值頻率范圍雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)下行信道的典型工作頻段為54～1002MHz。下行信道擴(kuò)展型工作頻段中:最低頻點(diǎn)為108MHz及258MHz,最高頻點(diǎn)為1218MHz及1794MHzRF信道間隔(設(shè)計(jì)帶寬)24～192MHz從前端到最遠(yuǎn)用戶的單向傳輸時(shí)延≤0.400ms(實(shí)際要遠(yuǎn)小于該數(shù)值)信號(hào)與復(fù)合噪聲功率比≥35dBC/CTB≥41dBC/CSO≥41dB載波交調(diào)功率比≥41dB載波與侵入噪聲功率比≥41dB6MHz數(shù)字信道內(nèi)的振幅變化≤1.74dBpk-pk/6MHz群延遲變化≤113ns(24MHz帶寬內(nèi))微反射反射時(shí)長≤0.5μs時(shí):-20dBc;反射時(shí)長≤1.0μs時(shí):-25dBc;反射時(shí)長≤1.5μs時(shí):-30dBc;反射時(shí)長≤2.0μs時(shí):-35dBc;反射時(shí)長≤3.0μs時(shí):-40dBc;反射時(shí)長≤4.5μs時(shí):-45dBc;反射時(shí)長≤5.0μs時(shí):-50dBc載波交流聲調(diào)制≤-30dBc(3%)模擬視頻輸入CM的最大載波電平17dBmV最大模擬載波個(gè)數(shù)121

2)CM的下行頻譜規(guī)劃

CM必須要能支持兩個(gè)獨(dú)立配置的、下行帶寬分別為192 MHz的OFDM信道：CM必須支持的最高截止頻率為1.218 GHz，可以支持的最高截止頻率為1.794 GHz；CMTS必須支持的最低截止頻率為258 MHz，可以支持的最低截止頻率為108 MHz(當(dāng)CM所配置的上行截至頻率為85 MHz或更低時(shí))。

4.2上行頻譜規(guī)劃

1)CM的上行頻譜規(guī)劃

CM必須要能支持兩個(gè)獨(dú)立配置的、下行帶寬分別為96 MHz的OFDM信道。作為可選項(xiàng)，也可支持多于兩個(gè)的、下行帶寬分別為96 MHz的OFDM信道。

表2雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)上行信道傳輸特征

參數(shù)數(shù)值頻率范圍雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)上行信道的典型工作頻段為5～42MHz或5～65MHz。上行信道擴(kuò)展型工作頻段為5～85MHz、5～117MHz及5～204MHzRF信道間隔(設(shè)計(jì)帶寬)24～192MHz從最遠(yuǎn)用戶到前端的單向傳輸時(shí)延≤0.400ms(實(shí)際要遠(yuǎn)小于該數(shù)值)載波與干擾信號(hào)及侵入噪聲信號(hào)功率比≥25dB6MHz數(shù)字信道內(nèi)的振幅變化≤2.78dBpk-pk/6MHz群延遲變化≤163ns(24MHz帶寬內(nèi))微反射反射時(shí)長≤0.5μs時(shí),-16dBc;反射時(shí)長≤1.0μs時(shí),-22dBc;反射時(shí)長≤1.5μs時(shí),-29dBc;反射時(shí)長≤2.0μs時(shí),-35dBc;反射時(shí)長≤3.0μs時(shí),-42dBc;反射時(shí)長≤4.5μs時(shí),-51dBc載波交流聲調(diào)制≤-26dBc(5.0%)季節(jié)與晝夜反向增益變化最大值-最小值≤14dB

表3DOCSIS 3.1相關(guān)技術(shù)參數(shù)

參數(shù)數(shù)值頻率范圍5～42MHz,5～65MHz,5～85MHz信號(hào)類型TDMA、S-CDMA(可選)調(diào)制方式QPSK、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM、128QAM調(diào)制率(標(biāo)稱)TDMA:1280,2560,5120kHzS-CDMA:1280,2560,5120kHz可選的pre-3.0-DOCSIS運(yùn)行TDMA:160,320,640kHz帶寬TDMA:1600,3200,6400kHzS-CDMA:1600,3200,6400kHz可選的pre-3.0-DOCSIS運(yùn)行TDMA:200,400,800kHz電平CM的平均輸出總功率≥65dBmV輸出阻抗75Ω輸出反射損耗>6dB5fmax=42/65/85/117/204MHz;>6dBfmax=1218MHz;>6dBfmax=1.794GHz(對(duì)于具有相關(guān)能力的CM終端)連接器遵循ISO/IEC-61169-24標(biāo)準(zhǔn)或者SCTE02標(biāo)準(zhǔn)的F頭

CM調(diào)制器必須能支持上行5～204 MHz(最低頻點(diǎn)，其余頻點(diǎn)還包括42 MHz、65 MHz、85 MHz、117 MHz。也可額外支持高于204 MHz的頻點(diǎn)——此時(shí)，CM必須傳輸192 MHz的活躍信道)頻段，并在此頻段內(nèi)靈活部署OFDMA信道。

在DOCSIS 3.1上行模式之下，CM必須具有同時(shí)傳輸OFDMA信道及傳統(tǒng)單載波QAM信道的能力(在CMTS的控制之下)。在所有的應(yīng)用場(chǎng)景之下，當(dāng)上行信道的截止頻率低于85 MHz時(shí)，CM無需傳輸傳統(tǒng)的單載波QAM信道。

2)CMTS的上行頻譜規(guī)劃

CMTS必須要能支持兩個(gè)獨(dú)立配置的、下行帶寬分別為96 MHz的OFDM信道。作為可選項(xiàng)，也可支持多于兩個(gè)的、下行帶寬分別為96 MHz的OFDM信道。

CMTS必須能支持5～204 MHz(最低頻點(diǎn)，也可額外支持高于204 MHz的頻點(diǎn)——此時(shí)，CM必須傳輸192 MHz的活躍信道)頻段的上行傳輸，并在此頻段內(nèi)靈活部署OFDMA塊。

在DOCSIS 3.1上行模式之下，CM必須具有同時(shí)傳輸OFDMA信道及傳統(tǒng)單載波QAM信道的能力(在CMTS的控制之下)。在所有的應(yīng)用場(chǎng)景之下，當(dāng)上行信道的截止頻率低于85 MHz時(shí)，CMTS無需傳輸傳統(tǒng)的單載波QAM信道。

4.3信道頻帶規(guī)劃原則

為確保DOCSIS 3.1 CMTS及CM的正常運(yùn)行，OFDM/OFDMA信道規(guī)劃應(yīng)遵循以下的原則：

1)下行OFDM配置

DOCSIS 3.1的下行調(diào)制采用OFDM，包括4K FFT及8K FFT兩種模式，采樣率為204.8 MHz。詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如表4[6]所示。

表4下行OFDM技術(shù)參數(shù)

參數(shù)4K模式8K模式下行主時(shí)鐘頻率10.24MHz下行采樣率fs204.8MHz下行基本周期Tsd1/(204.8MHz)信道帶寬24MHz,…,192MHzIDFT40968192子載波間距50kHz25kHzFFT周期(數(shù)據(jù)符號(hào)周期)Tu20μs40μs192MHz帶寬內(nèi)數(shù)據(jù)子載波最大數(shù)目38007600首、末數(shù)據(jù)子載波的最大間距190MHz循環(huán)前綴0.9375μs(192×Tsd)1.25μs(256×Tsd)2.55μs(512×Tsd)3.75μs(768×Tsd)5μs(1024×Tsd)開窗0μs(0×Tsd)0.3125μs(64×Tsd)0.625μs(128×Tsd)0.9375μs(192×Tsd)1.25μs(256×Tsd)

2)上行OFDMA配置

DOCSIS 3.1的上行調(diào)制采用OFDM的多用戶版本——OFDMA技術(shù)，為相關(guān)CM分配若干個(gè)子載波用于上行通信。包括2K FFT及4K FFT兩種模式，采樣率為102.4 MHz。詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如表5[6]所示。

表5上行OFDMA技術(shù)參數(shù)

參數(shù)2K模式4K模式上行采樣率fsu102.4MHz上行基本周期Tsu1/(102.4MHz)信道帶寬10MHz…96MHz6.4MHz…96MHzIDFT20484096子載波間距50kHz25kHzFFT周期(數(shù)據(jù)符號(hào)周期)Tu20μs40μs192MHz帶寬內(nèi)數(shù)據(jù)子載波最大數(shù)目19003800循環(huán)前綴0.9375μs(96×Tsd)1.25μs(128×Tsd)1.5625μs(160×Tsd)2.1875μs(224×Tsd)2.5μs(256×Tsd)2.8125μs(288×Tsd)3.125μs(320×Tsd)3.75μs(384×Tsd)5.0μs(512×Tsd)6.25μs(640×Tsd)開窗0μs(0×Tsd)0.3125μs(32×Tsd)0.625μs(64×Tsd)0.9375μs(96×Tsd)1.25μs(128×Tsd)1.5625μs(160×Tsd)1.875μs(192×Tsd)2.1875μs(224×Tsd)

3)調(diào)制格式

DOCSIS 3.1的CMTS調(diào)制器必須能支持16QAM、64QAM、128QAM、256QAM、512QAM、1024QAM、2048QAM以及4096QAM，并可選支持具有更高調(diào)制階數(shù)的8192QAM及16384QAM。

DOCSIS 3.1的CM解調(diào)器必須能支持16QAM、64QAM、128QAM、256QAM、512QAM、1024QAM、2048QAM以及4096QAM，并可選支持具有更高調(diào)制階數(shù)的8192QAM及16384QAM。

5信道編碼

DOCSIS 3.1的FEC所采取的是先進(jìn)的三準(zhǔn)循環(huán)LDPC編碼技術(shù)(與之對(duì)比，DOCSIS 3.0所采取的是RS編碼技術(shù))，以軟、硬件結(jié)合的形式來實(shí)現(xiàn)，從而可增大噪聲環(huán)境中的糾錯(cuò)能力，并降低了僅以軟件方式來實(shí)現(xiàn)LDPC編碼時(shí)CMTS的工作負(fù)荷[1,5]。而且，三準(zhǔn)循環(huán)LDPC編碼的譯碼復(fù)雜度較低，結(jié)構(gòu)靈活，相關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)如表6所示[6]。

表6信道編碼相關(guān)技術(shù)參數(shù)

碼型碼率碼字長度/bit信息碼位數(shù)/bit奇偶碼位數(shù)/bit長碼89%(8/9)16200144001800中碼85%(28/33)59405040900短碼75%(3/4)1120840280

6有線電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的部署策略探討

DOCSIS 3.1最新的物理層PHY標(biāo)準(zhǔn)確定了最高的子載波調(diào)制格式為16384QAM。但是，在實(shí)際的有線電視網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)網(wǎng)之中，由于模擬光纖鏈路及雙向電放大器的長級(jí)聯(lián)鏈路的存在，CNR的性能很難達(dá)到采用1024QAM、512QAM甚至512QAM調(diào)制的水平。從而，為獲得10 Gbit/s的下行接入速率，就需要對(duì)雙向HFC系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)(比如升級(jí)至1 794 MHz系統(tǒng))，但是擴(kuò)展現(xiàn)網(wǎng)底層頻譜資源存在很大的挑戰(zhàn)。

為此，有線電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以采取如下的策略：

首先，可以繼續(xù)實(shí)施模數(shù)轉(zhuǎn)換甚至部署全數(shù)字電視業(yè)務(wù)，以“釋放”出更多的頻譜資源。

其次，通過適當(dāng)增大發(fā)射端的光調(diào)制度來提高下行鏈路的CNR。

再次，可繼續(xù)“下沉”部署雙向光節(jié)點(diǎn)，以提高CNR，減小失真，從而提高頻譜效率。但是，由于上行鏈路的CNR性能受限于模擬光纖系統(tǒng)，就無法大幅地提升頻譜效率。

因此，第四步可規(guī)模部署遠(yuǎn)端PHY架構(gòu)，以提高系統(tǒng)CNR，從而進(jìn)一步減小頻譜資源需求。此外，還可在此架構(gòu)上部署復(fù)用/解復(fù)用功能，以支持部署雙向光節(jié)點(diǎn)“下沉”部署，而且不會(huì)降低MER性能。于是，上行鏈路的MER性能就可以不再依賴于光纖鏈路長度以及雙向電放大器的級(jí)聯(lián)數(shù)了。

參考文獻(xiàn)：

[1]NELSON R. DOCSIS 3.1 Enables rapid deployment of gigabit broadband[EB/OL].[2015-07-10]. http://www.infonetics.com/pr/2014/Carrier-SDN-NFV-Market-Highlights.asp.

[2]CableEuro.DOCSISandDOCSIS3.1[EB/OL].[2015-07-10].http://www.cable-europe.eu/wp-content/uploads/2015/04/DOCSIS-document-A4-02.pdf.

[3]MultichannelNEWS.SurveyPinpointsWhat’sHotInCableTech[EB/OL].[2015-07-28].http://www.multichannel.com/blog/bauminator/survey-pinpoints-what-s-hot-cable-tech/392545.

[4]LibertyGlobal.LiLACGroupPresentation[EB/OL].[2015-07-10].http://www.libertyglobal.com/pdf/presentations/LiLAC-Group-Presentation-June-2015-FINAL.pdf.

[5]JULIANC.Cablenetsexpandingto1.2GHzforDOCSIS3.1[EB/OL].[2015-07-10].http://www.broadbandtvnews.com/2015/06/09/cablenets-expanding-to-1-2ghz-for-docsis-3-1/.

[6]CM-SP-PHYv3.1-I06-150611,Data-Over-CableServiceInterfaceSpecificationsDOCSIS? 3.1PhysicalLayerSpecification[S]. 2015.

責(zé)任編輯：薛京

Newest version of DOCSIS 3.1 PHY parameters and deployment strategy discussion

LING Mingwei1,LI Yuandong2

(1.ZhejiangUniversityofMediaandCommunications,Hangzhou310018,China; 2.DVBCN,Shanghai201100,China)

Abstract:CableLabs released the newest version of DOCSIS 3.1 PHY technical Parameters on June 11, 2015. In this paper, the development of the background of the specification, needs, standardized equipment, radio channel technical parameters, transport level, the uplink transmitter and receiver, downlink transmission, downlink reception, OFDM technology parameters, OFDMA technical parameters, PHY-MAC fusion, proactive network maintenance are introduced. This article also relates to the network planning technical parameters of DOCSIS 3.1 in the technical specifications, and the cable television network operator deployment strategies are discussed.

Key words:DOCSIS 3.1；CMTS；CM；OFDM；OFDMA；LDPC

中圖分類號(hào):TN949

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.023

收稿日期：2015-08-05

文獻(xiàn)引用格式：凌明偉，李遠(yuǎn)東.DOCSIS 3.1最新PHY技術(shù)參數(shù)及運(yùn)營商部署策略探討[J].電視技術(shù),2016，40(3)：107-110.

LING Minwei,LI Yuandong.Newest version of DOCSIS 3.1 PHY parameters and deployment strategy discussion[J].Video engineering,2016,40(3)：107-110.