DOCSIS 3.1最新PHY技術參數及運營商部署策略探討

凌明偉，李遠東

(1. 浙江傳媒學院，浙江 杭州 310018；2. DVBCN，上海 201100)

DOCSIS 3.1最新PHY技術參數及運營商部署策略探討

凌明偉1，李遠東2

(1. 浙江傳媒學院，浙江 杭州 310018；2. DVBCN，上海 201100)

摘要:2015年6月11日，CableLabs(美國有線電視網絡實驗室)發布了最新版的DOCSIS 3.1物理層技術規范，對制定該規范的背景、需求、設備、射頻信道技術參數、傳輸電平、上行發射與接收、下行發射、下行接收、OFDM技術參數、OFDMA技術參數、PHY-MAC融合、主動網絡維護進行了介紹。還對該技術規范中涉及DOCSIS 3.1網絡規劃的技術參數進行介紹，并對有線電視網絡運營商的部署策略進行探討。

關鍵詞:DOCSIS 3.1；CMTS；CM；OFDM；OFDMA；LDPC

1DOCSIS 3.1概述

當下，消費者對高質量電視廣播內容、高帶寬流媒體電視內容、實時交互式游戲以及遠程家庭監控的需求越來越大，這就需要雙向有線電視網絡運營商大幅提高入戶帶寬[1-2]。在此背景下，歐美有線電視網絡運營商加快了對于最新一代雙向接入技術DOCSIS 3.1的現網部署進程[1,3]。相對于DOCSIS 3.0，DOCSIS 3.1在接入速率、體驗質量、系統容量、CM終端能效等方面均有很大提升[2]。

全球最大的兩大有線電視網絡運營商Comcast Cable(美國)及Liberty Global(歐洲)將于2016年大規模部署DOCSIS 3.1技術[1,4]。截至2015年6月9日，至少有10家歐洲有線電視網絡運營商正在將其雙向HFC網絡升級至1.2 GHz系統，以為規劃中的DOCSIS 3.1現網部署做前期準備[5]。IHS在2015年7月28日發布的報告中稱，通過調研發現：有線電視網絡運營商們希望在2017年4月之前，其部署的DOCSIS 3.1接入網系統能覆蓋到其1/3的用戶[3](筆者注：大致有1 700萬家庭用戶)；一半的受訪有線電視網絡運營商表示將在2017年將其雙向有線電視寬帶接入網絡的上行信道截止頻點提升至86～100 MHz[3]；甚至，高達1/4的受訪有線電視網絡運營商表示將在2017年將其雙向有線電視寬帶接入網絡的上行信道截止頻點提升至101～200 MHz[3]。

DOCSIS 3.1技術沿用了現有DOCSIS技術的MAC層與物理層，使之與現有物理層后向兼容，從而保證平滑遷移：DOCSIS 3.1的CM終端可以無縫地接入DOCSIS 3.0、2.0、1.1以及1.0的CMTS；DOCSIS 3.1的CMTS可以支持無縫地接入DOCSIS 3.0、2.0以及1.1的CM[6]。

此外，DOCSIS 3.1還設計了全新的物理層來提高頻譜效率與可用物理帶寬，同時還對MAC層及管理層進行了相應的更新[6]。

2功能

2.1設備

1)頻率規劃

上行系統的截止頻率可以是54 MHz、87.5 MHz、108 MHz或者258 MHz。下行系統典型的截止頻率范圍是550 ～1 002 MHz，未來有望擴展至1 218 MHz、1 794 MHz及更高的頻點。

2)與其他業務的兼容性

DOCSIS 3.1的CMTS以及CM必須均能與有線電視網絡中其他正常運行的業務共存。

3)故障隔離

由于DOCSIS 3.1的CMTS是點到多點的共享媒質系統，就需要考慮故障對于“海”量數據用戶、視頻用戶等的潛在有害影響，并考慮故障隔離程序。

2.2射頻信道

按照雙向有線電視網絡的上下行信道的技術參數配置，DOCSIS 3.1系統須至少采用其中一組物理層參數(比如調制、交織深度等)。

1)下行傳輸

雙向有線電視網絡下行信道的傳輸特征見表1[6]。

2)上行傳輸

雙向有線電視網絡上行信道的傳輸特征見表2[6]。

3DOCSIS 3.1的單載波QAM調制PHY子層

DOCSIS 3.1系統的CM或CMTS在以下兩種情況下啟動單載波QAM調制PHY子層：與DOCSIS 3.0系統后向兼容時；DOCSIS 3.1全新物理層功能出現故障時。主要的區別在于，DOCSIS 3.1系統的CM或CMTS至少要支持24個下行信道綁定及8個上行信道綁定，而DOCSIS 3.0系統的CM或CMTS至少支持4個下行信道綁定及4個上行信道綁定。

此處，實施單載波調制的場景包括：DOCSIS 3.0系統及更早DOCSIS版本系統的下行信道；DOCSIS 3.0系統及更早DOCSIS版本系統的上行信道(采取TDMA、A-TDMA及S-CDMA技術)。

此時，上行傳輸與接收、下行傳輸這兩者的技術參數與DOCSIS 3.0版本物理層相同。對于前者的相關技術參數，如表3[6]所示。

4DOCSIS 3.1的OFDM調制PHY子層

4.1下行頻譜規劃

1)CMTS的下行頻譜規劃

CMTS必須要能支持兩個獨立配置的、下行帶寬分別為192 MHz的OFDM信道：CMTS必須支持的最高截止頻率為1.218 GHz，可以支持的最高截止頻率為1.794 GHz；CMTS必須支持的最低截止頻率為258 MHz，可以支持的最低截止頻率為108 MHz。

表1雙向有線電視網絡下行信道傳輸特征

參數數值頻率范圍雙向有線電視網絡下行信道的典型工作頻段為54～1002MHz。下行信道擴展型工作頻段中:最低頻點為108MHz及258MHz,最高頻點為1218MHz及1794MHzRF信道間隔(設計帶寬)24～192MHz從前端到最遠用戶的單向傳輸時延≤0.400ms(實際要遠小于該數值)信號與復合噪聲功率比≥35dBC/CTB≥41dBC/CSO≥41dB載波交調功率比≥41dB載波與侵入噪聲功率比≥41dB6MHz數字信道內的振幅變化≤1.74dBpk-pk/6MHz群延遲變化≤113ns(24MHz帶寬內)微反射反射時長≤0.5μs時:-20dBc;反射時長≤1.0μs時:-25dBc;反射時長≤1.5μs時:-30dBc;反射時長≤2.0μs時:-35dBc;反射時長≤3.0μs時:-40dBc;反射時長≤4.5μs時:-45dBc;反射時長≤5.0μs時:-50dBc載波交流聲調制≤-30dBc(3%)模擬視頻輸入CM的最大載波電平17dBmV最大模擬載波個數121

2)CM的下行頻譜規劃

CM必須要能支持兩個獨立配置的、下行帶寬分別為192 MHz的OFDM信道：CM必須支持的最高截止頻率為1.218 GHz，可以支持的最高截止頻率為1.794 GHz；CMTS必須支持的最低截止頻率為258 MHz，可以支持的最低截止頻率為108 MHz(當CM所配置的上行截至頻率為85 MHz或更低時)。

4.2上行頻譜規劃

1)CM的上行頻譜規劃

CM必須要能支持兩個獨立配置的、下行帶寬分別為96 MHz的OFDM信道。作為可選項，也可支持多于兩個的、下行帶寬分別為96 MHz的OFDM信道。

表2雙向有線電視網絡上行信道傳輸特征

參數數值頻率范圍雙向有線電視網絡上行信道的典型工作頻段為5～42MHz或5～65MHz。上行信道擴展型工作頻段為5～85MHz、5～117MHz及5～204MHzRF信道間隔(設計帶寬)24～192MHz從最遠用戶到前端的單向傳輸時延≤0.400ms(實際要遠小于該數值)載波與干擾信號及侵入噪聲信號功率比≥25dB6MHz數字信道內的振幅變化≤2.78dBpk-pk/6MHz群延遲變化≤163ns(24MHz帶寬內)微反射反射時長≤0.5μs時,-16dBc;反射時長≤1.0μs時,-22dBc;反射時長≤1.5μs時,-29dBc;反射時長≤2.0μs時,-35dBc;反射時長≤3.0μs時,-42dBc;反射時長≤4.5μs時,-51dBc載波交流聲調制≤-26dBc(5.0%)季節與晝夜反向增益變化最大值-最小值≤14dB

表3DOCSIS 3.1相關技術參數

參數數值頻率范圍5～42MHz,5～65MHz,5～85MHz信號類型TDMA、S-CDMA(可選)調制方式QPSK、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM、128QAM調制率(標稱)TDMA:1280,2560,5120kHzS-CDMA:1280,2560,5120kHz可選的pre-3.0-DOCSIS運行TDMA:160,320,640kHz帶寬TDMA:1600,3200,6400kHzS-CDMA:1600,3200,6400kHz可選的pre-3.0-DOCSIS運行TDMA:200,400,800kHz電平CM的平均輸出總功率≥65dBmV輸出阻抗75Ω輸出反射損耗>6dB5fmax=42/65/85/117/204MHz;>6dBfmax=1218MHz;>6dBfmax=1.794GHz(對于具有相關能力的CM終端)連接器遵循ISO/IEC-61169-24標準或者SCTE02標準的F頭

CM調制器必須能支持上行5～204 MHz(最低頻點，其余頻點還包括42 MHz、65 MHz、85 MHz、117 MHz。也可額外支持高于204 MHz的頻點——此時，CM必須傳輸192 MHz的活躍信道)頻段，并在此頻段內靈活部署OFDMA信道。

在DOCSIS 3.1上行模式之下，CM必須具有同時傳輸OFDMA信道及傳統單載波QAM信道的能力(在CMTS的控制之下)。在所有的應用場景之下，當上行信道的截止頻率低于85 MHz時，CM無需傳輸傳統的單載波QAM信道。

2)CMTS的上行頻譜規劃

CMTS必須要能支持兩個獨立配置的、下行帶寬分別為96 MHz的OFDM信道。作為可選項，也可支持多于兩個的、下行帶寬分別為96 MHz的OFDM信道。

CMTS必須能支持5～204 MHz(最低頻點，也可額外支持高于204 MHz的頻點——此時，CM必須傳輸192 MHz的活躍信道)頻段的上行傳輸，并在此頻段內靈活部署OFDMA塊。

在DOCSIS 3.1上行模式之下，CM必須具有同時傳輸OFDMA信道及傳統單載波QAM信道的能力(在CMTS的控制之下)。在所有的應用場景之下，當上行信道的截止頻率低于85 MHz時，CMTS無需傳輸傳統的單載波QAM信道。

4.3信道頻帶規劃原則

為確保DOCSIS 3.1 CMTS及CM的正常運行，OFDM/OFDMA信道規劃應遵循以下的原則：

1)下行OFDM配置

DOCSIS 3.1的下行調制采用OFDM，包括4K FFT及8K FFT兩種模式，采樣率為204.8 MHz。詳細技術參數如表4[6]所示。

表4下行OFDM技術參數

參數4K模式8K模式下行主時鐘頻率10.24MHz下行采樣率fs204.8MHz下行基本周期Tsd1/(204.8MHz)信道帶寬24MHz,…,192MHzIDFT40968192子載波間距50kHz25kHzFFT周期(數據符號周期)Tu20μs40μs192MHz帶寬內數據子載波最大數目38007600首、末數據子載波的最大間距190MHz循環前綴0.9375μs(192×Tsd)1.25μs(256×Tsd)2.55μs(512×Tsd)3.75μs(768×Tsd)5μs(1024×Tsd)開窗0μs(0×Tsd)0.3125μs(64×Tsd)0.625μs(128×Tsd)0.9375μs(192×Tsd)1.25μs(256×Tsd)

2)上行OFDMA配置

DOCSIS 3.1的上行調制采用OFDM的多用戶版本——OFDMA技術，為相關CM分配若干個子載波用于上行通信。包括2K FFT及4K FFT兩種模式，采樣率為102.4 MHz。詳細技術參數如表5[6]所示。

表5上行OFDMA技術參數

參數2K模式4K模式上行采樣率fsu102.4MHz上行基本周期Tsu1/(102.4MHz)信道帶寬10MHz…96MHz6.4MHz…96MHzIDFT20484096子載波間距50kHz25kHzFFT周期(數據符號周期)Tu20μs40μs192MHz帶寬內數據子載波最大數目19003800循環前綴0.9375μs(96×Tsd)1.25μs(128×Tsd)1.5625μs(160×Tsd)2.1875μs(224×Tsd)2.5μs(256×Tsd)2.8125μs(288×Tsd)3.125μs(320×Tsd)3.75μs(384×Tsd)5.0μs(512×Tsd)6.25μs(640×Tsd)開窗0μs(0×Tsd)0.3125μs(32×Tsd)0.625μs(64×Tsd)0.9375μs(96×Tsd)1.25μs(128×Tsd)1.5625μs(160×Tsd)1.875μs(192×Tsd)2.1875μs(224×Tsd)

3)調制格式

DOCSIS 3.1的CMTS調制器必須能支持16QAM、64QAM、128QAM、256QAM、512QAM、1024QAM、2048QAM以及4096QAM，并可選支持具有更高調制階數的8192QAM及16384QAM。

DOCSIS 3.1的CM解調器必須能支持16QAM、64QAM、128QAM、256QAM、512QAM、1024QAM、2048QAM以及4096QAM，并可選支持具有更高調制階數的8192QAM及16384QAM。

5信道編碼

DOCSIS 3.1的FEC所采取的是先進的三準循環LDPC編碼技術(與之對比，DOCSIS 3.0所采取的是RS編碼技術)，以軟、硬件結合的形式來實現，從而可增大噪聲環境中的糾錯能力，并降低了僅以軟件方式來實現LDPC編碼時CMTS的工作負荷[1,5]。而且，三準循環LDPC編碼的譯碼復雜度較低，結構靈活，相關的主要技術參數如表6所示[6]。

表6信道編碼相關技術參數

碼型碼率碼字長度/bit信息碼位數/bit奇偶碼位數/bit長碼89%(8/9)16200144001800中碼85%(28/33)59405040900短碼75%(3/4)1120840280

6有線電視網絡運營商的部署策略探討

DOCSIS 3.1最新的物理層PHY標準確定了最高的子載波調制格式為16384QAM。但是，在實際的有線電視網絡現網之中，由于模擬光纖鏈路及雙向電放大器的長級聯鏈路的存在，CNR的性能很難達到采用1024QAM、512QAM甚至512QAM調制的水平。從而，為獲得10 Gbit/s的下行接入速率，就需要對雙向HFC系統進行升級(比如升級至1 794 MHz系統)，但是擴展現網底層頻譜資源存在很大的挑戰。

為此，有線電視網絡運營商可以采取如下的策略：

首先，可以繼續實施模數轉換甚至部署全數字電視業務，以“釋放”出更多的頻譜資源。

其次，通過適當增大發射端的光調制度來提高下行鏈路的CNR。

再次，可繼續“下沉”部署雙向光節點，以提高CNR，減小失真，從而提高頻譜效率。但是，由于上行鏈路的CNR性能受限于模擬光纖系統，就無法大幅地提升頻譜效率。

因此，第四步可規模部署遠端PHY架構，以提高系統CNR，從而進一步減小頻譜資源需求。此外，還可在此架構上部署復用/解復用功能，以支持部署雙向光節點“下沉”部署，而且不會降低MER性能。于是，上行鏈路的MER性能就可以不再依賴于光纖鏈路長度以及雙向電放大器的級聯數了。

參考文獻：

[1]NELSON R. DOCSIS 3.1 Enables rapid deployment of gigabit broadband[EB/OL].[2015-07-10]. http://www.infonetics.com/pr/2014/Carrier-SDN-NFV-Market-Highlights.asp.

[2]CableEuro.DOCSISandDOCSIS3.1[EB/OL].[2015-07-10].http://www.cable-europe.eu/wp-content/uploads/2015/04/DOCSIS-document-A4-02.pdf.

[3]MultichannelNEWS.SurveyPinpointsWhat’sHotInCableTech[EB/OL].[2015-07-28].http://www.multichannel.com/blog/bauminator/survey-pinpoints-what-s-hot-cable-tech/392545.

[4]LibertyGlobal.LiLACGroupPresentation[EB/OL].[2015-07-10].http://www.libertyglobal.com/pdf/presentations/LiLAC-Group-Presentation-June-2015-FINAL.pdf.

[5]JULIANC.Cablenetsexpandingto1.2GHzforDOCSIS3.1[EB/OL].[2015-07-10].http://www.broadbandtvnews.com/2015/06/09/cablenets-expanding-to-1-2ghz-for-docsis-3-1/.

[6]CM-SP-PHYv3.1-I06-150611,Data-Over-CableServiceInterfaceSpecificationsDOCSIS? 3.1PhysicalLayerSpecification[S]. 2015.

責任編輯：薛京

Newest version of DOCSIS 3.1 PHY parameters and deployment strategy discussion

LING Mingwei1,LI Yuandong2

(1.ZhejiangUniversityofMediaandCommunications,Hangzhou310018,China; 2.DVBCN,Shanghai201100,China)

Abstract:CableLabs released the newest version of DOCSIS 3.1 PHY technical Parameters on June 11, 2015. In this paper, the development of the background of the specification, needs, standardized equipment, radio channel technical parameters, transport level, the uplink transmitter and receiver, downlink transmission, downlink reception, OFDM technology parameters, OFDMA technical parameters, PHY-MAC fusion, proactive network maintenance are introduced. This article also relates to the network planning technical parameters of DOCSIS 3.1 in the technical specifications, and the cable television network operator deployment strategies are discussed.

Key words:DOCSIS 3.1；CMTS；CM；OFDM；OFDMA；LDPC

中圖分類號:TN949

文獻標志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.023

收稿日期：2015-08-05

文獻引用格式：凌明偉，李遠東.DOCSIS 3.1最新PHY技術參數及運營商部署策略探討[J].電視技術,2016，40(3)：107-110.

LING Minwei,LI Yuandong.Newest version of DOCSIS 3.1 PHY parameters and deployment strategy discussion[J].Video engineering,2016,40(3)：107-110.