电缆数据服务接口规范(DOCSIS)是针对CATV电缆调制解调器以及相关产品的互操作性而设计,Chet Shirali曾参与开发CableLabs的DOCSIS标准工作,本文他将介绍如何改进DOCSIS规范才能建立用于无线多点、多通道分布式服务(MMDS)和本地多点分布式服务(LMDS)系统。本文适合中国宽带无线网络和CATV系统设计工程师阅读。
DOCSIS标准最初是由美国设备制造商和CATV运营商联合会开发的。现在该标准明确了RF物理层的各项指标,特别强调调制类型和符号速率(symbol rate)。另外,DOCSIS协议对初始化、数据控制和CATV系统开发的安全性等进行了定义。
尽管DOCSIS规范最初是针对CATV应用的,但它正在寻找TV市场以外的应用。具体说来,多家公司已联合起来成立了无线数字用户线协会,以便为无线宽带应用建立一个DOCSIS的增强版。新标准DOCSIS+基于原有的规范,但增添了一些针对LMDS/MMDS市场的具体扩展规范。这些扩展将包含在一个新的标准(或是现有DOCSIS标准的一个扩展)之中,目前IEEE802.16委员会正在对此进行研究。
DOCSIS发展回顾
DOCSIS+是一种以IP为中心的一点对多点标准,是为有线电视网络的宽带互联网接入应用而开发的。正因如此,DOCSIS标准旨在支持所有现行的和未来的基于IP的服务。
以CATV为中心的DOCSIS规范也叫做DOCSIS1.1,它假定在任何时候全部用户都能利用全部上行和下行通道,因而在某一特定服务区域中使用的全部上行和下行通道都支持在DOCSIS RFI规范(SP-RFIv1.1-I04-000407)第二段中设定的性能要求,而且在该服务区域内在任何时间上支持全部用户,其结果每位用户挑选/分配的一对上行和下行通道在时间上相对固定,这种挑选/分配更多是出于通道平衡和服务质量(QoS)考虑,而不是RF性能优化。
DOCSIS1.1规范的某些特性对于网络特殊处理应用来说必不可少,通过这些附加特性,该规范使得系统设计者开发出的产品能提供与ATM类似的服务。
对于QoS配置,数据和混合语音/视频应用、服务流程、分类器、排序类型和动态服务建立等功能均包括在内。规范中的分段存储特性允许分割较大的数据包,从而简化了固定码速率(CBR)服务的带宽分配。
同样,串联支持特性允许将大量小的数据包捆绑在一起以增加数据流量,而安全增强特性支持身份鉴别和其它一些安全措施,如基线私密增强(baseline privacy plus)就是依照DOCSIS1.0中的基线私密条款建立的。通过这些改进,还具有了内嵌DES加密/解密功能,以及多点传送信号(互联网群管理协议IGMP)的加密支持。另外,这些增强特性使得有效负载报头的压缩成为可能,它可以压缩不必要的以太网/IP报头信息以便提高带宽利用率。
可以这么说,最主要的增加是多重服务级支持、动态服务建立、支持实时服务以及调制解调器的密码鉴别等功能。下面我们更仔细地探讨上述功能。
服务级支持
多重服务级支持有可能为一个无线调制解调器定义多种网络接入方式。人们可以在预先定义好的网络设置环境下上网浏览,同时还可以用调制解调器打电话。这在DOCSIS1.0规范下是不可能实现的,因为它没有足够的条款来支持卖主无关方式的多重服务。
动态服务建立可以按照需求提供高附加值的服务,例如在配备VoIP电话服务的场合,只在发生呼叫时才占用带宽。
实时支持功能提供了一种协调方式,它能支持时间要求严格的应用服务。例如在VoIP应用中,可以定义延迟和抖动的容限。由于时间要求严格的服务要比普通的ISP服务附加值高得多,所以正确识别调制解调器就非常重要。DOCSIS1.1为可靠地识别调制解调器定义了一种密码识别方法。
DOCSIS1.1支持的应用包括:交易处理或实时通信的混合服务(两者对等待时间都很敏感),可以按“用户对用户”的方式进行优先级低的网络浏览服务和大文件传输,例如,DOCSIS1.1能将和用户业务相关的数据设置为比普通的网络浏览具备更高的优先级,一般来说,这种情况要求多重服务的识别(SID)码储存在每个调制解调器内部。这是DOCSIS1.1的一个定义特性。
在单一通道上可以将企业的干线同数据通信、电话会议和电话服务结合起来。所谓的网络“政策管理”决策就是通过DOCSIS1.1规范启动的。各种协议的混合要求传输时间短以避免在携带大量数据流时发生协议超时或重新传输现象。不同公司共享通道带宽的目的是通过服务层级协议(SLA)分摊成本。CBR服务就是这种层级带宽分配应用的一例。
支持ATM信元传输也是DOCSIS1.1的一项内容,它为ATM信元传输保留了一个ATM信元协议数据单元。在DOCSIS1.0规范中不具备这个要求。
DOCSIS1.1与ATM的性能相比,每个DOCSIS帧包含一个DOCSIS报头和一个可选择的PDU。PDU的类型是:可变长度PDU、ATM信元PDU(目前的规范未加定义)、保留PDU以及DOCSIS MAC专用PDU。
安全方面的考虑
安全问题可归结为两大类:数据传输服务的安全和CPE的安全(它用一个无线调制解调器挂接在公共数据网上)。DOCSIS1.1结构包括能确保共享媒体网络上数据传输服务安全的安全组件。
通过对宽带无线调制解调器和位于无线网络基站中的无线调制解调器终端系统(WMTS)之间的数据流进行加密,DOCSIS1.1的DOCSIS+版本的数据传输安全功能为无线调制解调器的用户提供网络之间的数据保密功能,另外,DOCSIS安全特性还为运营商提供防止盗用服务的功能。
新的DOCSIS系统通过两种方法阻止未经授权使用这些数据传输服务:1.要求WMTS对无线网络之间的通信进行加密；2.采用一个经过身份鉴别的客户/服务器密匙管理协议(key-management protocol)中的WMTS(服务器)控制密匙数据向客户宽带无线调制解调器的分配。
宽带无线系统使用DOCSIS密匙管理协议以便获得来自某个WMTS的授权和数据加密信息,并支持周期性重复授权和密匙更新操作。
密匙管理协议采用X509数字证书、RSA公钥加密技术和三元数字加密安全(DES)技术以确保无线调制解调器和WMTS之间的密匙交换。
RF传输的不利因素
在讨论改进DOCSIS规范以适于宽带无线应用之前,要分析宽带无线链接的不利因素。
在LMDS频段上,RF信号在视界内传播,其作用距离相当短,信号容易受到建筑物、山岭或其它物体的阻挡(或部分阻挡),也可能受树林、潮湿的空气或降雨的影响。
最严重的问题是多径衰落。与电缆中的环境不同,自由空间中无线电波的传播是三维的,对于几何尺寸远远大于信号波长的物体,信号会受到反射,楼房、飞机以及建筑物表面或地表都是这样的反射物。因此,接收机不仅接收直线路径信号,还接收如图1所示的来自其它不同方向的、较长反射路径的信号。由于各条路径上信号到达时间存在着差异,这些信号可能增加或减小通过直线路径接收到的信号振幅。事实上,在最坏情况下,这些信号到达接收机的相位可能相差180°,因而多径信号的迭加可能造成信号的相互对消作用。
频偏也不利于宽带无线系统的正常运行。在理想情况下,接收机和发射机要精确地调节到同一频率。实际上,两者间通常会有一些细微的偏移。由温度敏感引起的晶体性能变化可能造成频率漂移,而晶体老化则会造成长期的频率变化。
此外,在RF环境中可能会出现多种多样的干扰问题,这些干扰可能由通信系统本身或者由其它系统造成。当用户的发射机干扰接收机时,就会出现自阻塞现象,此外,自阻塞还可由系统的其它用户造成。
在上述两种干扰现象中,来自于其它系统的干扰是令宽带无线系统开发者最为头疼的问题。RF系统之间存在互相干扰,FCC为了防止系统之间相互干扰,要求与系统发射频率相差3MHz频偏处寄生发射的功率小于-60dBc。当频率相同或相近时,满足该规定的系统彼此之间互相干扰的可能性很小。
DOCSIS的改进
在设计无线系统时,工程师必须参照DOCSIS规范中对上行和下行通道的性能所做出的假设。对于下行性能要求而言,CATV下行6MHz通道的CNR应不低于35dB,而典型的多径延迟(电缆中的微反射)应不大于1.5ms。首尾调制器(head-end modulator)和CPE解调器之间的载频偏移可以忽略不计,但CPE的接收功率电平应相对稳定(不衰减)。
上行性能的假设包括:电缆上行通道(包含入口噪音)的SNR大于25dB,一个典型的多径延迟要小于1.5ms。载频偏移可以忽略,而UMTS的接收功率电平要保持固定。
宽带无线网络的特征不同于某些关键区域内的电缆配置。至于下行性能,SNR的门限主要取决于发射电平、天线增益、传输距离、链路规划和接收机噪音大小等因素。发射机(PCS、AMPS、TV、雷达等的谐波与交调)会引起窄带和突发干扰,共用信道和复用频率也会引起类似干扰。多径延迟可能大于5ms。在调制器和解调器之间可能存在一个较高的载频偏移,且伴随有更大的动态范围和更强的衰减,这些都必须考虑到。
在一个设计的上行通道部分,宽带无线设计者通常遇到一个门限SNR,它主要由CPE发射功率、天线增益、窄带和突发干扰以及多径延迟的大小来决定。首尾调制器和CPE解调器之间的载频偏移范围可高达±50kHz。基站的抗衰落接收功率电平应大于20dB。对传播路径损耗的动态范围要求很高。
相对于CATV网络来说,无线网络的不同特征表明:除非加以改进,现有的DOCSIS标准限制了大规模的宽带无线配置,媒体接入控制(MAC)层和物理(PHY)层的设计都需要进行改进。
PHY层的改进
PHY设计的鲁棒性应足以支持无线网络的可靠工作,设计中需要特别解决SNR和多径衰落的问题。
对于上行通道,DOCSIS采用正交相移键控(QPSK)或16位正交调幅(16-QAM)技术,在设备配置期间,可由系统设计者设定任意一种调制方案,DOCSIS定义了5种上行符号速率:160、320、640、1,280和2,560ksymbols/s。较低的符号速率可以用来提高解决多径衰落问题的鲁棒性,因为多径衰落对较低符号速率的影响小于对较高符号速率的影响。上行通道必须具备经常进行功率补偿的能力。
下行通道设计也需要增加鲁棒性。对于下行通道,DOCSIS定义了256-QAM和具备高数据率的64-QAM,但在恶劣的RF环境中,该速率容易产生断线问题。256-QAM不适于无线应用,而对于64-QAM,DOCSIS定义了一个5.056Msymbols/s的单一符号率。由于具有更鲁棒的QAM 构象(QPSK和16-QAM)和更低的符号速率,系统更具容错功能。下行较低的符号速率与一个更强大的(约为10ms)均衡器结合将提供下行通道所需的抗多径衰落设计的鲁棒性。
除了QPSK或QAM提供的单载波方法外,正交频分多路复用(OFDM)的多载波方法是另一种提供更鲁棒的PHY设计的方法。OFDM抗多径衰落的能力较强,另外,天线分集技术也可以提高抗多径衰落的能力。在WMTS接收端采用这些技术将提高接收的可靠性。DOCSIS+就具备这些性能规范。
MAC的升级
MAC方案应支持每位用户上行和下行通道的优化。它应具备连续监测各个CPE的性能,并且能根据其性能动态地修改CPE的上、下行工作参数。
有多种方法可以实现与电缆DOCSIS MAC相关的上、下行通信参数的动态修改。对于上行工作参数的动态修改,DOCSIS初始化过程允许调制解调器分两步从一系列可用的上行通道中俘获一个上行通道。
首先,在临时阶段,电缆调制解调器扫描下行通道中发出的上行通道描述符(UCD)信息。该调制解调器占用第一个接收到UCD信息的可用通道,调制解调器用此上行通道完成注册过程,其后,调制解调器的永久上行通道的分配由下载到调制解调器中的配置文件来定义。
完成注册之后,WMTS可能将宽带DOCSIS+无线调制解调器引导至已分配的上行通道,这样就可以实现通信平衡并避免噪音或其它原因的干扰。为此,WMTS可能使用DOCSIS上行通道变更(UCC)信息,它通过在新的通道上进行初始化或站点维护来实现调制解调器向新通道的切换,或者直接使用新的通道,而无需进行初始化或站点维护。
第三种方法的转换时间最快,但需提前掌握通信距离信息。在CATV网络中,新的上行通道通信距离参数(时间漂移、发射功率电平以及频偏)可以假定近似于转换前那个通道的参数。然而,在无线应用中不可能存在这样的理想情况。
因此,要求MAC协议支持具备对相关背景的其它上行通道中的调制解调器性能进行评估的功能。通过增添全局重复测距程序,设计者容许调制解调器对全部现有可用通道进行测距。和每个上行通道相关的调制解调器测距参数随后可以储存到调制解调器或MTS中。WMTS将运行一个上行通道性能表,如果当前通道的性能不可接受,WMTS可用该表为调制解调器选择一个替代通道。
为了实现下行工作参数的动态修改,DOCSIS支持一个具有固定特征的多下行通道方案(如调制方案),它允许每个调制解调器选择最好的可用下行通道,这可能导致通道数目过多,占用的带宽资源超过实际需要。
然而,通过改变无线下行通道的特征,设计者可以减少通道数目,为每台调制解调器提供最佳的配置。这将把DOCSIS+下行通道变为“突发”通道,它具有与上行通道所用各通道类似的突发特征。
为了开发在CATV网络上传输数据的DOCSIS标准,人们已经进行了大量工作,这为其在无线领域的应用奠定了坚实的基础。通信链路面对许多挑战,这些挑战可以通过增加具体的改进措施加以解决,比如扩展频偏、增添更多的均衡器、增大动态范围以及支持多种调制类型和多种调制符号速率等。采用上述改进措施,DOCSIS在无线环境中的应用前景就具备了技术可行性。
来源: Communication Systems Design
作者Eric K. Wilson 是Vyyo公司系统管理副总裁。他持有加州理工大学电子工程学士学位。Email:ewilson@。
作者Chet Shirali是Vyyo公司标准部主任。他持有Delhi大学电信工程学士学位、Punjab大学计算机科学硕士学位,目前参与IEEE 802.16标准工作,Email:cshirali@。
京公网安备 11011202001138号
