DOCSIS 3.1最新PHY技术参数及运营商部署策略探讨

凌明伟，李远东

(1. 浙江传媒学院，浙江 杭州 310018；2. DVBCN，上海 201100)

DOCSIS 3.1最新PHY技术参数及运营商部署策略探讨

凌明伟1，李远东2

(1. 浙江传媒学院，浙江 杭州 310018；2. DVBCN，上海 201100)

摘要:2015年6月11日，CableLabs(美国有线电视网络实验室)发布了最新版的DOCSIS 3.1物理层技术规范，对制定该规范的背景、需求、设备、射频信道技术参数、传输电平、上行发射与接收、下行发射、下行接收、OFDM技术参数、OFDMA技术参数、PHY-MAC融合、主动网络维护进行了介绍。还对该技术规范中涉及DOCSIS 3.1网络规划的技术参数进行介绍，并对有线电视网络运营商的部署策略进行探讨。

关键词:DOCSIS 3.1；CMTS；CM；OFDM；OFDMA；LDPC

1DOCSIS 3.1概述

当下，消费者对高质量电视广播内容、高带宽流媒体电视内容、实时交互式游戏以及远程家庭监控的需求越来越大，这就需要双向有线电视网络运营商大幅提高入户带宽[1-2]。在此背景下，欧美有线电视网络运营商加快了对于最新一代双向接入技术DOCSIS 3.1的现网部署进程[1,3]。相对于DOCSIS 3.0，DOCSIS 3.1在接入速率、体验质量、系统容量、CM终端能效等方面均有很大提升[2]。

全球最大的两大有线电视网络运营商Comcast Cable(美国)及Liberty Global(欧洲)将于2016年大规模部署DOCSIS 3.1技术[1,4]。截至2015年6月9日，至少有10家欧洲有线电视网络运营商正在将其双向HFC网络升级至1.2 GHz系统，以为规划中的DOCSIS 3.1现网部署做前期准备[5]。IHS在2015年7月28日发布的报告中称，通过调研发现：有线电视网络运营商们希望在2017年4月之前，其部署的DOCSIS 3.1接入网系统能覆盖到其1/3的用户[3](笔者注：大致有1 700万家庭用户)；一半的受访有线电视网络运营商表示将在2017年将其双向有线电视宽带接入网络的上行信道截止频点提升至86～100 MHz[3]；甚至，高达1/4的受访有线电视网络运营商表示将在2017年将其双向有线电视宽带接入网络的上行信道截止频点提升至101～200 MHz[3]。

DOCSIS 3.1技术沿用了现有DOCSIS技术的MAC层与物理层，使之与现有物理层后向兼容，从而保证平滑迁移：DOCSIS 3.1的CM终端可以无缝地接入DOCSIS 3.0、2.0、1.1以及1.0的CMTS；DOCSIS 3.1的CMTS可以支持无缝地接入DOCSIS 3.0、2.0以及1.1的CM[6]。

此外，DOCSIS 3.1还设计了全新的物理层来提高频谱效率与可用物理带宽，同时还对MAC层及管理层进行了相应的更新[6]。

2功能

2.1设备

1)频率规划

上行系统的截止频率可以是54 MHz、87.5 MHz、108 MHz或者258 MHz。下行系统典型的截止频率范围是550 ～1 002 MHz，未来有望扩展至1 218 MHz、1 794 MHz及更高的频点。

2)与其他业务的兼容性

DOCSIS 3.1的CMTS以及CM必须均能与有线电视网络中其他正常运行的业务共存。

3)故障隔离

由于DOCSIS 3.1的CMTS是点到多点的共享媒质系统，就需要考虑故障对于“海”量数据用户、视频用户等的潜在有害影响，并考虑故障隔离程序。

2.2射频信道

按照双向有线电视网络的上下行信道的技术参数配置，DOCSIS 3.1系统须至少采用其中一组物理层参数(比如调制、交织深度等)。

1)下行传输

双向有线电视网络下行信道的传输特征见表1[6]。

2)上行传输

双向有线电视网络上行信道的传输特征见表2[6]。

3DOCSIS 3.1的单载波QAM调制PHY子层

DOCSIS 3.1系统的CM或CMTS在以下两种情况下启动单载波QAM调制PHY子层：与DOCSIS 3.0系统后向兼容时；DOCSIS 3.1全新物理层功能出现故障时。主要的区别在于，DOCSIS 3.1系统的CM或CMTS至少要支持24个下行信道绑定及8个上行信道绑定，而DOCSIS 3.0系统的CM或CMTS至少支持4个下行信道绑定及4个上行信道绑定。

此处，实施单载波调制的场景包括：DOCSIS 3.0系统及更早DOCSIS版本系统的下行信道；DOCSIS 3.0系统及更早DOCSIS版本系统的上行信道(采取TDMA、A-TDMA及S-CDMA技术)。

此时，上行传输与接收、下行传输这两者的技术参数与DOCSIS 3.0版本物理层相同。对于前者的相关技术参数，如表3[6]所示。

4DOCSIS 3.1的OFDM调制PHY子层

4.1下行频谱规划

1)CMTS的下行频谱规划

CMTS必须要能支持两个独立配置的、下行带宽分别为192 MHz的OFDM信道：CMTS必须支持的最高截止频率为1.218 GHz，可以支持的最高截止频率为1.794 GHz；CMTS必须支持的最低截止频率为258 MHz，可以支持的最低截止频率为108 MHz。

表1双向有线电视网络下行信道传输特征

参数数值频率范围双向有线电视网络下行信道的典型工作频段为54～1002MHz。下行信道扩展型工作频段中:最低频点为108MHz及258MHz,最高频点为1218MHz及1794MHzRF信道间隔(设计带宽)24～192MHz从前端到最远用户的单向传输时延≤0.400ms(实际要远小于该数值)信号与复合噪声功率比≥35dBC/CTB≥41dBC/CSO≥41dB载波交调功率比≥41dB载波与侵入噪声功率比≥41dB6MHz数字信道内的振幅变化≤1.74dBpk-pk/6MHz群延迟变化≤113ns(24MHz带宽内)微反射反射时长≤0.5μs时:-20dBc;反射时长≤1.0μs时:-25dBc;反射时长≤1.5μs时:-30dBc;反射时长≤2.0μs时:-35dBc;反射时长≤3.0μs时:-40dBc;反射时长≤4.5μs时:-45dBc;反射时长≤5.0μs时:-50dBc载波交流声调制≤-30dBc(3%)模拟视频输入CM的最大载波电平17dBmV最大模拟载波个数121

2)CM的下行频谱规划

CM必须要能支持两个独立配置的、下行带宽分别为192 MHz的OFDM信道：CM必须支持的最高截止频率为1.218 GHz，可以支持的最高截止频率为1.794 GHz；CMTS必须支持的最低截止频率为258 MHz，可以支持的最低截止频率为108 MHz(当CM所配置的上行截至频率为85 MHz或更低时)。

4.2上行频谱规划

1)CM的上行频谱规划

CM必须要能支持两个独立配置的、下行带宽分别为96 MHz的OFDM信道。作为可选项，也可支持多于两个的、下行带宽分别为96 MHz的OFDM信道。

表2双向有线电视网络上行信道传输特征

参数数值频率范围双向有线电视网络上行信道的典型工作频段为5～42MHz或5～65MHz。上行信道扩展型工作频段为5～85MHz、5～117MHz及5～204MHzRF信道间隔(设计带宽)24～192MHz从最远用户到前端的单向传输时延≤0.400ms(实际要远小于该数值)载波与干扰信号及侵入噪声信号功率比≥25dB6MHz数字信道内的振幅变化≤2.78dBpk-pk/6MHz群延迟变化≤163ns(24MHz带宽内)微反射反射时长≤0.5μs时,-16dBc;反射时长≤1.0μs时,-22dBc;反射时长≤1.5μs时,-29dBc;反射时长≤2.0μs时,-35dBc;反射时长≤3.0μs时,-42dBc;反射时长≤4.5μs时,-51dBc载波交流声调制≤-26dBc(5.0%)季节与昼夜反向增益变化最大值-最小值≤14dB

表3DOCSIS 3.1相关技术参数

参数数值频率范围5～42MHz,5～65MHz,5～85MHz信号类型TDMA、S-CDMA(可选)调制方式QPSK、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM、128QAM调制率(标称)TDMA:1280,2560,5120kHzS-CDMA:1280,2560,5120kHz可选的pre-3.0-DOCSIS运行TDMA:160,320,640kHz带宽TDMA:1600,3200,6400kHzS-CDMA:1600,3200,6400kHz可选的pre-3.0-DOCSIS运行TDMA:200,400,800kHz电平CM的平均输出总功率≥65dBmV输出阻抗75Ω输出反射损耗>6dB5fmax=42/65/85/117/204MHz;>6dBfmax=1218MHz;>6dBfmax=1.794GHz(对于具有相关能力的CM终端)连接器遵循ISO/IEC-61169-24标准或者SCTE02标准的F头

CM调制器必须能支持上行5～204 MHz(最低频点，其余频点还包括42 MHz、65 MHz、85 MHz、117 MHz。也可额外支持高于204 MHz的频点——此时，CM必须传输192 MHz的活跃信道)频段，并在此频段内灵活部署OFDMA信道。

在DOCSIS 3.1上行模式之下，CM必须具有同时传输OFDMA信道及传统单载波QAM信道的能力(在CMTS的控制之下)。在所有的应用场景之下，当上行信道的截止频率低于85 MHz时，CM无需传输传统的单载波QAM信道。

2)CMTS的上行频谱规划

CMTS必须要能支持两个独立配置的、下行带宽分别为96 MHz的OFDM信道。作为可选项，也可支持多于两个的、下行带宽分别为96 MHz的OFDM信道。

CMTS必须能支持5～204 MHz(最低频点，也可额外支持高于204 MHz的频点——此时，CM必须传输192 MHz的活跃信道)频段的上行传输，并在此频段内灵活部署OFDMA块。

在DOCSIS 3.1上行模式之下，CM必须具有同时传输OFDMA信道及传统单载波QAM信道的能力(在CMTS的控制之下)。在所有的应用场景之下，当上行信道的截止频率低于85 MHz时，CMTS无需传输传统的单载波QAM信道。

4.3信道频带规划原则

为确保DOCSIS 3.1 CMTS及CM的正常运行，OFDM/OFDMA信道规划应遵循以下的原则：

1)下行OFDM配置

DOCSIS 3.1的下行调制采用OFDM，包括4K FFT及8K FFT两种模式，采样率为204.8 MHz。详细技术参数如表4[6]所示。

表4下行OFDM技术参数

参数4K模式8K模式下行主时钟频率10.24MHz下行采样率fs204.8MHz下行基本周期Tsd1/(204.8MHz)信道带宽24MHz,…,192MHzIDFT40968192子载波间距50kHz25kHzFFT周期(数据符号周期)Tu20μs40μs192MHz带宽内数据子载波最大数目38007600首、末数据子载波的最大间距190MHz循环前缀0.9375μs(192×Tsd)1.25μs(256×Tsd)2.55μs(512×Tsd)3.75μs(768×Tsd)5μs(1024×Tsd)开窗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的上行调制采用OFDM的多用户版本——OFDMA技术，为相关CM分配若干个子载波用于上行通信。包括2K FFT及4K FFT两种模式，采样率为102.4 MHz。详细技术参数如表5[6]所示。

表5上行OFDMA技术参数

参数2K模式4K模式上行采样率fsu102.4MHz上行基本周期Tsu1/(102.4MHz)信道带宽10MHz…96MHz6.4MHz…96MHzIDFT20484096子载波间距50kHz25kHzFFT周期(数据符号周期)Tu20μs40μs192MHz带宽内数据子载波最大数目19003800循环前缀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)开窗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)调制格式

DOCSIS 3.1的CMTS调制器必须能支持16QAM、64QAM、128QAM、256QAM、512QAM、1024QAM、2048QAM以及4096QAM，并可选支持具有更高调制阶数的8192QAM及16384QAM。

DOCSIS 3.1的CM解调器必须能支持16QAM、64QAM、128QAM、256QAM、512QAM、1024QAM、2048QAM以及4096QAM，并可选支持具有更高调制阶数的8192QAM及16384QAM。

5信道编码

DOCSIS 3.1的FEC所采取的是先进的三准循环LDPC编码技术(与之对比，DOCSIS 3.0所采取的是RS编码技术)，以软、硬件结合的形式来实现，从而可增大噪声环境中的纠错能力，并降低了仅以软件方式来实现LDPC编码时CMTS的工作负荷[1,5]。而且，三准循环LDPC编码的译码复杂度较低，结构灵活，相关的主要技术参数如表6所示[6]。

表6信道编码相关技术参数

码型码率码字长度/bit信息码位数/bit奇偶码位数/bit长码89%(8/9)16200144001800中码85%(28/33)59405040900短码75%(3/4)1120840280

6有线电视网络运营商的部署策略探讨

DOCSIS 3.1最新的物理层PHY标准确定了最高的子载波调制格式为16384QAM。但是，在实际的有线电视网络现网之中，由于模拟光纤链路及双向电放大器的长级联链路的存在，CNR的性能很难达到采用1024QAM、512QAM甚至512QAM调制的水平。从而，为获得10 Gbit/s的下行接入速率，就需要对双向HFC系统进行升级(比如升级至1 794 MHz系统)，但是扩展现网底层频谱资源存在很大的挑战。

为此，有线电视网络运营商可以采取如下的策略：

首先，可以继续实施模数转换甚至部署全数字电视业务，以“释放”出更多的频谱资源。

其次，通过适当增大发射端的光调制度来提高下行链路的CNR。

再次，可继续“下沉”部署双向光节点，以提高CNR，减小失真，从而提高频谱效率。但是，由于上行链路的CNR性能受限于模拟光纤系统，就无法大幅地提升频谱效率。

因此，第四步可规模部署远端PHY架构，以提高系统CNR，从而进一步减小频谱资源需求。此外，还可在此架构上部署复用/解复用功能，以支持部署双向光节点“下沉”部署，而且不会降低MER性能。于是，上行链路的MER性能就可以不再依赖于光纤链路长度以及双向电放大器的级联数了。

参考文献：

[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.

责任编辑：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

中图分类号:TN949

文献标志码:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.023

收稿日期：2015-08-05

文献引用格式：凌明伟，李远东.DOCSIS 3.1最新PHY技术参数及运营商部署策略探讨[J].电视技术,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.