Facultatea de Electronica,Telecomunicatii si Tehnologia Informatiei

Universitatea Politehnica Bucureesti

RETEAUA HFC

CATRINA MIHAI CRISTIAN

CIRSTEA VALENTIN

441A

1

CUPRINS

1.Introducere...........................................................................3(Catrina Mihai Cristian 441A)

2.Reteaua HFC de acces............................................................5(Catrina Mihai Cristian 441A)

3.Amplificatoare de radiofrecventa...........................................8(Catrina Mihai Cristian 441A)

4.Bidirectionalitate in retelele HFC...........................................11(Cirstea Valentin 441A)

5.Intelegerea specificatiilor DOCSIS in retelele HFC..................15(Cirstea Valentin 441A)

2

1.Introducere

Arhitectura Hybrid-Fibre-Coax (HFC), a fost adoptata de majoritatea operatorilor de cablu de servicii de internet, telefonie și serviicii multimedia. Înțelegerea performanței componentelor individuale dintr-o rețea HFC este importanta pentru a estima impactul lor asupra semnalelor de comunicare în calea de întoarcere (de la client la headend).

Tema oferă o introducere în arhitectura și componentele de bază ale caii de întoarcere a unei rețele HFC. Pe lângă aceasta se va obține o perspectivă asupra unor diferite surse de interferență, influența lor asupra semnalelor de comunicare, precum si unele tehnici adecvate de atenuare.

Reteaua HFC are la baza reteaua CATV (Community Antenna TeleVision)care a fost, initial, creata pentru a furniza servicii TV analogic (unidirectional de la headend pana la abonat) (Figure 1). Headend-ul are douasemnificatii in terminologia operatorilor de cablu: prima dintre ele se refera la echipamentul care face posibila receptionarea semnalelor pentru procesare si distributie printr-un sistem de televiziune prin cablu, iar cea de-a doua descrie facilitatile în care echipamentul instalat converteste semnalele receptionate într-un format corespunzator pentru a fi trimise in reteaua CATV.

3

Semnalele erau preluate folosind antene terestre prin satelit și distribuite folosind o rețea bazata pe coaxial. Primele implementari au inceput prin anii ‘30 ai secolului 20. Pana in anii ’90, au fost mii de mici rețele în toata Europa, multe dintre acestea sunt acum consolidate în entități mai mari.

Amplificatoarele sunt folosite pentru a compensa atenuarea cablului coaxial. Dependența de frecvența e, in mod normal, compensatade egalizarea filtrelor din amplificatoare. Oricum, lungimea cablului dintre amplificatoare nu trebuie sa fie foarte mare, astfel încât, semnalul de intrare din amplificator sa fie mai mare decat nivelul de zgomot. Acesta este principalul motiv cu care operatorii de cablu s-au confruntat atunci cand era vorba sa se extinda spectrul de frecvente peste 1 GHz. Era necesara reducerea distantei dintre amplificatoare care ar necesita o completare a re-implementarii retelei CATV. Ca o consecinta, se poate concluziona ca spectrul de frecvente a unei retele CATV sau HFC e limitat in prezent pana la 1 GHz.

Numarul de amplificatoare si de tap-uri au fost alese, astfel incat, fiecare casa conectata la o retea CATV receptioneaza semnalul TV similar din punct de vedere al calitatii. Un numar mare de case ( ex. Intre 50 000 si 1.6 milioane) pot fi furnizate de un singur headend.

Pana la sfarsitul ’90, cele mai multe retele CATV au fost convertite in arhitecturi HFC ( hybrid fibre-coax) in scopul de a permite comunicarea bi-directionala.

4

2.Reteaua de acces HFC

Din punct de vedere al arhitecturii, reteaua HFC, este compusa din fibra optica si cablu coaxial ca in figura.

Principalele componente ale unei retele HFC sunt urmatoarele:

5

1.Headend-ul

2.Fibra optica

3.Cablu coaxial

4.locatia clientului

Headend-ul comunica printr-un inel de fibra optica cu nodurile optice, unde semnalele sunt transformate in electric si transmise prin cablu coaxial pentru a fi tranportate la locatia abonatului.

O alta componenta importanta in afara celor 4 este CMTS-ul care oferă legătura dintre echipamentul headend și sistemul de cablu.In traducere

libera,denumit sistemul terminator al modemului de cablu, asigura (la capatul de la provider) multe din functionalitatile asigurate de DSLAM într-un sistem DSL. CMTS-ul ia traficul care vine de la un grup de clienti pe un canal si il ruteaza catre un provider de servicii Internet pentru a se realiza conectarea. La

6

acel capat, providerii vor avea servere pentru jurnalizare si administrare, server DHCP (pentru alocare dinamica de IP-uri utilizatorilor de cablu) si servere de control pentru un protocol numit Specificatii de interfata pentru serviciul de date pe cablu (DOCSIS), standardul de baza în S.U.A. pentru a asigura accesul la Internet a utilizatorilor.

Legatura dintre partea de fibra optica si coaxial se realizeaza printr-un nod optic.

Nodul optic este conectat de doua fibre optice la un inel optic ( in practica se folosesc 4 pentru redundanta), una pentru semnalul de upstream si una pentru semnalul de downstream.

Informatiile de tip analog si digital sunt transmise prin fibra optica prin modularea unei purtatoare sinusoidale. Simplificand lucrurile, lumina este trimisa mereu si fluctuatia ei este cea care ii spune receiver-ului ce fel de informatie transmite sender-ul.

In nodul optic, doua conversii sunt executate: semnalul optic este convertit intr-un semnal electric de un fotodetector si filtrul diplex pune doar semnalul de downstream pe cablul coaxial; semnalul de upstream de la intrarea coaxiala a nodului optic este de asemenea filtrat de cealalta parte a filtrului si trimisa ca intrare laserului pentru a fi modulata lumina semnalului in fibra de upstream.

7

Partea de distributie pe cablul coaxial are rolul de a furniza semnalele de downstream in casele abonatilor si de a transporta semnalul de upstream venind din case, inapoi in nodul optic.Pentru a avea un semnal de calitate,fara pierderi mari se plaseaza in functie de distanta amplificatoarele care compenseaza atenuarea cablului coaxial.

3.Amplificatoarele de radiofrecventa

Principiile unui amplificator RF ideal

Funcția de bază a unui amplificator de putere este întotdeauna aceeași: de a stimula un semnal de putere mica la un semnal de nivel de putere mai mare, pentru a fi livrate la sarcina amplificatorului.

Pentru că acest rol este atât de fundamental, este necesar sa vizualizam amplificatoarele ca dispozitive simple black-box, cu o intrare, o ieșire, și un factor de amplificare constant. In multe cazuri, abordarea black-box oferă o imagine adecvata. Aceasta nu reușește, cu toate acestea, în cazul în care cererile introduse pe un amplificator sunt extreme. Cel mai greu este de satisfacut cerința de capacitate maximă de doi sau mai multi parametrii conflictuali, cum ar fi necesitatea pentru o lățime de bandă largă, 870 la 1.000 MHz si putere mare, în același pachet,cu ieșire de la 46.0 la 48.0 dBmV.

8

Selectarea unui amplificator potrivit, de obicei, ncesita alegerea unei cai directe și a unei cai de întoarcere. Calea directa a unui amplificator necesara nevoilor de astăzi este fie de 50-750, 50-870 sau de 50 la 1000 MHz lățime de bandă. Calea de întoarcere poate fi între 5 40/42 sau 5-65 MHz.

Filtrele bidirecționale de pe amplificatorul RF, pot produce unele probleme pe canalul 2. Această problemă este cauzată de filtru bidirecțional atunci cand se intarzie informațiile între transportatorul Imagine de canal 2, situat la 55,25 MHz și informațiile color , situate la 3.59 MHz deasupra transportatorului imagine sau 58.84 MHz. Aceasta problemă se numește intarziere de grup.Specificația întârzierii de grup este dată în nanosecunde.

În cele mai multe cazuri la amplificatoarele RF moderne, întârzierea de grup este în jur de 30 de nanosecunde pe amplificator la canalul 2, întârzierea devine mai buna odata cu creșterea în frecvență. Dacă aceasta intarziere merge dincolo de 250 nsec din cauza cascadării amplificatoarelor RF, veți vedea ca acea culoarea nu a fost de afișata în mod corespunzător în interiorul imaginii.

O cascadă de 10 amplificatoare cu intarziere 30 de nanosecunde ar da un grup de 300 ns întârziere, ceea ce ar putea însemna o problemă.

Astăzi, amplificatoarele RF necesită câștig din plin . Nu se intalnesc rar in ziua de azi amplificatoare care operează între 30-45 dB de câștig la 750, 870 sau 1.000 MHz. Ele necesită, de asemenea, un nivel de ieșire mare, între 42-48 dBmV la frecvente mai inalte. Necesitatea unui amplificator de mare câștig vine în principal din cauza fapului că, este mai economic să păstram locația

9

veche amplificatorului și doar sa inlocuim vechiul amplificator cu amplificatoare cu câștig corespunzator.

Cele mai multe amplificatoare de astăzi utilizeaza fie dubla alimentare sau circuite de amplificare cu GaAs in stadiul lor de ieșire. Circuit de GaAs oferă o capacitate de 3 dB mai bună la ieșire decat circuitele cu dubla alimentare.

Amplificatoarele cu GaAs au, de asemenea, un punct de compresie mai mare decat amplificaoarele cu dubla alimentare.

Deoarece cablu coaxial este dependent de frecvență, pierderile la mare frecvență (750, 870 sau 1000 MHz) sunt mult mai mari decât pierderile la mica frecvență, 50 MHz, ceva de genul 4.2 la 1 pentru sistemul de 750 MHz, 4.6 la 1 pentru sistemul de 870 MHz și 4,9 la 1 pentru sistemul de 1.000 MHz.

Această diferență va provoca o mare diferenta de nivel la intrarea in următorul amplificator. Cu această mare diferență de nivel între frecventele mici si frecventele inalte, amplificatorul viitor va necesita un egalizator prin cablu la intrare lui, egalizator care va aduce tot semnalul la un nivel plat înainte de a lovi primul circuit de amplificare. Când schimbarile de temperatură sunt mari, este o bună practică sa echipam amplificatorul RF cu un circuit AGC. (Automatic Gain Control)

Pentru a furniza curent continuu la amplificatoarele in cascada exista doua metode. Cea mai veche și cea mai utilizată metoda este denumită Standard Poowering PS, unde PS este convertit la 110 VAC fie la 60 sau 90 VAC. Astăzi, industria folosește standby-P.S. în cazul în care bateriile de alimentare in tensiune DC, sunt apoi transformate in tensiune AC.

10

Amplificatoare RF nu sunt dispozitive perfecte,nu dau numai castiguri, cauzeaza de asemenea unele probleme la calitatea semnalului livrat de sistemele de bandă largă HFC.Unele dintre principalele probleme ale amplificatoarelor provoacă:

• distorsiuni de ordin 2

• distorsiuni de ordin 3 (3th).

• distorsiuni Cross Modulation (XM).

• distorsiuni compozit de ordinul 2 (CTB).

• distorsiuni compozit de ordin 2 (CSO).

• distorsiuni de zgomot (C / N).

• distorsiuni Hum (HUM).

Pentru a avea o imagine de bună calitate într-un sistem de bandă largă moderna la toți clienții , distorsiunile maxime acceptate au urmatoarele nivele:

Second Order. -51.0 dB Third Order. -51.0 dB Cross Modulation. -48.0 dBThird Order Composite. -51.0 dBSecond Order Composite. -51.0 dBCarrier to Noise. +48.0 dBHum Modulation. 34.0 dB or 2%

4.Bidirecționalitatea în rețelele HFC

Un sistem HFC este un sistem de operare bidirecțional, alocările de frecvență fiind:

• De la Headend către abonați: 50 - 750, 870, sau 1000 MHz

11

• De la abonați la headend: 5 până la 40, 42 sau 65 MHz

Rețeaua UPC folosește în prezent 5-65 MHz pentru frecvențe retur,iar pentru downstream utilizează frecvențe de la 85 la 1.000 MHz.

Pentru că o cale de întoarcere la un Broadband System funcționeaza pe un concept de câștig unitar, sistemul trebuie să determine revenirea la un nivel de intrare necesar de la fiecare echipament activ (amplificator și nod). Acest nivel de intrare retur este de obicei între: 15 pâna la 20 dBmV . Nivelul de intrare retur trebuie să fie la ieșirea din locuința clientului. Imediat ce nivelul de funcționare este determinat ,este foarte important să utilizăm un test point la returul echipamentului de emisie folosit pentru această operațiune.

Nivelul real la intrarea amplificatorului se va schimba în funcție de tipul de amplificator utilizat. Aceste amplificatoare pot fi Line-Extender,Mini-Bridger și amplificatoare de distribuție.

Un sistem de bandă largă HFC utilizează două tipuri de tehnologie de comunicare:

• Tehnologia fibră optică este folosită pentru a transporta semnal pentru distanțe lungi. De obicei, o fibră transmite semnal înainte (50 - 870 MHz de la headend la un nod optic și semnal de retur (5-40 MHz) de la o nod la headend.

12

• Cablul coaxial este folosit de la nodul și se transmite în ambele direcții (50-870 / 5-40 MHz), de la Nodul optic la fiecare abonaților.

Nodul optic transferă semnal luminos, care vine de la headend, la semnal electric (RF și Digital), trimiterea acestor semnale făcându-se la fiecare abonat prin cablu coaxial. Nodul optic transferă de asemenea semnal electric(RF și Digital) de la toți clienții la headend.

Toate nodurile optice trebuie să fie echipate cu o foto-diodă pe calea directă, un filtru bidirecțional la fiecare ieșire din sistemul coaxial pentru a permite unui sistem HFC să funcționeze într-un mod bidirecțional și să returneze un laser care să transmită semnal de întoarcere spre headend.

Toate amplificatoarele RF trebuie să fie echipate cu un filtru bidirecțional la fiecare intrare și ieșiri pentru a permite un sistem de HFC să funcționeze într-un mod bidirecțional.

Nivelele TX si RX

Nivelul Tx este puterea în decibeli per miliwat(dBm) la care un modem transmite semnalul său.Nivelul Rx este puterea în dBm a semnalului receptionat.Server-ul modem-urilor transmite în mod normal la -13 dBm. În mod ideal, nivelul Rx ar trebui să fie în intervalul -18 și -25dBm. Dacă nivelul Rx este sub -25dBm, raportul semnal-zgomot(SNR) ar putea să scada ,ceea ce înseamna

13

că viteza va scădea de asemenea. Dacă nivelul Rx este prea mare ,este posibil să vedeți un semnal distorsionat sau receiver-ul Digital Signal Processor(DSP) suprasolicitat,și este posibil să avem conexiuni neregulate.

În unele standarde de modulație cum ar fi V.34,un receptor poate spune dacă nivelul semnalului este prea mare și transmițătorul va reduce apoi nivelul la care el transmite.Dacă acest comportament este des întâlnit ,transmițătorul trebuie configurat pentru a transmite la un nivel inferior. Modem-urile care folosesc alte standarde de modulație (cum ar fi K56 Flex), nu pot fi capabile să facă acest lucru și în consecință vor apărea probleme.

Pragurile minime si maxime de bună funcționare a serviciilor provizionate pe aceste device-uri:

14

Pe lânga nivelele de semnal ale CPE-urilor, s-au agreat și câțiva indicatori pentru monitorizarea performanței rețelei HFC:

Un sistem de operare Bidirecțional

15

5.Înțelegerea specificațiilor DOCSIS în rețelele HFC

Specificațiile de interfață a serviciilor de transport de date prin cablu DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) este un standard internațional dezvoltat de companii precum: CableLabs, ARRIS, BigBand Networks, Broadcom, Cisco, Conexant, Correlant, Intel, Motorola, Netgear, Terayon, și Texas Instruments. DOCSIS definește cerințele de interfață a suportului de comunicație și de operare pentru transportarea datelor prin sistemul de cablu. DOCSIS permite adăugarea transferului de date la viteză înaltă la o sistemă de televiziune prin cablu CATV (Cable TV) deja existentă.

Un sistem de operare de cablu cu modemuri de cablu necesită:

• Un HFC bidirecțional sau sistem CATV.

• Un CMTS(Cable Modem Termination System) de la headend-ul sau site-ul Hub.

• Un 100 BaseT sau conexiune mai bună la Internet sau servere.

• Un 6 MHz de 64 sau 256 QAM canal de date de operare de la: 88 la 870 MHz.

• Un 3.2 MHz de QPSK sau 16 QAM funcționează între 16-40 MHz pe secțiunea de retur a sistemului de DOCSIS 1.0.

• Cel puțin un modem de cablu instalat la un client pe sistem.

DOCSIS este implementat de mulți operatori de televiziune prin cablu pentru a oferi acces la Internet prin infrastructura lor hibridă fibră-coaxial HFC. Prima specificație DOCSIS era versiunea 1.0, editată în martie 1997, revizuită apoi în versiunea 1.1 în aprilie 1999. Din cauza creșterii cererii serviciilor simetrice, în timp real ca IP telefonia, DOCSIS iarăși a fost revizuită pentru a spori vitezele de transmitere upstream și capacitățile serviciului de calitate QoS (Quality of

16

Service). Această revizuire – DOCSIS 2.0 a fost lansată în decembrie 2001. Recent, specificația a fost revizuită pentru a mări considerabil vitezele de transmitere (de data aceasta atât upstream cât și downstream) și de a introduce suportul pentru IPv6 (Internet Protocol version 6). Această versiune, DOCSIS 3.0, a fost lansată în august 2006. Deoarece planurile benzilor de frecvențe alocate diferă între sistemele CATV din Statele Unite și Europa, standardele DOCSIS au fost modificate pentru utilizare în Europa. Aceste modificări au fost publicate sub denumirea de „EuroDOCSIS”. Diferențele de bază se reduc la lărgimile de benzi diferite a canalelor TV. Canalele de cablu europene se conformă standardelor TV PAL (Phase Alternating Line) și sunt de 8 MHz în lungime, iar canalele de cablu din America de Nord se conformă standardelor NTSC (National Television Systems Committee), care specifică 6 MHz.

DOCSIS 1.0

-Internet de mare viteză Acces.

-Caracteristici cheie: rate de transfer downstream între 27 și 36 Mbps pe o cale de radiofrecvență între 88 și 870 de MHz la o distanță de 6.0 MHz, dacă utilizați 64 sau 256 QAM ..

-Rata upstream de transfer de trafic de până la 10 Mbps pe o cale RF folosind 200 kHz și 3.2 MHz în gama de frecvențe 5-42 MHz .

DOCSIS 1.1

Tipurile de servicii oferite de DOCSIS 1.1 diferă de DOCSIS 1.0 prin următoareȘ

• QoS (Quality of Service) a fost adăugat .

• fragmentarea datelor, care permit servicii de voce, unde problemele de latență sunt mai mult de lățime de bandă mare

• actualizare de securitate

17

• Capacitatea de a pre-egaliza trafic upstream, dublând astfel calea inversă tranzitată (10 Mbps pe 3,2 MHz, față de 5 Mbps pentru DOCSIS 1.0)

DOCSIS 2.0

Capacitate pentru servicii simetrice adăugate de operare la 64 QAM și având noul 6.4 MHz Chanel reveni larg. Acesta a crescut lățimea de bandă pentru trafic.Rezultatul pentru transmisie upstream este 30.72 Mbps utilizând 64 QAM, care este de 3 ori mai bună decât DOCSIS 1.1 și de 6 ori decât DOCSIS 1.0. DOCSIS 2.0 este interoperabil și compatibil cu DOCSIS 1.x.

DOCSIS 3.0

Noul standard DOCSIS 3. 0 care dispune de IPv6 și canal de lagătură care permite canalelor multiple downstream și upstream să fie utilizate împreună, în același timp de către un singur abonat .

DOCSIIS 3.0 are viteză downstream este de 160 Mbps și 120 Mbps în upstream .

Canalul de lagătură este un aranjament în care două sau mai multe interfețe de rețea pe un calculator gazdă sunt combinate pentru redundanță sau debit crescut.

Rata de transfer

Majoritatea modemelor de cablu DOCSIS au restricții la ratele de încărcare (upload) și descărcare (download). Acestea sunt setate prin transferul unui fișier de configurare la modem, prin protocolul TFTP (Trivial File Transfer Protocol), când modemul prima dată stabilește o conexiune la echipamentul furnizorului. Un canal downstream poate trata sute de modemuri de cablu. Cu creșterea sistemei, CMTS poate fi modernizată cu mai multe porturi downstream și upstream. Dacă rețeaua HFC este vastă, CMTS poate fi grupată în noduri centrale pentru management eficient. Unii utilizatori au încercat să treacă de limita lățimii de bandă și să posede acces la toată lățimea de bandă a sistemei (de obicei cam 30 Mbps), prin descărcarea fișierului propriu la modemul de cablu – proces numit uncapping (în majoritatea cazurilor este o încălcare a înțelegerii și a legii).

18

Frecvențele de sincronizare:

Securitatea

DOCSIS include servicii de securitate la nivelul MAC în specificațiile sale de interfață privată de bază BPI (Baseline Privacy Interface). DOCSIS 1.0 utiliza specificația BPI inițială. Mai târziu ea a fost îmbunătățită de specificația lansată BPI+. Scopul specificațiilor BPI este de a descrie serviciile de securitate a nivelului MAC pentru DOCSIS CMTS la comunicațiile CM. Sarcina securității BPI este dublă:

• De a prevedea utilizatorii modemului de cablu cu date private prin rețeaua de cablu;

• Prevede operatorii serviciilor de cablu cu protejarea serviciilor; de exemplu: împiedicarea utilizatorilor neautorizați de a poseda acces la serviciile RF MAC a rețelei.

19

Bibliografie

1.Broadband Cable Access Networks: The HFC Plant (The Morgan Kaufmann Series in Networking)

2.An Adaptive Contention Period Control in HFC Networks( Chih-Cheng Lo, Hung-Chang Lai, Wen-Shyen E. Chen)

3. Hybrid Fiber Optic/Coaxial (HFC) Networks (Ernest Tunman)

4. http://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_fibre-coaxial

20