DOCSIS2.0技术深度解析

1、DOCSIS2.0 技术深度解析DOCSIS2. 0 规范由于能够传递对上行通道容量要求更高的高级业务，同时提高了 对噪声的免疫能力，具有极其顽健的上行性能，因此获得了迅速的发展。发挥 DOCSIS2.0优势的关键在于理解规范中包括的两种技术一A-TDMA高级时分复用）和S-CDMA同步码分复用）一一及其在HFC网络中对噪声的抵抗和提高效率的原 因。S-CDMA基 础在经过CableLabs的多方评估之后，DOCSIS2. 0规范要求同时包含S-CDMA和A-TDMA两种技术，并且要求它们可以 与已安装的 DOCSIS1. x设备兼容，互操作。对 S-CDMA评估得出的结论表明它是 DOCSI

2、S2. 0的关键组成部分，与纯粹基于 TDMA的设备相比，它能够在更加广泛 的运营条件下提供 DOCSIS2. 0 规范所增加的上行信道容量。S-CDMA的系统自1997年起，已在全球范围内应用于 HFC网络，但却是新 近才被加入DOCSIS规范，因此，有必要首先看一看 S-CDMA是如何工作的。S-CDMA的码分复用部分直接来自于离散序列扩谱（DSSS,）这是一种由军方 开发的技术，以对抗通讯中来自敌方的干扰和拦截。DSSS的扩展指的是将数据信号在频率和时间上的展开。在 S-CDMA中，扩展处理通过将数据信号与一 个扩展 “代码”相乘来完成，这些代码属于一个正交的代码集合。发射一个完整 “编

3、码”信号的时间称作扩展间隔。每个扩展间隔内有 128 个代码，表示可以有 128 个数据信号同时传输。可 将 32 个扩展间隔组成一个帧，支持数个扩展间隔上的信号交织。通过对所有 Modem 的严格时间同步，并对每个 Modem 发出的数据使用不 同的扩展码，S-CDMA允许多个Modem同时共享同一频谱。可有 64个Modem 同时进行传输，每次传输可包括 2 到 128 个编码信号。在 DOCSIS2.0中，分割传输的基本时间单位是微时隙。在 S-CDMA中，每次传输可占 用数个微时隙，一个微时隙占用 2到 32个编码，以及分配给一个帧的扩展间 隔。CMTS知道扩展码的分配，从微时隙的输出

4、提取出相应的信号，分派给对应 的用户数据流。扩展处理对影响电缆传输的各种类型噪声存在的条件下，信号的顽健性具 有极大的作用。理论上来说，A-TDMA的每赫兹比特容量与S-CDMA是相等的， 但是，在下面将看到，在实际的应用环境中，由于S-CDMA能够容忍更高的噪声电平，从而能够采用更高的 QAM或QPSK调制，因此能获得更大的上行信道 的总体的容量。脉冲噪声情况下的短分组效率对HFC网络运行造成主要侵害的脉冲噪声一般由中等强度的短 （小于1微秒） 突发信号构成，通常由网络中的电子设备扰动引起，如变压器，开关和发动机 点火等。脉冲也可能持续较长的时间，偶尔也可能具有较高的功率，与短脉冲 相比出现

5、的可能要少得多罢了。由于将数据信号扩展到长时间间隔，S-CDMA非常适合于处理脉冲噪声。在 A-TDMA中，典型情况是在Modem发射时发生脉冲噪声将导致此信号的丢失， 而对于运行在S-CDMA模式下的Modem来说，同样的噪声脉冲将被扩展到包含 数据信号的 128个码片上，从而在每个码片上将脉冲功率降低为原来功率的1128。S-CDMA在脉冲噪声条件下的优异性能增强了电缆运营商部署DOCSIS2. 0来开展VoIP业务的能力，因为VoIP是典型的由短分组构成的业务。 对抗短突发噪声的极其顽健的保护对于获得电信级的 VoIP业务性能是决定性 的。S-CDMA优异的抗脉冲噪声性能还在对信号的前导

6、部分的潜在影响方面具有 特别的意义。由于A-TDMA不使用S-CDMA固有的同步过程，A-TDMA的前导部 分必须包含时钟信息以及相位，增益和其它数据。所以A-TDMA的前导部分必然要比S-CDMA所用的要长典型的比值是20比& A-TDMA增加的前导长度产生了更多的开销，传输的效率有所降低，更 容易受到脉冲噪声的干扰。如果脉冲足够强，掩盖了前导信号，则整个的信息 载荷也将无法提取出来。S-CDMA的前导部分较少受到脉冲的侵害，因为与 A- TDMA相反，前导本身也是经过交织的。在大多数情况下，由于采用了交织器， 脉冲噪声一般只能损坏S-CDMA前导信号中的一个信号。关于传输效率还有一点值得说

7、明的是由于 A-TDMA要对每次传输之间的抖 动进行补偿而产生的时间限制，对抖动进行调整要求在每次发送之间有一到二 个符号的保护带宽”这更进一步增加了 A-TDMA的传输开销，特别对VolP和 其它一些短分组的情况尤其明显。DOCSIS2. 0使用了里德-所罗门（RS前向纠错（FEC来降低脉冲噪声及其它噪声侵害 的影响，所以，在脉冲持续时间与每个 RS块的纠错容量T=16字节相当时，A- TDMA系统也受到保护。然而，由于扩展的缘故，S-CDMA可以在脉冲噪声的持续时间超出16字节的情况下给出更强的顽健性。在此，在 S-CDMA帧内交织所 有的信号符号在保证最小的符号损坏中起关键的作用。对T=

8、16的RS纠错编码，不能有超过16字节的信号被破坏。例如，对于5。12Msps的QAM64（每符号6位）A-TDMA信道，设 RS的T=16,分组长度 为64字节，假如21个符号损伤（16字节），FEC就失败了。所以，对A-TDMA, 可以容忍的最大脉冲噪声持续时间为 215. 12=4. 1 微秒。与此相比，64QAM, T=16,每帧扩展间隔为32，每个微时隙两个码的S-CDMA信道将给出最大的保护，64字节的分组适合两个微时隙，等效于 24位的 扩展间隔。假如 5个扩展间隔被噪声损坏，则相当于 5个每扩展间隔 24位，共 120位或15字节，RS仍然能够进行纠错。当然，如果是 6个扩展间

9、隔，132位 或18字节损坏，FEC也将失败。因此，S-CDMA的最大可容忍持续噪声时间是 5*1285. 12=125 微秒，是 A-TDMA 的 30 倍。一些评论人员注意到，由于异常高功率的脉冲噪声，存在一个临界点，使得S-CDMA的扩展效应不能够有效克服脉冲噪声的能量，来阻止1/ 128的每码片噪声功率对数据信号的干扰。这些看法忽略了2.0的CMTS所采用的ASIC通过使用脉冲检测和符号消除技术，能够容易 地克服高脉冲幅度的问题。在CableLabs对采用这些技术的接收机进行的高级 PHY试验表明，在脉冲突发为10dBc超出信号功率10dB ）的情况下，系统的性能 等效于脉冲突发为Od

10、Bc的情况，有力地证明了高能量的脉冲噪声可以被有效地 处理而不对信道性能带来更多的损害。DOCSIS2. 0 在窄带干扰的情况在 DOCSIS2. 0中，抑制外部RF的侵入由厂商自己解决，但 CMTS接收机的芯片应当 能够消除多个窄带干扰侵入的影响。最常用的方法是自适应滤波和预均衡。简 而言之，这些技术对 A-TDMA和S-CDMA都是适用的。特别地，在CableLabs进行的高级PHY试验表明，S-CDMA对侵入的消除能 力，在16QAM调制，6dBc的静态侵入条件下，丢包率为1%。存在脉冲侵入的情况下，系统能够忍受8. 5dBc的干扰而保持相同的性能。现在，已经有了比上述性能更好的S-CD

11、MA接收机ASIC芯片可供选用。DOCSIS2. 0在信道畸变的情况DOCSIS2. 0规定了传输符号之外24个符号的回波或谐波分析，DOCSISI仅仅要 求8个这样的 “抽头”，这就是2.0 能够支持更高次调制直到 128QAM 的原因之一。 随着更高次调制的符号密度的增加，对噪声的敏感程度也相应增加， 比较低的调制所要求的更小的反射畸变的能力就很重要了。在 DOCSISI. 1和 DOCSIS2. 0中，补偿畸变的均衡过程在 Modem初始测距的时候开始进行，并在 以后的周期性维护过程中继续进行。根据从上行接收均衡器中读出的系数，CMTS向Modem发送一组 反”发射机前置滤波器系数。 C

12、M 的预失真和信道的非线性的合成结果，导致输入 CMTS 的信号完全均衡。如此，CMTS能够识别并消除相位、频率以及反射畸变，因此 避免了 CMTS需要对每个接收突发进行均衡而在前导部分中增加复杂性的要 求。这种补偿畸变的方法对 A-TDMA和S-CDMA同样适用良好。由于在 DOCSIS2.0中扩充到24个的 抽头”对A-TDMA有一个细微但重要的不利影响。 在A-TDMA模式下，从各个不同的Modem来的信号没有经过同步，信号在不同 的时间上被抽样。这个时间差别在不同的突发之间产生了畸变，即便对每个 Modem 的均衡做的很好也不能避免。这些畸变的持续时间是信道脉冲相应和均 衡器长度的一个

13、因素。为防止这些畸变，需要在突发之间增加保护带。使用改进的较长预均衡 器，这些保护带可以达到 24 个信号符号的长度，这对短分组来说是相当大的开 销。（作为比较，64B净载荷的分组传输用64QAM时要求的信号符号稍少于90 个）。在S-CDMA中，所有Modem发射的信号是同步的，在不同 Modem之间没 有畸变，从而避免了这种长时间的保护要求。对加性高斯噪声（AWGN增强的噪声边际DOCSIS2. 0在CM-CMTS链路上通过改进RSFE（和降低可接受的链路损耗来抵抗 AWGN这种在信号频谱上的等强度积累系统噪声。虽然 64个S-CDMA能够同时 发射信号，S-CDMA的传输特点并不会产生附

14、加的不可忍受的 AWGN。考虑64 个 Modem 同时传输的最坏情况，使用参数如下：Mm 一传输 Modem 数量=64N. 一每个样本位数=12Fda-一采样率 =120MHzFs-一信号符号率；5. 12MHzPA-全部代码激活时S-CDMA的峰值对平均值比；13dB对比发射功率的 所有 Modem 的组合量化为：4. 7+6*N-PA+10*logl0(Fda2)Fs)-10*logl0(M)=(4. 7+6*12-13+10*logl0(12025. 12) 10*logl0(64)=-56. 3dBc即使采用输出为10. 5位的低性能的数模转换器(DAC,组合量化噪声也将有-47.

15、3dBc。还要注意的是，对一个仅发射 2个码的Modem，发射功率比所 有码全部激活时低18dB,加于这2个码的噪声功率是总噪声功率的 2/128，因 此量化功率与上面计算的结果是相同的(56.3dBc)。所以，积累的cableModem输出在系统的每个点上都不是一个 限制因素。通过格子编码调制(TCM的 FEC技术，S-CDMA还提供了抵抗白噪声的一个 主要的附加的优势。TCM使用数字调制和纠错处理扩展传输星座图来在传输中 引入冗余。引入的冗余允许格子解码器纠正信号误码，根据使用的星座大小， 产生2.5到4dB的增益。运营商可以利用此编码增益来增加容忍噪声的边际， 或者在系统中采用更高次的调

16、制，从而获得更多的系统容量。例如，以QAM64调制，关闭RS的A-TDMA传输长分组时要求的SNR为25.7dB,而以128QAM, TCM调制，关闭RS的S-CDMA传输同样的分组所 要求的SNR仅有22. 4dB。在CableLabs进行的先进PHY测试中，使用128QAMTCM调制的 长分组传输，在AWGN噪声SNR为22. 5dB时，得到的丢包率为1%。作为一个较低星座图运行的例子， QPSKTCM传输将SNR的门限降低到2dB,而相同条件下的A-TDMA为9dB。值 得注意的是，随着对AWGN的抵抗力的增强，降低的SNR门限为客户自行安装 使用 cable Modem 创造了一个有利

17、的环境。规范没有提供RS和 TCM之间的交织。运营商可自行选择要用的 FEC系 统，上面的例子中，不用贴的 TCM在长分组传输中，使用128QAM产生了比不 用RS的A-TDMA高的增益。在RS的优化设置T=16的例子中，TCM并不对RS 提供更多提高，运营商可以关闭 TCM。因此，一般来说，不用交织没有理由会 妨碍充分获得 TCM 所能获得的好处。 .将 DOCSIS2. 0引入DOCSI. 环境许多运营商想在已经运行传统的 DOCSISl. X勺TDMA Modem电缆系统中充 分利用 DOCSIS2. 0 产品的好处。部署 DOCSIS2. 0 的一个好处是， DOCSIS2. OMod

18、em提高的效率能够提高DOCSISl. X Modem勺上行性能。另外，使用 基于 DOCSIS2. 0 的 Modem 能够增加更多的客户，在现有的条件下带来更高水平的性 能。在运营商开始逐渐提供商务级服务的现实条件下，为新的商务客户提供高 回传带宽能力是非常重要的。在传统DOCSISL境中加入DOCSIS2. 0 的另外一个方法，是在由于 DOCSIS2. 0 的更加顽健的能力所成就的的信道上使用 DOCSIS2. 0的CMTS同时伴以DOCSIS2. 0的Modem,这样，运营商就能够选择在一个比较 干净”的环境中运营DOCSIS2.0的Modem,充分利用新技术的高星座图能力的优势，传递极高容量的信 息。而且，运营商还可以选择在噪声比较大的环境中部署 DOCSIS2.0的Modem,利用其对噪声的优异抵抗能力，在之前绝无可能的地方