基于DOCSIS协议的3.5GHz宽带无线接入

2019-11-04 01:51:22

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供稿：网友

　　DOCSIS（有线电缆数据服务传输规范）是为利用有线电视电缆网络来提供宽带多媒体接入应用而开发的工业标准，是一种以ip为中心的一点对多点标准。DOCSIS标准旨在支持所有现行的和未来的基于IP的服务。自它发布之日起就得到了业界极大的关注，随后更得到了众多芯片厂商、设备制造厂商、运营商、各标准化组织的支持。DOCSIS在支持各种业务，尤其是IP业务方面具有很好的能力，在Qos支持方面也有一定的解决手段。
　　
　　从DOCSIS协议发布到现在的发展趋势看，很多相关的设备厂家都在自己的3.5GHz MMDS产品中采用DOCSIS协议，原因在于DOCSIS采用了许多已经成熟的技术，可以很好地支持IP业务，适应了目前技术发展的趋势，并且由于采用了大量在有线电缆MODEM中使用的集成电路，这种器件在全球的需求量大，所以规模的生产使之价格较低。
　　
　　尽管DOCSIS规范最初是针对CATV应用的，但由于上述特点，多家公司已联合起来成立了无线数字用户线协会，以便为无线宽带应用建立一个DOCSIS的增强版应用于宽带无线领域的趋势。具体说来，新标准DOCSIS+基于原有的规范，但增添了一些针对LMDS/MMDS市场的具体扩展规范。这些扩展将包含在一个新的标准（或是现有DOCSIS标准的一个扩展）之中，目前IEEE802.16委员会正在对此进行研究。目前市场已推出了基于DOCSIS标准的无线接入系统，但是如何保证实时业务以及在无线环境的可靠应用，需要实验进一步验证，也是该标准需要进一步完善之处。
　　
　　由于DOCSIS规范最初是针对CATV的数据应用，DOCSIS1.0版本在QOS和对实时业务的支持尚没有好的保证。如何在DOCSIS实现面向连接的实时业务，在DOCSIS 1.1版本进行了进一步的升级和功能地扩展。对1.0的扩展主要有：增加CBR、VBR、ABR的所有QoS功能；为支持语音业务，对主动授权业务和实时轮询业务提供了明确的设置请求策略；对IP多播标准化，增加CMTS对上行码流控制的划分，通过使用净荷头压缩（PFS）更有效地利用上行和下行码流。而这些扩展和对实时业务的支持能力核心体现在MAC层和系统设计的控制单元。
　　
　　DOCSIS协议在空中接口上可以传输4种类型的MAC帧：
　　包数据PDU的MAC帧，支持可变长度的以太网类型的包数据PDU；
　　ATM信元的MAC帧，表示帧中有ATM PDU；为将来的PDU类型保留的MAC帧；
　　用于特定的MAC控制的MAC帧。
　　
　　其中前3类MAC帧主要用于数据传输，而特定的MAC帧用于非凡功能，分为定时消息、治理消息、请求消息、级联消息和分段消息。这些功能可支持下行定时和上行测距/功率调制、终端向基站请求带宽、基站为终端分配带宽、分段和多个MAC帧的级联。
　　
　　对于IP数据业务，传输采用包数据PDU的MAC帧。通过配置，系统为每个终端指定最小保证带宽和最大带宽，通过空中带宽的统计复用和动态分配，为数据业务提供一定的QoS保证。
　　
　　由于电路业务的实时性要求比较高，其突出特点是流量恒定。DOCSIS采用了14 bit SID业务类型识别，可以对单个用户设置宽带和设置不同级别的业务，并采用主动授权机制对包类型进行扩展和适配，将电路业务封装至PDU类型保留MAC?，使用非凡包传递机制提供类似TDMA的环境，保证电路业务的延时和抖动指标，同时对电路时钟进行传递，保证上下端网络的时钟同步。因此根据指配，基于E1的电路业务可以指配到具体的终端上去，它在空中固定占有2.048Mbps流量。相对而言，由于在上行信道支持分段，可以使非话音授权业务被分段并移至话音授权业务的授权边界，从而最大程度减小对话音业务的影响，而下行信道对话音业务的保证仍是按照不同队列的优先级来保证的，因而下行信道对电路实时业务的保证要逊于上行信道。
　　
　　因此基于DOCSIS的电路业务实现本质上仍是通过数据包业务实现的。提供QOS的基本原理就是将在射频频带中传输的数据包分类并归入到一个特定的业务流，所谓业务流是指一个提供特定业务质量的单项数据包流，基站和远端站通过业务整形、协商或赋予业务流以不同的优先级来提供QOS.通过其在MAC层成帧时具有的主动授权最高级别和控制单元的高速处理控制，达到对电路业务的支持。因而，可能出现的问题是需要同时支持电路业务和VoIP业务时，尤其是下行信道，当VoIP等短帧业务忽然增大的时候，可能会造成VOIP对E1电路业务的冲击，会对电路业务的时延、抖动以及误码率造成一定的影响。同时在DOCSIS标准中也提到，一些意外事件，如下行MAP（上行带宽分配消息）丢失，或上行跳频，有可能导致抖动超出抖动窗口。所以基于DOCSIS的实时业务与传统TDM 透明传输实时业务的实现，还是有着较大差别。传统TDM面向连接业务，无需涉及QOS保证。
　　
　　另外一个值得注重的问题是，传统TDM电路业务，一旦建立一个连接其分配的时隙将一直保留给该业务使用，直到拆除该连接，因此其时延和抖动是固定的有保证的。而DOCSIS电路业务每一包的传送可能会在不同的分段不同的路由，因而其时延是不固定的。
　　
　　除此之外，由于无线网络具有不同特征，将DOCSIS用于宽带无线接入系统，现有的DOCSIS标准限制了大规模的宽带无线配置，媒体接入控制（MAC）层和物理（PHY）层的设计都需要进行改进。
　　
　　多径衰落、频偏以及无线系统中的干扰问题都是对无线系统不利的因素，因此物理层设计的鲁棒性应足以支持无线网络的可靠工作，设计中需要非凡解决SNR和多径衰落的问题。纠错编码的选择以及射频单元性能的优劣将直接影响系统的性能，尤其是对电路实时业务的影响。DOCSIS标准规定采用R-S码，假如采用更有效的纠错编码以及均衡将会对DOCSIS标准做较大的改进，其实现的复杂度大大增加，这也就是目前基于DOCSIS标准的设备系统指标较低的原因之一（如接收门限，同/邻频载干比等）。
　　
　　尽管如此，DOCSIS标准以其简单的技术结构，成熟技术的采用，较低的价格，对IP业务的支持等，仍然有着一定的应用环境。但从发展的角度来看DOCSIS标准仍需进一步完善和改进：不断推出新版本以更好的支持电路业务、应用于无线环境、改进策略提高QOS保证。

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