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发表于 2015-2-5 20:19:51
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【大话C-DOCSIS】C-DOCSIS宽带接入技术系统架构分析
发布时间: 2014-02-07 14:05:57 作者:深圳市天威视讯股份有限公司 徐江山 来源: 《广播电视信息》杂志社 浏览次数:737
C-DOCSIS边缘接入技术产生的背景
在传统HFC(Hybrid fiber-coaxial)网络上,利用CMTS(Cable modem termination system)和CM(Cable modem)设备,采用DOCSIS(Data over cable service interface specification)协议,能够实现基于HFC网络的宽带数据传输,其典型拓扑结构如图1所示。
图1 典型HFC网络的拓扑结构
传统HFC+DOCSIS技术体系具有以下技术优势:
(1)DOCSIS协议定义了射频接口(物理层)、数据链路层、运营维护管理和数据安全等规范,具有低时延特性和完备的服务质量保障体系,能够很好地承载三网融合业务,标准化程度高;
(2)HFC网络是有线电视网络公司广泛采用的网络形式,具有覆盖广,深入千家万户,频带宽等特点;
(3)HFC+集中型CMTS技术配置体系具有投入少,广覆盖,扩容方便的特点,非常适宜于有线电视网络交互数据业务初期运营时的建网需求;
(4)HFC+CMTS技术体系在以北美为代表的世界各地已经获得成功的商业运营,产品产业化程度高。
但是随着技术的发展,传统HFC+CMTS技术配置体系也逐渐显现出以下技术劣势:
(1)传统HFC网络是典型的噪声汇聚型网络,反向漏斗噪声始终是影响网络可靠性的主要因素,模拟回传光链路对突发脉冲干扰敏感,有线电视网络运营商必须投入极大的财力与人力建设和维护一张干净的HFC网络;
(2)DOCSIS协议是一种上窄下宽、不对称的数据通信协议,相比xPON(x-Passive Optical Network)等光接入数据通信技术能够提供1Gbps以上对等的上下行数据带宽,尽管DOCSIS3.0采用频道捆绑技术,能够提供上行120Mbps/下行400Mbps的数据带宽,如果采用集中型的CMTS技术架构,DOCSIS技术仍然在提供高速宽带数据接入上显得能力不足,对交互视频通信等等需要较高对等带宽的业务支持能力弱;
(3)在提供高速互联网内容下载、高清视频观看等高速数据接入业务时,集中型CMTS目前的性价比相较EOC及PON技术具有劣势。
因此,有线电视网络运营商为实现三网融合业务的规模运营,必需创新性地构建一套基于DOCSIS协议的边缘宽带接入技术,既能够继承HFC+DOCSIS技术体系的技术优势和技术资产,也能够克服HFC+集中型CMTS配置的缺点,同时具有较高的性能价格比。
从物理拓扑的角度讲解,基于DOCSIS协议的边缘接入技术就是:将DOCSIS的物理层(射频)与(或)数据链路层的接口从分中心机房移至100-200户的同轴电缆覆盖区域内,一般与有线电视的光节点位于同一位置,可以与正向的电视信号光接收机集成为一体化的设备,也可以彼此独立。向下通过射频接口与同轴电缆用户网络相接,向上通过千兆以太网接口与PON( Passive Optical Network)或千兆以太网相连。如果将上述设备称作同轴媒体转换器CMC(Coax Media Converter),以其上连EPON网络为例,基于DOCSIS协议的边缘接入技术典型的网络拓扑图如图2所示。
图2 基于DOCSIS边缘接入技术的网络拓扑结构
由于这种基于DOCSIS协议的边缘接入技术由中国的广电网络运营商提出,因此该技术也称为C-DOCSIS技术。针对接口下移后的组网模式,C-DOCSIS接入技术规范了系统的功能模块及模块之间的数据和控制接口,扩展了ITU-T J.222的上下行射频调制技术,简化了部分信道技术,在保障与ITU-T J.122、J.222终端设备兼容的同时,能够实现千兆到楼,百兆入户,承载视频、语音和数据等综合业务,具有大带宽业务承载、多业务QoS保障、可运营、可管理的能力,是有线电视网络承载三网融合业务的下一代宽带接入技术。
C-DOCSIS的模型定义与设备形态
系统架构
C-DOCSIS系统由系统头端、系统终端、配置系统和网络管理系统组成,其系统架构如图3所示。
图3 C-DOCSIS系统架构
在C-DOCSIS系统架构中,系统终端设备连接运营商的同轴分配网络和家庭网络,负责它们之间的数据转发。用户设备可以嵌入终端设备之中,也可以作为独立的设备存在。典型的用户设备包括个人电脑、eMTA、家庭路由器和机顶盒设备等。
系统头端连接同轴分配网络和汇聚网络,负责它们之间的数据转发,通过汇聚网络接入运营商的配置系统及网络管理系统。
C-DOCSIS配置系统提供C-DOCSIS系统的业务和设备配置服务,实现配置文件的生成、下发、终端设备的软件升级等功能,包括DHCP服务器、配置文件服务器、软件下载服务器、时钟协议服务器、策略服务器等。
C-DOCSIS网络管理系统包括SNMP管理系统和Syslog服务器。
系统功能模块
C-DOCSIS系统功能模块如图4所示。
图4 C-DOCSIS系统功能模型
(1)外围设备
汇聚转发为C-DOCSIS系统外围设备。
C-DOCSIS系统通过汇聚转发设备接入城域网络,汇聚转发设备可以是OLT、以太网交换机或路由器等设备。
(2)头端
C-DOCSIS系统头端由射频接口模块、分类转发模块和系统控制模块构成。
射频接口模块:本模块主要实现本标准规定的PHY层和MAC层的功能,包括在下行方向基于业务流的调度、排队、整形,创建C-DOCSIS帧头,射频调制和传输;在上行方向射频信号接收,C-DOCSIS帧头处理,排队和调度;以及处理C-DOCSIS MAC管理消息。
分类转发模块:本模块对下行数据流,根据数据报文中的TCP、UDP、IP、LLC等相关字段(如MAC地址、IP地址、端口号)进行数据包匹配,把每个数据包映射到相应的业务流上,完成数据报文的分类和转发;本模块对上行数据流,根据C-DOCSIS业务映射规则插入汇聚网业务标识向网络侧转发数据(CM负责上行方向的包分类)。
系统控制模块:本模块实现对射频接口模块、分类转发模块的配置和管理,例如在CM注册时,本模块解析CM上报的业务流和分类信息,相应地对分类转发模块进行配置。同时本模块与网络管理系统和配置系统接口,实现业务的配置和管理等功能。
(3)终端
C-DOCSIS系统终端由CM模块构成,实现用户端设备的接入。
(4)配置系统
C-DOCSIS配置系统提供C-DOCSIS系统的业务和设备配置服务,实现配置文件的生成、下发、终端设备的软件升级等功能。配置系统包括DHCP服务器、配置文件服务器、软件下载服务器、时钟协议服务器、策略服务器等。其中DHCP服务器用于为系统终端和用户设备提供启动初始配置信息,主要包括IP地址。配置文件服务器用于为系统终端启动时提供配置文件下载。配置文件为二进制文件格式,其中包含系统终端的配置参数。软件下载服务器用于为系统终端升级提供软件下载。时钟协议服务器为时钟协议客户端主要为系统终端提供正确的时间。
(5)网络管理系统
C-DOCSIS网络管理系统包括SNMP管理系统和Syslog服务器。其中SNMP管理系统可以通过SNMP协议配置和监控系统头端以及系统终端。Syslog服务器用于收集设备操作相关的消息。根据运营商不同的应用需求,配置系统和网络设备管理系统可以包括其他的功能。
系统功能模块接口及要求
(1)RFI
射频接口RFI定义了C-DOCSIS头端与终端之间MAC和PHY层的接口规范。包括上下行信道的调制方式和调制参数、 MAC层特性、 射频接口电气特性。
(2)NSI
NSI接口定义了C-DOCSIS头端与汇聚网络之间的物理接口和业务流映射逻辑,不限定物理接口的具体类型,可以是千兆以太网、万兆以太网、EPON、GPON、10G PON等物理接口,业务流映射逻辑定义了C-DOCSIS业务流到以太VLAN的映射关系。
C-DOCSIS头端向NSI进行数据转发时,数据报文可以携带VLAN字段或不带VLAN字段。当数据报文携带VLAN字段时,C-DOCSIS头端应将上行至NSI的业务流映射为相应的VLAN ID,并将C-DOCSIS业务流的优先级映射为VLAN的优先级,将NSI下行的数据报文携带的VLAN剥离。C-DOCSIS头端应支持上下行IP优先级(TOS/DSCP)的修改。上层汇聚设备可以基于VLAN的优先级或IP优先级(TOS/DSCP)作优先级调度。
(3)OMI
OMI接口定义了C-DOCSIS头端与网络管理系统、配置系统之间的接口。网络管理系统通过OMI接口,使用SNMP协议和命令行接口,对网络设备进行配置、维护和监控。配置系统通过OMI接口,为业务开通提供配置服务;CM和CPE通过DHCP获取动态地址,CM注册上线时通过TFTP获取配置文件等;策略服务器通过OMI接口,使用COPS协议与系统头端通信。系统头端通过C-DOCSIS动态业务流,实现业务的动态QoS保障。
(4)CDT
CDT定义了C-DOCSIS头端内部分类转发模块与射频接口模块之间数据平面的标识格式。CDT使用802.1P/Q VLAN标签的格式,用VLAN ID标识数据包所属的CM,用COS字段标识数据包所属的业务流。
C-DOCSIS的系统基于业务流来支持多种业务的QoS特性。在下行方向,要求分类转发模块依据配置文件或动态业务流信令中定义的分类器信息,对数据包进行分类,在数据包的以太网帧头部插入相应的CDT标签,标识其所属的业务流,射频接口模块根据CDT标签识别数据包所属业务流,并根据配置文件或动态业务流信令中定义的QoS参数,进行流量整形和调度转发。在上行方向的分类和流量整形由CM完成,射频接口模块在数据包的以太网帧头部插入相应的CDT标签标识其所属的业务流,分类转发模块可以将CDT标签向汇聚网所支持的业务标记(例如业务VLAN、IP ToS、EPON系统的LLID)进行映射,以便支持汇聚网中的QoS。
(5)CDMM
CDMM定义了C-DOCSIS系统控制模块与射频接口模块之间的控制消息和消息格式。CDMM消息用于系统控制模块和射频接口模块之间交换配置、状态和管理信息,包括频道和参数配置、发送/接收状态和统计、负载均衡、CM状态、CM注册信息、动态业务流操作、组播和安全信息等。
(6)CCI
CCI是C-DOCSIS系统控制模块与分类转发模块之间的控制接口。C-DOCSIS系统规范不对其消息格式进行具体定义,但应保证系统控制模块具有根据射频接口模块上报的C-DOCSIS业务流信息相应地配置分类转发模块的能力。同时,分类转发模块应该有能力提取系统控制功能所需的特定协议报文到系统控制模块,如DHCP报文和CPD报文。
系统与设备形态
方案一:
根据C-DOCSIS系统功能模型,图5描述了一种典型系统实现。
图5 C-DOCSIS典型系统实现
在方案一中,将系统控制模块、分类转发模块和射频接口模块集成到一个设备中,该设备定义为CMC,实现C-DOCSIS系统头端功能。CMC位于网络中靠近用户侧的位置,如楼头或现有HFC网络的光节点处。CMC通过射频接口与CM进行通信,实现C-DOCSIS系统中同轴电缆网络通信的功能。CM设备与CPE设备连接,实现终端设备接入。CMC设备通过NSI接口与汇聚网连接,实现数据流转发与业务映射。CMC设备利用汇聚网提供的IP通道通过OMI接口与配置系统及网络管理系统通信,实现配置和网络管理。CMC与策略服务器通信,实现动态业务流操作。
方案二:
考虑到运行管理的差异性,系统控制模块、分类转发模块和射频接口模块可以基于网络分布实现,CMC也可以仅实现射频接口模块的功能,利用汇聚网络设备来实现系统控制模块、分类转发模块的功能,其系统实现如图6所示。
图6 C-DOCSIS典型系统实现
CMC通过射频接口与CM进行通信,实现C-DOCSIS系统中MAC和PHY层的功能。CM设备与CPE设备连接,实现终端设备接入。汇聚设备利用城域网提供的IP通道通过OMI接口与C-DOCSIS配置系统和网络管理系统通信,实现配置和网络管理,与策略服务器通信,实现动态业务流操作。在CMC和汇聚设备之间,通过CDT接口实现数据平面通信,通过CDMM接口实现CMC设备的集中式管理。汇聚设备可以是PON OLT、交换机和路由器等设备,相应地汇聚设备和CMC之间的物理通道可以是PON光网络、千兆以太网等。
方案三:
根据C-DOCSIS系统功能模型,射频接口模块MAC层子模块和PHY层子模块可以采用分离方式实现。其中位于网络中靠近用户侧位置的设备仅实现射频接口模块PHY层子模块的功能,利用汇聚设备来实现系统控制模块、分类转发模块和射频接口模块MAC层子模块的功能,如图7所示。
图7 MAC层子模块和PHY层子模块分离式系统
在此方案中,C-DOCSIS头端系统功能由汇聚设备和CMC设备共同实现。其中CMC设备仅包含系统功能模型中的射频接口模块中的PHY层子模块,汇聚设备实现系统控制模块、分类转发模块和射频接口模块MAC层子模块的功能。CMC设备位于网络中靠近用户侧的位置,如楼道或现有HFC网络的光节点处。汇聚设备可以是具备M-CMTS核心功能的CMTS设备、路由器、交换机等,相应的汇聚设备和CMC设备之间的物理通道可以是PON光网络、千兆以太网等,在汇聚设备上可提供所有CMC、CM和CPE设备的集中管理,支持CMC设备上下线的实时检测和响应。在CMC设备和汇聚设备之间,需要定义数据平面接口和支撑数据平面通信的管理接口。
C-DOCSIS的关键技术创新
创新一:
C-DOCSIS提出了一种分布式部署、集中式控制的有线电视网络宽带接入系统,包括:
(1)系统终端
用于对上下行业务数据进行接收和发送,对接入控制数据和管理控制数据进行接收和应答。
(2)系统接入端
用于对所述上下行的业务数据、系统终端接入控制数据和管理控制数据进行数据格式转换和数据转发或处理,以及对系统接入端的管理控制数据进行发送、接收和应答。
(3)系统头端
用于对所述系统接入端和所述系统终端进行管理控制和接入控制,对所述上下行业务数据进行处理、汇聚和转发。
此系统是由系统终端、系统接入端和系统头端所构成的三级分布式部署、集中式控制的系统架构,不仅可实现数据业务的端到端控制管理和QoS优先级保障,而且布网简单、成本低且效率高。
创新二:
C-DOCSIS发明了一种系统中的业务转发和优先级映射方法,本发明包括:
(1)在上行方向
C-DOCSIS头端对所接收的C-DOCSIS帧进行解析,C-DOCSIS头端根据C-DOCSIS帧头的控制字段将C-DOCSIS帧数据净荷转化成标准以太网帧结构并进行上行发送,其中,所述C-DOCSIS头端进行标准以太网帧结构转化时对所述C-DOCSIS帧进行VLAN信息的映射,所述VLAN信息映射包括VLAN ID映射和VLAN优先级映射。
(2)在下行方向
C-DOCSIS头端对所接收的以太网帧进行VLAN TAG信息剥离,由C-DOCSIS头端对该帧进行数据流特征匹配,并由C-DOCSIS头端根据匹配的数据流特征进行帧分类、QoS调度和转发,将所述帧封装成C-DOCSIS数据帧进行下行发送。
本发明可实现业务标识的传递和业务优先级的传递。当C-DOCSIS头端桥接C-DOCSIS与汇聚网络时,能保留业务标识信息和业务优先级信息。
创新三:
C-DOCSIS发明了一种基于IEEE OAM的管理信息的封装方法(CDMM)。
(1)步骤1,当CDMM的长度大于传输层的最大传输长度时,对所述CDMM进行帧分片,每个分片为所述CDMM的一个协议数据单元(PDU),所述CDMM包括首个PDU和后续PDU。
(2)步骤2,将所述帧分片后的CDMM在基于IEEE OAM的传输层中进行封装,其中,所述首个PDU包括PDU版本号字段,用于标识射频输出端口的预留字段、CDMM消息的操作码字段、CDMM的会话ID字段和与操作码相关的数据字段,所述在基于IEEE OAM的传输层中进行封装的CDMM消息帧包括传输层协议头和消息内容.
利用本发明封装的CDMM可实现系统控制模块和射频接口模块基于标准互通性的分布式配置,且可实现系统控制模块和射频接口模块之间交换配置、状态和管理信息。
创新四:
C-DOCSIS发明了一种同轴电缆宽带接入业务数据流的标记方法,本发明包括:
(1)在上行方向
终端将数据包传送到射频接口模块,射频接口模块在数据包的数据帧头部插入一个CDT标签,射频接口模块将数据包传送到分类转发模块,分类转发模块将CDT标签映射到汇聚网所支持的业务标记。
(2)在下行方向
分类转发模块将汇聚网传送的数据包的以太网帧头部插入一个CDT标签;分类转发模块将数据包传送给射频接口模块;射频接口模块接收数据包,根据CDT标签识别数据包所属的终端和业务流,并将数据包传送到相应的终端。CDT标签包括CoS字段和VID字段,CoS字段和CoS字段相结合指定特定终端的特定业务流。
本发明支持分类转发模块与射频接口模块之间的松耦合连接,并解决C-DOCSIS业务流向上层汇聚网络的分类转发和优先级映射问题。
创新五:
C-DOCSIS在ITU-T J.222.1 及ITU-T J.222.2的基础上,对PHY、MAC及其它层做了部分针对性简化。
(1)CMC设备应在上行信道支持TDMA/ATDMA,可选支持S-CDMA。CM设备应支持TDMA/ATDMA和S-CDMA传输(ITU-T J.222.1)。
(2)调制方式应符合ITU-T J.222.1第6.2.3节、附录B第6.2.3节的相关要求,可选支持格雷(Gray)编码的128QAM和256QAM调制。C-DOCSIS在6MHz频宽工作模式下应支持1024QAM,在8MHz频宽工作模式下可选支持1024QAM.
(3)C-DOCSIS MAC层可选支持载荷头抑制(PHS).
(4)C-DOCSIS可选支持一个物理频道划分为多个逻辑频道,可选支持组播流的下行频道绑定,其他应符合ITU-T J.222.2的要求.
(5)C-DOCSIS应支持ITU-T J.222.2中基于业务流方式提供的QoS,可选支持基于CoS(Class of Service)配置的QoS。
C-DOCSIS的产业化进展
Broadcom为C-DOCSIS技术研制的套片包括MAC层与下行调制处理器BCM3218,控制处理器BCM3219,上行PHY处理器BCM3143,所有芯片在2012年3月之前都已经成功流片并大规模供货。设备厂家方面,数码视讯、华为、中兴均已实现批量供货。运营商方面,广州珠江数码已部署近千台CMC设备,覆盖近20万用户;江苏昆山有线已部署500余台CMC设备,覆盖6万用户;浙江华数也部署了700余台CMC设备。除了上述运营商实现规模部署之外,天威视讯也即将开展6000余户的C-DOCSIS现网测试,歌华、南京、哈尔滨、重庆等有线运营商也在积极开展C-DOCSIS测试。C-DOCSIS技术和设备也获得国外运营商的重视,目前已有泰国、俄罗斯等国超过10个运营商在关注并开展测试工作。 |
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