CC BY
30
п Ч
ПРАКТИКА
EBB ИЗ ЗАРУБЕЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ
пп □
новый высо по ка
й стандарт
коскоростной передачи юелю
Новая итерация стандарта DOCSIS появится раньше, чем ожидалось, что позволит использовать более высокие скорости передачи данных по кабелю и добиться более эффективного использования полосы частот кабельных линий связи. Статья посвящена развитию стандарта DOCSIS 3.1 и тому, как его внедрение отразится на кабельной отрасли в будущем.
Кабель вновь открывает свои потенциальные возможности, позволяющие полностью удовлетворить требования телекоммуникационных служб будущего и постоянно растущие потребности в более высокой пропускной способности кабельных линий. Появление технологии D3.1 позволит операторам развернуть службы передачи информации гигабитного уровня даже на существующих гибридных волоконно-коаксиальных кабельных сетях и перейти к еще более широкополосным кабельным линиям и сетям, отвечающим требованиям рынка. Кроме того, новая версия стандарта DOCSIS позволит решить проблемы, поставленные перед кабельной отраслью такими потребителями кабельной инфраструктуры, как компания Google Fiber, а также всем сообществом операторов связи, работающим с инфраструктурами типа FTTH.
На Кабельном конгрессе 2013, на котором обсуждалось развитие кабельной отрасли, главный инженер компании Cable Labs в своем выступлении сказал: «В соответствии с тенденцией рынка, направленной на рост скоростей передачи, как на линиях нисходящего направления, так и в информационных потоках от пользователя к комму-
ВеКкАЧЕСТВА № 2 • 2014
тационному узлу (т.е. в трактах «вниз» и «наверх»), мы планируем к 2016 г. обеспечить скорость 1 Гбит/с в нисходящем потоке. У нас остается немного времени для достижения этого уровня скоростей передачи, но прежде необходимо внедрить стандарт DOCSIS версии 3.1. А чтобы успеть к сроку, мы работаем настойчиво и по очень плотному графику». Подготовку спецификаций нового стандарта фирма Cable Labs завершила в 2013 г., выпуск продуктов запланирован на 2014 г., а развертывание сетей - на 2015 г. и более поздние сроки.
Специалисты считают, что кабель, благодаря своевременной корректировке кабельных стандартов, значительно быстрее адаптируется к потребностям рынка с точки зрения циклов разработки по сравнению со стандартами других фиксированных и беспроводных технологий связи. Кабельный стандарт DOCSIS обновлялся в среднем каждые 4 года, циклы же разработки версии D3.1 должны быть еще более короткими, так как они были начаты только в 2012 г.
Революция в технологии ортогонального уплотнения с разделением частот (OFDM)
D3.1 является стандартом на технологию кабельного интерфейса физического уровня (PHY) следующего поколения, которая, в свою очередь, обеспечивается двумя ключевыми современными технологиями связи, а именно, мультиплексированием с ортогональным частотным разделением каналов (Orthogonal frequency-division multiplexing - OFDM) и прямым исправлением ошибок (FEC) с помощью кода семейства LDPC (Low Density Parity Check). Данная комбинация технологий обеспечивает повышение эффективности передачи на 50% на линии «вниз» и на 6% на линии «наверх». Более высокая эффективность
□ GH
ИЗ ЗАРУБЕЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЕШ
ПРАКТИКА
передачи позволяет использовать в оборудовании и в кабельной проводке модуляцию QAM более высокого порядка (вплоть до 4096 QAM). Комплексная технология передачи данного типа может работать на широкополосных каналах при больших пиковых значениях скорости передачи. В результате появляется возможность перейти с межканального интервала в 6-8 МГц, используемого до настоящего времени, на существенно меньшие частотные промежутки между поднесущими (20-50 кГц), весь пакет которых в этом случае может разместиться в спектральном блоке шириной 200 МГц.
Несмотря на то, что повышение пропускной способности кабельного интерфейса является основной целью разработки стандарта D3.1, он обеспечивает ряд дополнительных преимуществ по сравнению с предыдущими версиями стандарта DOCSIS на кабельный интерфейс, в чем операторы смогут убедиться в процессе эксплуатации своих кабельных сетей. В частности, кабельная проводка, в которой будет применяться данный интерфейс, окажется более устойчивой к воздействию помех, исходящих от таких новых систем мобильной связи, как технология LTE. Лучшее управление энергетическими характеристиками сети, обеспечиваемое новым интерфейсом, позволяет значительно снизить энергию, потребляемую устройствами пользователей. Возросшая интеллектуализация и автоматизация процессов обслуживания и контроля сетевого кабельного хозяйства является дополнительным эффектом внедрения новой версии кабельного стандарта, однако реально наиболее важным нововведением в технологии D3.1 останется метод передачи цифровых сигналов с OFDM.
По мнению специалистов компании Cisco, наиболее интересной особенностью технологии уплотнения OFDM является то, что она обеспечивает широкий перечень функциональных возможностей и высокое значение характеристик кабельных трактов передачи. Использование OFDM позволяет увеличить пропускную способность тракта передачи в заданной полосе частот. Частотный спектр весьма дорогой ресурс, который трудно получить у соответствующих государственных служб, поскольку существует большое разнообразие сфер его использования в интересах государства и бизнеса. Принимая решение о приобретении частотного ресурса, операторы должны отдавать себе отчет, насколько эффективно он будет использоваться.
Руководство отделения кабельного доступа компании Cisco считает, что версия 3.1 стандарта DOCSIS отвечает стремлению компании к полномасштабному использованию спектральных возможностей кабельного доступа. Решается задача использования всей пропускной способности кабельных трактов «наверх» и «вниз». В
результате поток «наверх» будет иметь пропускную способность от 1,0 до 2,0 Гбит/с, а поток «вниз» - 10 Гбит/с. Такая пропускная способность позволяет осуществлять передачу высококачественного видео, например, из Интернета. Нетрудно заметить, что кабельные сети постепенно преобразуются в IP-инфраструктуру. Однако в течение ряда лет она должна будет сосуществовать с имеющимся оборудованием и каналами, передающими сигнал, модулированный технологией QAM, от служб вещания и «видео по запросу» (VOD). Тем не менее, оператор должен иметь право выбора в вопросе о том, где размещать свою цифровую информацию и какой транспортной инфраструктурой пользоваться для ее передачи. Таковы основные принципы и направления деятельности компании Cisco в области кабельных сетей.
Технология передачи OFDM в действительности была предложена еще на заре разработки стандарта IEEE 802.14, который был первой попыткой разработки спецификаций кабельного модема, оказавшейся неудачной из-за слишком большого числа конкурентоспособных предложений. Однако «нет худа без добра», поскольку эта неудача привела операторов многофункциональных сетей (MSO) к необходимости сформировать партнерское объединение поставщиков услуг мультимедийных кабельных сетей (MCNS) и разработать стандарт DOCSIS. В определенном смысле технология OFDM сегодня делает в кабельной отрасли запоздалый возврат на исходные позиции, учитывая, что она уже утвердилась в беспроводных (Wi-Fi и LTE), спутниковых и наземных приложениях (DVB-S2 и Т2), что обеспечило экономию средств за счет расширения масштабов производства соответствующего оборудования.
Однако современный уровень вычислительной техники и полупроводниковой электроники настолько высок, что система OFDM в кабельном интерфейсе не только технологически вполне выполнима, но и окажется экономически выгодной.
«OFDM - не только очень эффективная, но и очень сложная для реализации технология, и сегодня мы приспосабливаем ее для кабеля. Мы убеждены, что ее нужно продвигать в стандарт D 3.1. Это революционный подход, - заявил на Кабельном конгрессе заместитель генерального директора по новым технологиям компании Kabel Deutschland Кристоф Шааф. - Используя решения, базирующиеся на новых возможностях, которые дает технология C-OFDM, мы вплотную приблизимся к теоретическому пределу Шеннона в отношении скорости передачи».
Стратегии перехода
С какой оптимистической дорожной картой операторам многофункциональных сетей нужно готовиться к вне-
ПРАКТИКА
п ч нн ппя □ □2 ПП
н
ИЗ ЗАРУБЕЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ
£ I
docsis 3.0 cpg
_1_
docsis 3.1 срс
1 ■
Fern 1.0/1.1 Lots of го 5om« З.О
Remove I O/l I Мог« 3.0
Many З О Begin deplog 3.1
Lota of 3 О Мог« 3.1
Lots of 3.1
Begin reduction of г о CPE
01
Ш E
X .9-
О
C7
VU
S-AZ/6S MHz US 3.0 CMTS DS Bonding I Lcgacy OOB
3.0 CCAP More OS Bonding US Bonding S CDMA
3.0 CCAP Mors DS & US bonding
3.1 CCAP Begin 3.1 DS OFDM Expand DS
Begin 3.1 US OFDMA
expand US Split Expand DS
-}-
docsis з.о не
j
I
docsis 3.i не
Пример перехода к развертыванию стандарта на интерфейс DOCSIS 3.1
дрению стандарта D3.1? Совместимость с оборудованием предыдущего поколения и функциональная гибкость стандарта DOCSIS, особенно в версии 3.1, позволяют операторам делать выбор из большого числа вариантов стратегии внедрения этой технологии и обеспечения синхронизации различных сетевых компонентов.
Тем не менее, ожидается, что переход оборудования пользователей (CPE) на новый стандарт будет происходить, скорее всего, по мере развития и доступности необходимой микроэлектронной базы, а от темпов роста скорости передачи цифрового потока «вниз» будут зависеть темпы внедрения новой технологии передачи в кабельный интерфейс в целом (см. рисунок). На кабельных сетях и кабельных линиях доступа еще работает много узлов, оснащенных не только модемами предыдущего поколения стандарта DOCSIS 2.0, но даже некоторое количество еще более старого оборудования, которое необходимо снимать с эксплуатации. Широко распространенных в свое время на европейском рынке модемов типа D2 больше нет. Пока до конца не ясно, сколько пользовательского оборудования, сопрягаемого с кабелем в соответствии со стандартом D3, имеется на сетях.
Для обеспечения совместимости с оборудованием предыдущего поколения сигнал необходимо формировать из подканалов с поднесущими частотами, модулированными QAM (при количестве подканалов до 32). Каждый подканал сопрягается с кабелем через интерфейс стандарта D3.1 и конструктивно выполнен в виде одного чипа технологии SoC (система на чипе). Данное решение не только обеспечивает совместимость с устаревшим оборудованием, но и упрощает переход со стандарта D3.0 за счет свойств пользовательского оборудования, готового к развертыванию технологии D3.1. Оно должно работать до скорости 1 Гбит/с в технологии D3.0 единым потоком
ВеКкАЧЕСТВА № 2 • 2014
или потоком, поделенном на 24-32 подканала, также связанных с кабелем интерфейсом D3.1. При более высоких скоростях передачи пользовательское устройство должно переключаться на интерфейс D3.1 с модуляцией OFDM. Данное решение проблемы совместимости было озвучено техническим директором компании Arris, которая работает со своими партнерами из микроэлектронной отрасли над разработкой первых пользовательских устройств стандарта D3.1 и аналогичных устройств для домашних сетевых шлюзов и оборудования на стороне кабельных центров (CCAP).
Для ощутимого оживления процесса практической реализации данных решений необходимо начать с расширения частотных пределов используемых кабелей. Специалисты компании Cisco уже сегодня рекомендуют рассчитывать кабельную проводку на полосу пропускания 85 МГц. В этом случае все новые модемы (как с интерфейсом D3.0, так и D3.1), работающие в полосе 85 МГц, могут быть выбраны для оборудования кабельной сети.
Процессу внедрения нового кабельного стандарта ощутимую помощь оказывает американский Центр стандартизации технического оборудования, который одновременно с разработкой спецификаций на новую интерфейсную технологию создает соответствующие учебные курсы и уже работает с техническим и оперативным персоналом над проверкой его готовности к нововведениям. Изучается также новая технология модуляции, ее влияние на характеристики кабельной проводки и на другие сетевые факторы, а также вопрос о том, как учитывать это влияние на практике. Даниэл Ховард - технический директор американского Центра стандартизации - настоятельно рекомендует операторам многофункциональных сетей подготовить свое кабельное хозяйство к внедрению новых технологий заранее, используя методы, предлагаемые центром. С этой целью рабочая группа центра готовит доку-
ПРАКТИКА
мент «Готовность гибридных кабельных сетей к внедрению стандарта DOCSIS 3.1».
Г-н Ховард полагает также, что переход кабельных сетей на D3.1 не является революционным процессом. На его взгляд, такой переход в настоящее время осуществить проще, поскольку проблемы, с которыми специалисты центра сталкивались при внедрении стандарта D3.0, - аналогичны тем, которые могут возникнуть при переходе на стандарт D3.1. Большая и сложная работа была выполнена центром еще при приемке готовой кабельной проводки на соответствие стандарту D3.0, так что переход на версию D3.1 в действительности является простым повышением интерфейсных возможностей кабельных сетей.
Как скажется внедрение D3.1 на технологии FTTH?
Здесь важно отметить, что функциональная гибкость кабеля обеспечивает ему широкие возможности использования в решениях FTTH без больших капиталовложений и в короткие сроки. Исключение составляют те случаи, когда приходится учитывать экологические требования или если кабельной сетью оборудуются вновь построенные объекты. На самом деле при организации сетевого доступа технологии FTTH могут возникать сомнения относительно того, должна ли кабельная проводка быть оптической по всей длине линии доступа, хотя технология FTTH повсеместно считается технологией кабельного сетевого доступа, наиболее соответствующей требованиям завтрашнего дня.
Единая кабельная архитектура в среднем обслуживает около 500 домов, подключенных к одному узлу. Однако операторы на своих сетях работают с группами в 256 или 125 домовладений, объединенных единым сервисным обслуживанием, а иногда - при глубоком залегании оптоволоконного кабеля - с группами из 100 или 50 домовладений, чтобы удовлетворить возросшие требования к пропускной способности нисходящего информационного потока. Что касается потребности в высокой пропускной способности линий «наверх», то этот вопрос является предметом дискуссии среди специалистов.
Чем более обширные связи имеет оператор с тем или иным домостроением, тем выше его затраты на кабельную прокладку. Что же касается высокого качества кабеля с точки зрения потребительских свойств и технических характеристик, то оно выражается в возможности дополнительного наращивания пропускной способности и высокой адаптивности к условиям эксплуатации. Эти достоинства кабеля позволили обеспечить его широкое использование в течение последних 10-20 лет, когда конкуренция на рынке кабельных услуг достигла высо-
кого уровня. Благодаря интерфейсной технологии стандарта DOCSIS 3.0 сегодня кабель обеспечивает современному европейскому пользователю скорость передачи данных до 32 Мбит/с.
Технология D3.1 рассматривается в качестве долгосрочного инструмента управления пропускной способностью кабельной сети в отличие от краткосрочного подхода, например, с помощью узлового разветвления потоков данных. Проведенное компанией Motorola моделирование кабельной емкости, базирующееся на сценариях продолжительного и быстрого роста трафика видео и передачи данных, показало жизнеспособность интерфейсной технологии D3.1 в гибридной волоконно-коаксиальной сети в течение не менее 10 лет.
Motorola не видит ничего плохого в том, что у операторов не будет другого выбора, как переходить к технологии FTTP (волокно в помещение). В действительности в своих оценках компания опирается на тот факт, что технология FTTP уже является дополнительным аспектом сервисного портфеля кабельных компаний, предлагающих гибридные сетевые решения. К тому же операторы могут обеспечивать эту технологию через узловые сервисные платформы уже сегодня.
Специалисты компании Cisco считают, что кабельный доступ будет всегда пользоваться спросом. Операторы кабельных систем связи будут конкурировать на равных с телекоммуникационными операторами в течение длительного времени, предоставляя свои преимущества для тех пользователей, у которых есть выбор того или иного вида сетевого доступа.
В оценках компании Arris присутствует та же логика: «Нелепость ситуации заключается в том, что оператор рассматривает архитектуру гибридной сети с нулевым узлом (Node+0), как шахматный эндшпиль, когда можно перемещать волокно максимально глубоко, то есть как можно ближе к пользователю, оставив для коаксиального кабеля последние 100 футов линии доступа. В этом случае доступной пропускной способности линии хватит, чтобы 128-250 домостроениям обеспечить все форматы видео и ультра-HD контент любому из этих домостроений. Если же оператор когда-нибудь решит отказаться от линейного контента в технологии DVB QAM в пользу IP-сервисов, поставляемых с помощью интерфейса OFDM D3.1, то у нас появится дополнительная пропускная способность для обслуживания пользователей, и мы сможем предложить нашим клиентам свой новый опыт работы с кабельными сетями, который мы продолжаем накапливать и в настоящее время». Итак, нужен ли кому-нибудь DOCSIS 4.0? ■
По материалам журнала Cable & Satellite International
