MCNS/DOCSIS纜線數據機簡介
暨南大學
電機工程研究所
饒敬國2002/8/23
s0323516@ncnu.edu.tw
1-1.纜線數據機的上行和下行
在纜線數據機這個系統中，上行和下行資料的傳輸是以FDD ( Frequency Division Duplex )來做為多工的方法，也就是說它將上行的頻帶和下行的頻帶分開，來分別傳送資料。同軸電纜的頻寬相當大，上行的頻帶為5∼42 MHz，下行的頻帶為50∼860 MHz。但是在上行的頻帶通道效應並不好，有許多雜訊會發生在這個頻率。下行頻帶跟上行頻帶比較起來除了擁有更大頻寬外它的通道效應也穩定許多。圖一表示了纜線數據機的傳輸頻譜，在下行頻帶中的50∼550 MHz這個部分是目前類比的電視信號在使用，而數位信號則是運用550∼860 MHz的頻帶。
圖1. 纜線數據機傳輸頻譜
1-1-1.下行( Downstream )
纜線數據機在下行的頻帶上是以每6 MHz切分為一個通道(channel)，MCNS/DOCSIS 的錯誤更正碼(FEC Code)是依據ITU-T J-83 Annex B的規定，並且使用採用未來數位電視所採用的MPEG-2
framing壓縮格式，因此未來可以將數位電視和網際網路的資料進行整合。
在下行系統因為通道雜訊低，所以採用64-QAM或256-QAM調變技術，而傳送的資料率(Data
Rate)則會因為使用的錯誤更正碼的不同而有27∼52 Mbit/s不等的資料率。下表說明下行通道的特性。
表一：下行
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Frequency |
50∼860MHz in USA |
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Bandwidth |
6 MHz in USA |
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Symbol Rate 64-QAM 256-QAM |
5.056941
Msym/sec 5.360537
Msym/sec |
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Data Rate |
27∼56 Mbit/sec (dependent
on the modulation and FEC) |
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Modulation |
64-QAM，256-QAM |
表二：上行
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Frequency |
5∼42 MHz in USA |
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Bandwidth |
TDMA: 200, 400,
800, 1600, 3200 and 6400 kHz S-CDMA: 1600,
3200 and 6400 kHz |
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Modulation Rate |
TDMA: 160, 320,
640, 1280, 2560 and 5120 kHz S-CDMA: 1600,
2560 and 5120 kHz |
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Modulation |
QPSK, 8-QAM,
16-QAM, 32-QAM, 64-QAM 128-QAM |
1-1-2.上行( Upstream )
在上行的傳輸跟下行比以來就複雜許多，因為上行的5∼42MHz的頻帶容易受到業餘無線電廣播(Ham)，還有干擾(Ingress)、微反射(Microreflection)等的雜訊干擾，因此需要對這些雜訊更堅實(robust)的調變技術。
在DOCSIS
1.1是利用16-QAM或是QPSK來做為上行的調變技術，不過由於以此調變技術對於傳送的資料速率約2.56 Msym/sec還是太慢了，因此CableLabs在2002年的時候將繼之前DOCSIS 1.0, 1.1推出第三代新的纜線數據機標準” DOCSIS 2.0 ”。
在DOCSIS
2.0中主要的變化就是在上行的實體層(PHY)部分作改進，它採用了FA-TDMA (frequency-agile
time division)以及S-CDMA (synchronous code
division multiple access)來做為其多工存取的方式，而調變方法還是使用QPSK，16-QAM。這部分的改進使得速率提升為5.12 Msym/sec，為之前大大地提昇了一倍左右。由上表二說明了這兩種方法的參數。
FA-TDMA (又稱A-TDMA ; Advanced-TDMA )是Broadcom這家公司所主推的規格，它是延續了DOCSIS 1.0以來上行使用TDMA的技術，再加上由CMTS端先對上行通道作評估，上行信號傳送的頻率可以機動調整，如此可以避開效果比較不好的頻帶，所以稱為 ” frequency agile ”。這個方法的好處是可以避免上行通道的ingress noise，而且延續之前DOCSIS 1.1上行使用TDMA的技術規格。而缺點則是需要在頭端(Head-end)先對通道做評估，並且TDMA對於impulse/burst noise的效應很敏感。
S-CDMA則是另一家大廠Terayon所提出的技術，它是利用展頻的技術將資料以CDMA的方式傳送，並且是以同步(synchronous)的方式傳送所以它可以採用正交碼(orthogonal code)來將信號展開，並且可將MAI (multiple access interference)降低。使用S-CDMA的優點是它對於ingress或是impulse/burst noise有較強的抵抗能力，如此可以增加系統在上行時的速度及容量。但是因為S-CDMA必須使得在接收端時每一個纜線數據機的信號均要同步到達，不然各使用者間的展頻碼將不再正交，如此MAI的問題便出現了，所以它的缺點就是系統對於正交碼的同步的技術工作必須做的很準確，電路複雜度便需相對的提高了。
1-2.纜線數據機協定層
纜線數據機從最基層的調變方式到高層網路端的協定，都需要遵照DOCSIS所訂定的標準，依循此協定纜線數據機才可跟外界的網際網路來溝通。就跟我們熟悉的網路協定OSI ( open systems interconnection )七層模型一樣，DOCSIS纜線數據機也有自己的協定模型，如下圖2所示。
圖2.
DOCSIS纜線數據機協定層
由上圖我們可以發現這個協定層又還分為兩組，其中較低的那四層的作用是纜線數據機( CM )，和纜線數據機終端系統( CMTS )溝通的協定。而較高的協定像是IP或是更高的那幾層是纜線數據機用來和外界的IP網際網路溝通用的協定層。接下來將會對下面四層( DOCSIS protocol layers )做更清楚的介紹，並將重點放在MAC層如何對纜線數據機上行信號的控制。
1-2-1.實體層協定( Physical Layer Protocol )
實體層就是數據機將0與1的數位信號調變轉換成高頻的電氣訊號，因此在實體層中須定義上行通道和下行通道的頻率，以及其編碼及調變方式。這個部分在1-2節中已有介紹，所以便不再多述。
1-2-2.MPEG-2層
在纜線數據機的下行時，資料的壓縮方式是採用每188-byte 為一個框架(frame)的MPEG-2的壓縮格式，因為MPEG-2是未來數位電視所採用的壓縮格式，再加上有許多影音的訊號均使用此規格，因此未來纜線數據機可以將電視、電話和網際網路整合在一起。
CM在下行使用MPEG-2這表示了任何只要是以MPEG-2壓縮的資料(包括影像或聲音)可以跟DOCSIS CM的下行訊號使用同一個載波頻率。MPEG-2提供了一個結構這可以讓各個纜線數據機去認證以MPEG-2壓縮的封包(packets)，再將自己所要的封包加以解碼而得到自己所需要的資料，這個結構稱為PID (program identifier)。DOCSIS已經宣佈了任何以0x1FFE這個值的PID就是DOCSIS纜線數據機專屬的資料，所以DOCSIS 纜線數據機只會對於有這個PID值的MPEG-2封包有作用。
另外MPEG-2的框架結構還提供了一個可以讓系統容易同步的方式。MPEG-2的frame有188個byte，其中有一個同步的byte在傳送時可以讓各個數據機容易對於整個資料串的進行同步的功用。
1-3-2.MAC協定層( MAC Layer Protocol )
MAC層的主要功用就是控制CM到CMTS上行通道的存取。因為在系統中有可能同時有好幾個數據機需要傳送上行資料給CMTS，此時CMTS就需要透過MAC協定來指定「那一個數據機」在「什麼時間」、「什麼頻率」可以傳送資料。如果CM沒有一個協定間各自傳送自己的資料，資料間將會有「碰撞」(collision)的現象發生，這樣子的系統資料的傳送將會很沒有效率。
所以DOCSIS的MAC層採用了「要求/允許」(request/grant)的協定架構。這個協定的做法是，CMs先向CMTS要求要傳送資料，當CMTS接收到所有要傳送資料的CM的要求後，CMTS會在上行通道上對每一個CM保留一指定的mini-slot讓CM傳送資料，這就是允許的意思。由於有這個協定機制所以每一個數據機都有一個自己特定的minislot去傳送資料，而不會產生碰撞的情況。
剛剛說明了CM在上傳資料時因為有CMTS分配一特定的頻寬所以不會有碰撞的情況發生，但CM在上行通道要做「要求」時CMTS的做法是每隔一小週期，CMTS會在上行通道分配一小段時間給數據機去傳送「要求」。所以數據機在做要求的時候，必須和其它的數據機間做競爭，看誰能先搶到這個要求，因此數據機再做要求時會有跟其它數據機發生「碰撞」的情況。不過CMTS可以適時地變化調整「要求」的delay和頻率，如此可以減少碰撞的機會。
當CM向CMTS送出上傳的要求之後就要等待CMTS的允許，這段期間CM會一直偵查下傳的信號，首先偵測到MPEG-2框架後CM會用PID將框架做認證並加以解碼把MPEG-2的框架剝除，留下需要的MAC層信號。
收到MAC信號後CM所要做的是要取得MAC中的三個參數來達到上行的目的。這三個參數分別是(1) SYNC，(2) UCD，(3)
MAP。
(1)
第一個接收到的信號是SYNC，SYNC是一個時間同步的參數信號，它是由CMTS所提供給所有的CM做為參考時間的信號。
(2)
第二個信號是上傳通道的描述信號UCD (Upstream
Channel Descriptor)。UCD指示了各個CM所能上傳信號的頻率範圍以及調變技術，所以CM是不可以任意的改變調變技術，或是上傳頻率的。
(3)
最後一個信號是MAP，MAP信號包含了mini-slot的一些資訊像是可以上傳mini-slot的時間，它並且指示了何時可以上傳以及可以上傳多久。
在得知這三個信號之後CM便可以依循著MAC的指示來上傳信號。在上傳的過程中雖然各個CM離CMTS間的距離不一，所以難免產生時間偏移或是頻率偏移，但是每個CM跟CMTS的距離卻是固定的， 因此CM會利用MAC層來對CMTS做「Ranging」的動作。Ranging可以提供下面三個功能：
(1) 微調CM和CMTS的參考時間
(2) 微調傳送頻率
(3) 微調傳輸信號的功率
MAC層除了對於CM間上傳的信號控制之外還有一些有關IP的建立，以及對於下傳信號的註冊( Registration )的功用，在這裡我並不介紹。
1-2-3.資料加密層( Data Link Encryption )
資料加密層是用來保護使用者的資料，因為纜線數據機的網路是頻寬共用的，因此需要將使用者的資料加密用來防止惡意使用者的入侵。當數據機註冊後，要傳送資料時會對資料加密來保護資料安全(只有在CM和CMTS間有加密的效果)。而DOCSIS定義了Baseline Privacy
Interface ( BPI )，來做到加密的效果。
1-3.結語
目前寬頻數據傳輸的服務的兩大主流分別是有線電視業者推動的cable modem (纜線數據機)，以及電信業者推動xDSL (數位用戶迴路)。目前在台灣由於cable modem的雙向數據傳輸並不普及，因此xDSL在寬頻傳輸市場上相較於cable modem較受使用者歡迎。
不過漸漸地在有線電視業者雙向式網路基本架構構築好之後，加上未來運用在纜線上的網路電話( VoIP )，可預見的未來有線電視業者將來可將視訊、數據、語音三種服務整合至cable
modem中，因此纜線數據機的未來發展潛力看好。
因為MCNS/DOCSIS對於纜線數據機的規格定義相當的嚴謹，加上Cable Labs對於纜線數據機的認證工作嚴格，要進入纜線數據機晶片組的開發難度很高，能提供纜線數據機完整晶片組不外乎Broadcom、Terayon這幾家大廠，不像xDSL晶片般百家爭鳴。因此要分食纜線數據機這塊寬頻市場大餅，唯一的途徑便是技術不斷的累積才能迎頭趕上。