DOCSIS 1.1
Добавления, введенные в DOCSIS 1.1, касаются МАС уровня. Они позволяют оптимизировать использование частотного ресурса каналов, повысить безопасность передачи, предоставляют более богатые возможности администрирования сети, связанные с использованием SNMPv3, и поддержку многоадресной передачи (multicast). Существенное изменение во второй версии претерпел подход к обеспечению QoS.
 Рис. 1. Окно для установки параметров CoS для абонентского модема стандарта DOCSIS 1.0 |
В DOCSIS 1.0 используется статическая модель QoS, основанная на классах обслуживания (Сlass of service - CoS). Класс обслуживания заносится в конфигурационный файл модема при его инициализации (рис. 1). Он определяет характеристики обслуживания потоков данных от модема к головной станции и обратно. Класс обслуживания устанавливает минимальную и максимальную скорость в обратном канале, максимальную скорость в прямом канале, максимально допустимый единовременный объем информации, передаваемый по обратному каналу.
Кроме того, CMTS с поддержкой DOCSIS 1.1 может назначать потокам приоритеты в зависимости от типа услуги (Type of service - ToS). При появлении приоритетного (например голосового) потока CMTS может предоставить ему канал "в обход" очереди. Однако само по себе это не гарантирует требуемых характеристик передачи, так как канал все равно выделяется по принципу "лучшее из возможного" (best effort).
Модему тоже может задаваться приоритет. Но он, как правило, распространяется на все выходные потоки модема. Такая схема позволяет повысить качество обслуживания, но, опять же, не гарантирует требуемых параметров передачи. Кроме того, назначение единого приоритета снижает эффективность использования полосы обратного канала, поскольку он действует и при передаче неприоритетных услуг.
Таким образом - DOCSIS 1.0 определяет некоторые механизмы QoS, но работают они ненадежно и неэффективно.
В DOCSIS 1.1 набор параметров QoS задается не модему в целом, а отдельным потокам, с данными разного типа. Резервирование полосы, необходимой для передачи потока с конкретными характеристиками, производится только на время передачи потока и при сохранении им указанных характеристик. Если абонентский модем передает потоки разнородных данных, то каждому из них присваивается свой идентификатор и назначается режим обслуживания.
DOCSIS 1.1 позволяет задавать те же характеристики, что и DOCSIS 1.0, и, дополнительно, максимально допустимые задержку передачи и дрожание (джиттер) сигнала. Однако в рамках режима "лучшее из возможного" гарантировать выполнение установленных условий невозможно. Поэтому в DOCSIS 1.1 добавлено еще 4 режима предоставления канала связи.
Каждый из них оптимизирован под определенный тип услуг, требующих соблюдения QoS. Рассмотрим эти режимы.
- Unsolicited Grant Service - UGS (предоставление канала без дополнительного запроса1). После посылки запроса и получения разрешения абонентскому модему автоматически обеспечивается возможность периодической передачи данных сериями фиксированной длины. Передача ведется с гарантированной скоростью и с гарантированным уровнем дрожания.
Этот режим подходит для передачи голоса через IP.
- Real-Time Polling Service - rtPS (приоритетное предоставление канала в реальном времени). Абонентскому модему периодически предоставляется возможность заказывать сеанс передачи данных на приоритетных условиях и с требуемыми характеристиками канала.
Когда появляется необходимость передать порцию данных этой категории, головной модем может прервать передачу потоков с более низким приоритетом, предоставив полосу потоку категории rtPS. Этот режим может обслуживать приложения, требующие передачи в реальном времени серий данных переменной длины. Он хорошо подходит для передачи через IP потокового видео (например MPEG).
- Unsolicited Grant Service with Activity Detection - UGS/AD (предоставление канала без дополнительного запроса с выявлением активности передатчика). Этот режим является комбинацией первого (UGS) и второго (rtPS) режимов. Он предназначен для услуг с фиксированной скоростью передачи и фиксированным объемом пакетов, но характеризующихся большими перерывами между посылками. Примером потоков такого рода является IP телефония. Перерывы в передаче голосового потока абонента составляют 50и более. В промежутках, когда абонент говорит, модем получает доступ к обратному каналу в режиме UGS. В промежутках молчания CMTS выявляет прекращение передачи данных и переключает эту услугу в режим rtPS, временно замораживающий регулярное предоставление полосы обратного канала. Когда речь возобновляется, абонентский модем в рамках режима rtPS отправляет запрос на приоритетное обслуживание, которое возобновляется и ведется в режиме UGS до очередной паузы.
- Non-Real-Time Polling Service (приоритетное предоставление канала вне реального времени). Этот режим обслуживания похож на rtPS. Он также предполагает приоритетное предоставление канала, однако не налагает требований немедленного выполнения запроса. Сами запросы на предоставление канала тоже не обязательно должны быть периодическими.
Этот режим предназначен для приложений, не требующих передачи в реальном времени, но которым единовременно может понадобиться большая полоса. Примером таких приложений могут служить Интернет-игры.
Присвоение режима может производиться по ряду признаков - по МАС адресам, по принадлежности к определенной VLAN, по типу используемого IP протокола, по типу услуги, указанной в IP заголовке, и т.д.
Дополнительные механизмы
Для обеспечения QoS и повышения эффективности использования полосы в спецификацию DOCSIS 1.1 дополнительно введены возможности фрагментации и объединения IP пакетов, а также механизм подавления заголовков.
Стандарт DOCSIS 1.0 не позволяет кабельным модемам разбивать крупные Интернет-кадры на мелкие фрагменты и разносить их передачу по времени. В результате, из-за узости обратного канала, другим модемам приходится долго ждать возможности выйти в линию.
В DOCSIS 1.1 добавлена возможность разбиения модемами больших кадров на более мелкие фрагменты, а также возможность перемежать в обратном канале порции, формируемые приложениями с разными требованиями к QoS. Это позволяет даже в узком канале гарантировать поддержку заданных пределов дрожания и задержки данных.
Объединение небольших пакетов одного потока в один, с общим МАС заголовком - один из способов экономии полосы. При этом модем может переправить объединенные данные в одном временном слоте вместо того, чтобы заказывать отдельные для каждого пакета. Сжатие заголовков пакетов происходит за счет исключения из них повторяющейся или избыточной информации. Это особенно актуально при передаче мелких, например голосовых пакетов, когда заголовок может оказаться больше полезной информации.
Система безопасности
В рамках DOCSIS 1.0 система безопасности регламентируется спецификацией BPI (Baseline Privacy Interface specification). В соответствии с ней, передаваемая по сети информация может шифроваться с помощью алгоритма DES с использованием 40-битных ключей. BPI позволяет защитить информацию от расшифровки при перехвате, но не предусматривает механизмов борьбы с несанкционированным использованием адресов сети.
В DOCSIS 1.1 эта спецификация была усовершенствована и получила название BPI+. В ней предусмотрены дополнительные механизмы идентификации кабельных модемов по цифровому сертификату, который вводится производителем кабельного модема и постоянно в нем хранится. Контроль сертификата препятствует несанкционированному использованию МАС адреса модема.
Другим важным добавлением в спецификации BPI+ стал механизм шифровки многоадресных сообщений. BPI+ предусматривает контроль доступа к многоадресным сообщениям за счет пересылки схем расшифровки тем кабельным модемам, которым сообщение адресовано.
DOCSIS 2.0
DOCSIS 2.0 - самая новая версия стандарта. Она разрабатывалась с целью увеличить пропускную способность и помехоустойчивость обратного канала и сделать его пригодным для передачи симметричных скоростных приложений. Максимальная скорость в обратном канале в DOCSIS 2.0 составляет 30.72 Мбит/с, что в 3 раза больше, чем в DOCSIS 1.1, и в 6 раз больше, чем в DOCSIS 1.0. Такая прибавка получена за счет увеличения допустимой полосы обратного канала, добавления схем модуляции более высокого уровня и одновременного повышения помехоустойчивости сигнала.
В DOCSIS 2.0 также добавлен новый тип множественного доступа к обратному каналу - S-CDMA (Synhronous-Code Division Multiplexing Access). Параметры прямого канала в спецификациях DOCSIS 2.0 никак не изменены, а в МАС уровень внесены лишь те изменения, которые требуются для поддержания новых характеристик физического уровня.
TDMA
В DOCSIS 1.x используется множественный доступ с разделением по времени TDMA (Time Division Multiplexing Access). Эта технология используется сегодня во многих стандартах связи. Она заключается в размещении информации от разных модемов в разных временных слотах. Во время передачи от одного абонента остальные модемы молчат, что исключает интерференцию между их сигналами. При этом может формироваться несколько таких обратных каналов, поэтому фактически там используется комбинированный метод множественного доступа FDMA/TDMA.
В DOCSIS 2.0 включен метод A-TDMA (Advanced-TDMA), который по сути ничем не отличается от прежнего. Его "продвинутость" заключается в некоторых добавлениях, позволяющих увеличить скорость сигнала и повысить его помехоустойчивость.
Спецификация A-TDMA предусматривает возможность формирования канала шириной 6.4 МГц, что вдвое больше допустимого DOCSIS 1.x. В качестве схем модуляции для обратного DOCSIS 1.х определяют QPSK и 16QAM. В DOCSIS 2.0 добавлены схемы модуляции 8QAM, 32QAM и 64QAM. Обязательной для использования является только последняя, а модуляции 8QAM и 32QAM включены в спецификацию для возможности выбора оптимального соотношения между скоростью передачи и качеством сигнала.
Для увеличения помехоустойчивости используется код Рида-Соломона с увеличенным по сравнению с DOCSIS 1.x количеством контрольных байт. В результате корректирующая способность кода увеличена с 10 байтов на блок до 16 байтов на блок. Так же как и в DOCSIS 1.х, к коду Рида-Соломона добавлено блочное перемежение, позволяющее восстанавливать длительные серии искаженных символов. Однако в DOCSIS1.x глубина перемежения фиксированная, а в DOCSIS 2.0 - программируемая.
Для борьбы с микроотражениями, помехами многолучевого распространения и компенсации групповой задержки сигнала все версии DOCSIS предусматривают использование адаптивных эквалайзеров, компенсирующих частотные и временные искажения импульсов в канале связи. Но в DOCSIS 2.0 - число отводов эквалайзера2 увеличено до 24, по сравнению с 8 в DOCSIS 1.x. Дополнительно к этому сокращена по времени процедура адаптации (обучения) эквалайзера. Это позволит повысить помехоустойчивость сигнала и расширить диапазон обратного канала, реально пригодный для передачи.
S-CDMA
S-CDMA, используемый в DOCSIS 2.0, является смесью CDM и CDMA.
Поступающие данные упаковываются в мини-слоты, которые представляют собой ячейки с данными от одного модема. Мини-слоты характеризуются двумя параметрами - кодом (налагаемой псевдослучайной последовательностью) и продолжительностью. Каждый кодируемый символ перемножается с псевдослучайной последовательностью из 128 символов (chips). Для сохранения ширины результирующего сигнала длительность информационных импульсов по сравнению с режимом А-TDMA растягивается в 128 раз. Стандарт допускает уменьшение числа кодирующих символов псевдослучайной последовательности до 64. Продолжительность мини-слота составляет один кадр (frame), который по времени может покрывать не более 32 информационных символов (рис. 3).
Рис. 3. Структура кадров S-CDMA при одновременной передаче от 64 модемов |
Количество псевдослучайных кодов, используемое при формировании одного мини-слота, программируется и может колебаться от 2 до 128. Cоответственно, количество модемов, которые ведут передачу в одном кадре, будет колебаться от 64 до 1. Первый вариант иллюстрируется рис. 3. Другая крайность - передача в кадре информации от одного-единственного модема. В этом случае кадр содержит один мини-слот, и S-CDMA вырождается в чистый CDM.
Ортогональность кодов гарантирует отсутствие интерференции между ними, только при идеальной синхронизации кодогенераторов. Поэтому, чтобы ограничить интерференцию, DOCSIS 2.0 ограничивает допустимую рассинхронизацию между работой абонентских модемов и CMTS величиной 1
Спецификация S-CDMA также включает описанные выше возможности расширения пропускной способности сигнала - удвоенную ширину полосы, дополнительные типы модуляции, усиленное защитное кодирование.
Дополнительно к усиленному коду Рида Соломона, спецификация S-CDMA в качестве опции предусматривает возможность использования треллистного кода3. Модулированный сигнал с наложенным треллистным кодом обозначается как ТСМ. Его использование вдвое снижает количество информации, передаваемое каждым QAM символом. Поэтому спецификация включает возможность использования 128 ТСМ.
A-TDMA и S-CDMA могут сосуществовать в одной системе, используясь попеременно.
Основные спецификации DOCSIS 2.0 были закончены к концу 2001 г.
И хотя некоторые компании уже приготовили модели с поддержкой DOCSIS 2.0, ни одно устройство по этому стандарту еще не сертифицировано.
Большая часть компаний разработала варианты с A-TDMA. Готовый комплект аппаратуры с S-CDMA имеет, кажется, только Teraion, который и является разработчиком этой технологии. В настоящее время Cable Labs проводит тестирование этих устройств на предмет соответствия спецификациям и взаимной совместимости.
Очевидно, что DOCSIS 2.0 дает более гибкие возможности для выбора оптимальных параметров потока. Степень эффективности введенных в нем добавлений покажет тестирование. Не исключено, что некоторые из возможностей нового стандарта получат актуальность в будущем - в результате усовершенствований, которые постоянно вносятся в процесс обработки сигналов и касаются, в первую очередь, механизмов компенсации искажений.
S-CDMA - система множественного доступа с кодовым разделением
Эти системы позволяют передавать сообщения от нескольких источников в общей частотной полосе и одном временном промежутке. Для того чтобы их можно было выделить на приемной стороне, каждое сообщение умножается на свою псевдослучайную последовательность, ортогональную другим последовательностям. Скорость смены символов псевдослучайных последовательностей во много раз быстрее смены передаваемых информационных символов, что делает последовательности узнаваемыми на приемной стороне. За счет скорости и псевдослучайности налагаемой последовательности результирующий сигнал имеет широкий шумоподобный спектр с низкой удельной мощностью. Такие сигналы отличаются высокой помехоустойчивостью, так как при поражении сигнала узкополосной помехой он может быть восстановлен по неискаженной части. Ортогональность, то есть полная некоррелированность разных псевдослучайных последовательностей приводит к тому, что высшие гармоники сигналов, перемноженных на разные последовательности, не совпадают, и они могут сосуществовать в одной полосе. Выделение сигнала на приемной стороне происходит за счет подачи той же псевдослучайной последовательности в резонатор, который усиливает искомый сигнал и выделяет его из суммарного шумоподобного сигнала. Затем из него исключается наложенная псевдослучайная последовательность, и восстанавливаются исходные данные.
 Рис. 2. Наложение прямой псевдослучайной последовательности на кодируемый поток данных |
Существуют два основных способа наложения псевдослучайных функций - метод прямой псевдослучайной последовательности (DSSS) и псевдослучайной перестройки частоты (FHSS).
В DOCSIS 2.0 используется первый способ, принцип действия которого иллюстрируется рис. 2. При его использовании кодируемая двоичная последовательность модулирует несущую совместно с псевдослучайной двоичной последовательностью, которая генерируется с частотой, многократно превышающей частоту кодируемой.
1 Русские эквиваленты этих названий автору неизвестны, а их перевод является достаточно произвольной попыткой передать их смысл.
2 Имеются в виду отводы линии задержки эквалайзера. Эквалайзер компенсирует временное искажение, подавая его на линию задержки и отдельно корректируя уровень сигнала на каждом временном отрезке. Чем больше отводов у линии задержки, тем более точным может быть восстановление сигнала.
Телемультимедиа № 6 (16) декабрь 2002
