【無線射頻通信】-新興的基于全雙工通信技術(shù)的雙向有線電視寬帶網(wǎng)絡(luò)

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----新興的基于全雙工通信技術(shù)的雙向有線電視寬帶網(wǎng)絡(luò)1、引言

最新一代的DOCSIS技術(shù)（DOCSIS3.1）極大程度地提高了雙向有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量非對稱的DOCSIS3.1可達(dá)下行10Gbps/上行1Gbps，對稱的DOCSIS3.1可達(dá)下行10Gbps/上行10Gbps。

為了支撐通過雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)向用戶供應(yīng)上行/下行對稱的Gbps接入速率，就需要增大上行網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量。而"全雙工DOCSIS通信技術(shù)'（基于DOCSIS3.1接入技術(shù)）可以在不"犧牲'（這是該技術(shù)的最大亮點）下行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量的狀況下來提高上行網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量，并將從2023年7月起進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化階段（該標(biāo)準(zhǔn)被稱為DOCSIS3.1標(biāo)準(zhǔn)的"incrementalevolution（增量式演進(jìn)）'）。

Nokia已于2023年5月末首次演示全雙工DOCSIS3.1技術(shù)的概念驗證（相關(guān)原型解決方案的名稱為"XG-CABLE'），實現(xiàn)了在具有100米長度同軸電纜的雙向有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)（其上限截至頻率為1.2GHz）上/下行對稱10Gbps速率。目前，Nokia正聯(lián)合北美及歐洲的一些主流的雙向有線電視寬帶網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商討論于現(xiàn)網(wǎng)部署全雙工通信技術(shù)的可行性。另外，Cisco（思科）公司也在2023年5月發(fā)布首份相關(guān)的白皮書。

本文就介紹基于雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)的全雙工DOCSIS技術(shù)及其所能帶來的潛在的容量增益相關(guān)全雙工通信解決方案綜合考慮了雙向有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)不斷向前演進(jìn)背景之下的后向兼容性問題、性能問題、可擴(kuò)展性問題、終端設(shè)備實現(xiàn)的簡單度問題。

2、新興的全雙工通信技術(shù)

無論是有線通信技術(shù)還是無線通信技術(shù)，均使用FDD（頻分復(fù)用）或TDD（時分復(fù)用）機(jī)制來打造雙向的通信系統(tǒng)。

實行FDD時，可用的頻譜資源被分成US（上行）信道及DS（下行）信道（在無線通信中分別為上行鏈路與下行鏈路信道），且相互間不重疊或通過設(shè)置愛護(hù)帶來防止上行信號與下行信號相互干擾。于是，下行信道與上行信道的頻段分割比就成為打算下行系統(tǒng)與上行系統(tǒng)容量比的主要因素。從而，要增大上行網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量，就必定要以"犧牲'下行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量為代價，反之亦然。

實行TDD時，上行信道與下行信道使用相同的頻譜資源，但在不同的時間段發(fā)送信號以避開上行信號與下行信號的相互干擾。于是，下行信道與上行信道的時間分割比就成為打算下行系統(tǒng)與上行系統(tǒng)容量比的主要因素。從而，要增大上行網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量，就必定要以"犧牲'下行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量為代價，反之亦然。

實現(xiàn)雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)所實行的經(jīng)典DOCSIS技術(shù)所用的是FDD這種雙工機(jī)制：上行信道所在的頻段有3種配置（5~42MHz、5~65MHz、5~85MHz），下行信道與電視/視頻廣播共享使用高端部分的物理頻頻段（最高可達(dá)1GHz頻點）。

假如要提高DOCSIS接入網(wǎng)絡(luò)容量，要么增大頻譜資源利用效率（比如將DOCSIS3.0技術(shù)升級為DOCSIS3.1技術(shù)），要么為DOCSIS指配/安排更多的可用物理頻段。但是，雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源是有限的（無法延長最高頻點），從而，增大DOCSIS上行信道的容量就必定要"犧牲'一部分下行信道的系統(tǒng)容量。

依據(jù)上述部分的爭論，TDD或FDD這兩種雙工機(jī)制的應(yīng)用目標(biāo)在于通過防止上行頻譜與下行頻譜在時域或頻域的重疊來防止上行信號與下行信號產(chǎn)生相互干擾。最近，無線通信技術(shù)研發(fā)所取得的最新進(jìn)展顯示，高級干擾消退技術(shù)使得FDX（全雙工通信）成為可能。

在全雙工通信系統(tǒng)之中，上行與下行實行相同的物理頻段進(jìn)行并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，而上行信號與下行信號之間的干擾則在接收機(jī)側(cè)消退（實行高級的干擾消退技術(shù)），且需要消退自干擾，由于接收機(jī)的信號放射端口與信號接收端口的電平隔離度是有限的，處于高電平狀態(tài)的放射信號就會干擾處于低電平狀態(tài)的所接收到的信號。抱負(fù)狀況是，組合電路應(yīng)由一個端口隔離度無限大的環(huán)形器組成，以防止信號放射端口與信號接收端口之間消失交叉耦合。

此外，目前，接收機(jī)側(cè)的自干擾消退可在RF（射頻）域?qū)崿F(xiàn)，也可在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)，還可在射頻/數(shù)字混合域來實現(xiàn)。

3、新興的全雙工DOCSIS接入網(wǎng)絡(luò)

目前基于DOCSIS標(biāo)準(zhǔn)的雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)，可用的上行信道頻段資源極其有限。這樣，假如于其中部署了全雙工通信技術(shù)，就可以為上行信道供應(yīng)額外的物理帶寬，同時保證下行信道具有足夠多的可用物理帶寬。

而為了在現(xiàn)有的雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)中部署全雙工通信技術(shù)，需要重點考慮的包括與前面各代DOCSIS的后向兼容性、性能、可擴(kuò)展性、設(shè)備實現(xiàn)的簡單度。相關(guān)技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展要快于預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)。下面進(jìn)行具體介紹。

（1）后向兼容性問題。假如一個全雙工通信DOCSIS終端要與實行此前各代DOCSIS標(biāo)準(zhǔn)的雙向有線電視終端實現(xiàn)兼容，其就必需能在達(dá)到目標(biāo)KPIs（關(guān)鍵性能指標(biāo)）的同時，與后者共存于同一張雙向有線電視網(wǎng)絡(luò)。其中的頻譜既可以是共享的物理頻段，也可以是專用的物理頻段前者可以提高頻譜資源利用效率，但是終端設(shè)備的實現(xiàn)簡單度較實行后者的方式時更大。例如，在最新一代的DOCSIS3.1技術(shù)中，可通過部署TaFDM（時分及頻分復(fù)用）機(jī)制使得SC-QAM（單載波QAM調(diào)制）與OFDMA（正交頻分復(fù)用多址接入）信道共享使用上行頻譜資源，而在下行方向，各個SC-QAMs信道與OFDM信道則使用專用的頻譜資源。

（2）性能問題。在雙向有線電視寬帶網(wǎng)絡(luò)之中，上行與下行對稱型業(yè)務(wù)的流量在不斷增長（尤其是在光纖到戶FTTH網(wǎng)絡(luò)之中）。目前的DOCSIS接入網(wǎng)絡(luò)在下行方向已能供應(yīng)1Gbps的接入，因此，上行方向合理的初期性能目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是供應(yīng)1Gbps的速率，以使得DOCSIS接入網(wǎng)能像用戶供應(yīng)上行與下行對稱1Gbps的業(yè)務(wù)。同時，新一代的DOCSIS還應(yīng)具備按需擴(kuò)展至更高等級速率的力量。

（3）可擴(kuò)展性問題。假如要在雙向有線電視寬帶網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)網(wǎng)中進(jìn)行技術(shù)的升級/更新?lián)Q代，就需要考慮如何把對于在網(wǎng)用戶的影響降低到最小的程度。那些基于網(wǎng)絡(luò)容量實際需求的、逐步演進(jìn)部署的相關(guān)解決方案，更利于促進(jìn)技術(shù)升級并減小由此而帶來的相關(guān)成本。這些解決方案需要能基于用戶數(shù)量的增長及用戶業(yè)務(wù)需求的提高進(jìn)行高效擴(kuò)展，同時保持與上一代技術(shù)的后向兼容性。這種可擴(kuò)展性就使得雙向有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商無需進(jìn)行簡單的網(wǎng)絡(luò)升級、無需更換現(xiàn)有全部用戶的終端設(shè)備（不會造成業(yè)務(wù)中斷）即可逐步于現(xiàn)網(wǎng)中部署新興技術(shù)。

（4）終端設(shè)備實現(xiàn)的簡單度問題。對終端設(shè)備實現(xiàn)的簡單度進(jìn)行管理，直接關(guān)系到對新興技術(shù)部署成本的管理。在現(xiàn)有的雙向有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之中，CMTS（局端/頭端設(shè)備）被眾多CMs（終端設(shè)備）共享使用，為此，把CM的簡單度降低到最小程度、將更多的功能集成/上移到CMTS或?qū)⑹且粋€可行的解決方案。

基于上述考量，CableLabs（有線電視網(wǎng)絡(luò)試驗室）研發(fā)出一種基于全雙工通信解決方案的DOCSIS3.1技術(shù)來提高雙向有線電視寬帶網(wǎng)絡(luò)的上行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。相關(guān)的全雙工技術(shù)架構(gòu)如下描述：

在該解決方案之中，如圖4所示，CMTS工作于全雙工模式（在DOCSIS信道之中。圖1），與此同時，在任何一個時間點，某個CM終端可通過某個特定的信道發(fā)送或者接收信號，也可通過不同的信道同時發(fā)送或者接收信號（圖2）。

圖1、CMTS局端的全雙工信道視圖[1]

圖2、CM終端的全雙工信道視圖[1]

實行這種方式時，"干擾消退'就僅在CMTS局端側(cè)進(jìn)行，從而就可以把CM全雙工終端的實現(xiàn)簡單度降低到最小程度。

此外，CMTS局端側(cè)進(jìn)行干擾消退的性能直接影響到雙向有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)所能達(dá)到的上行系統(tǒng)容量，而CMTS下行信號放射功率（電平）及干擾圖樣影響下行系統(tǒng)容量。

另外，還需要考慮解決全雙工DOCSIS終端設(shè)備與傳統(tǒng)DOCSIS終端設(shè)備的共存問題（尤其是當(dāng)需要共享下行頻譜資源時）。傳統(tǒng)DOCSIS終端設(shè)備會持續(xù)偵聽CMTS局端的各個下行信道。全雙工DOCSIS終端設(shè)備上行放射信號有可能會對接近的傳統(tǒng)DOCSIS終端下行接收信號產(chǎn)生潛在的干擾。

全雙工CM上行信號對另一CM下行信號的干擾程度，取決于各自的RF（射頻）隔離度凹凸。假如終端設(shè)備間的RF隔離度較差，上述這種干擾現(xiàn)象就將會比較顯著。CableLabs的試驗室測試數(shù)據(jù)表明：同一RF安排器所連接的CMs終端的上行發(fā)送信號會對下行信號產(chǎn)生高電平干擾，從而嚴(yán)峻影響其接收下行信號的力量；不同RF安排器所連接的CMs終端則不會為上行傳輸所影響，或下行SNR（信噪比）數(shù)值降低（從而需要這些CMs終端實行更低階的調(diào)制）。

因此，為了把對CM下行接收的影響降低到最小的程度，CMTS局端將需要對終端設(shè)備間（設(shè)備A到設(shè)備B）的干擾進(jìn)行管理。一種可能的解決途徑為：先確定/定位與雙工設(shè)備相關(guān)的干擾組（被全雙工CMs上行信號所干擾的CMs終端），CMTS局端再基于干擾組對CMs調(diào)度作對齊處理干擾組之中的CMs終端不會被支配接收數(shù)據(jù)或者實行低階調(diào)制方式，而全雙工終端設(shè)備則被調(diào)度用于上行數(shù)據(jù)傳輸。

可以通過信道探測來測知CMs終端設(shè)備之間的隔離度，并以此確定出干擾組。信道探測的詳細(xì)實現(xiàn)方式為：CMs終端實時測量被全雙工終端干擾后的接收功率電平，并將其上報給CMTS局端。

4、全雙工DOCSIS接入網(wǎng)絡(luò)的性能

部署了新興全雙工DOCSIS通信技術(shù)之后的雙向有線電視寬帶接入網(wǎng)絡(luò)所能具備的潛在系統(tǒng)容量，取決于雙向有線電視寬帶接入基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的射頻性能、CMTS局端/CM終端的力量、CMTS局端的自干擾消退性能。

對此，有線電視網(wǎng)絡(luò)試驗室以下述條件來評估上述潛在的系統(tǒng)容量所可達(dá)到的水平：CMTS局端/CM終端的力量方面實行最新一代的DOCSIS3.1標(biāo)準(zhǔn)；雙向有線電視寬帶接入基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的射頻性能方面，以如圖3所示的無源同軸接入網(wǎng)來測試，該接入網(wǎng)的技術(shù)參數(shù)如表1所示；CMTS局端的自干擾消退性能方面，假設(shè)CMTS局端調(diào)度器允許干擾組之內(nèi)的各CMs在存在干擾（來自于接近的全雙工終端設(shè)備）的狀況之下接收低階調(diào)制信號。

圖3、無源雙向有線電視同軸接入網(wǎng)絡(luò)

表1、圖3中所示網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)詳細(xì)數(shù)值CMTS下行放射功率41dBmV/6MHz目標(biāo)上行信號接收功率0dBmV/6MHz最大CM終端上行放射功率65dBmVDOCSIS信道帶寬192MHz同軸網(wǎng)絡(luò)段的信號損耗4.5dB系統(tǒng)效率80%依據(jù)上述條件，有線電視網(wǎng)絡(luò)試驗室測得了在不同的CMTS局端自干擾消退性能（dB）下，全雙工DOCSIS3.1寬帶接入網(wǎng)絡(luò)的上行系統(tǒng)容量與下行系統(tǒng)容量，詳細(xì)如圖7所示。

圖4、全雙工DOCSIS3.1系統(tǒng)的上行與下行容量

對于最新一代的DOCSIS3.1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，與不存在相關(guān)干擾時相比，存在干擾時，下行系統(tǒng)的容量會降低11%。

有線電視網(wǎng)絡(luò)試驗室分析認(rèn)為，假如對CMs終端上行信號發(fā)送功率、CMTS局端下行信號發(fā)送功率、CMTS局端自干擾消退性能（dB）進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，全雙工DOCSIS3.1網(wǎng)絡(luò)的上行與下行系統(tǒng)容量均可得到進(jìn)一步的提升。另外，還可以這樣的方式來進(jìn)一步增大下行系統(tǒng)的容量：調(diào)度干擾組內(nèi)的部分CMs終端傳送下行數(shù)據(jù)（當(dāng)干擾組內(nèi)的全部CMs終端均沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)