XI TELEKOMUNIKACIONI FORUM TELFOR 2003, Beograd, Sava Centar, 25.-27.11.2003.g.

POVRATNI SMER U KABLOVSKOJ MREIDanojli, M.,Neboja TELEFONKABL a.d. - BeogradI UVOD Dvosmerne mogunosti koaksijalnih sistema eksploatisane su u prolosti sporadino irom sveta. Ranije primene bile su uglavnom ograniene na monitoring i kontrolu stanja (SM&C) i aplikacije tipa "plati pa gledaj" (Pay Per View). Sa napretkom novih servisa i razvojem industrije telekomunikacija dvosmerne mogunosti koaksijalnih sistema privukle su vie panje. Kako su koaksijalni sistemi evoluirali u hibridne optiko-koaksijalne (HFC) mree, tehnika dvosmernog prenosa postaje tehniki sve izazovnija. Topologija HFC mree poznata pod imenom drvo sa granama (tree and branch) rezultirala je efikasnijim iskorienjem mogunosti povratnog smera, ali je dovela i do niza novih zahteva koje je potrebno reiti radi potpune realizacije ovih mogunosti. Prema frekvencijskom planu, opseg namenjen komunikaciji u smeru od pretplatnika prema glavnoj stanici, za prenos interaktivnih servisa je po DOCSIS 1.x/2.0 standardu je od 5-42 MHz. Kod nas se za prenos interaktivnih servisa koristi opseg od 5-65 MHz (EuroDOCSIS). Telefonkabl a.d. je od samih poetaka razvoja kablovskih distribucionih sistema bio jedan od nosilaca razvoja i izgradnje HFC mrea irom zemlje. Suoeni sa realnim zahtevima korisnika za uvoenjem novih servisa koji zahtevaju aktivaciju povratnog smera, u situaciji smo da se suoavamo sa problemima koje sobom nosi ovaj proces. Poslednjih nekoliko godina u svetu je implementirano dosta novih preteno digitalnih servisa ( Video On Demand, Telephone, Data and Information Service, Distance Learning Video&Audio, Monitoring...). II ARHITEKTURA KABLOVSKOG SISTEMA Osnovni problem u eksploataciji dvosmernih mogunosti HFC mree je arhitektura povratnog puta. U direktnom smeru, generalno, postoji samo jedna taka u kojoj signal ulazi u mreu, glavna stanica (Headend), gde se svi signali (satelitski, zemaljski i dr.) moduliu, kombinuju i prosleuju na kablovsku liniju. Operater ima punu kontrolu signala u toj taki. Od glavne stanice do pretplatnika, signal se prostire po mrei tipa jedna taka - vie taaka. U povratnom smeru, gde je svaki pretplatnik u mrei (koji koristi interaktivni servis) izvor signala, svi pretplatnici povezani na mreu su izvori umova i smetnji. HFC arhitektura rezultira fenomenom poznatog naziva "umni levak" (Noise funneling), koji predstavlja sumu neeljenih umova i ingresa koji se sabiraju u voritima distribucione i razvodne mree po principu levkastih mikrokanala koji se ulivaju u jedan kanal. Za razliku od direktnog smera gde se um akumulira u svakom pojaavau kroz koji proe signal, u povratnom smeru ukupan um potie od svih pojaavaa u oblasti jednog vorita sjedinjen u jedan povratni kanal. HFC arhitektura je ipak u odnosu na starije arhitekure kablovskih sistema, redukovala efekat "umnog levka". Gradei HFC mree, odnosno podelom velikih distribucionih oblasti u vie susednih servisnih oblasti, napajanih od jednog optikog vora, redukovan je broj distribucionih pojaavaa u okviru jednog vorita. Samim tim je redukovan i ukupan um koji degradira kvalitet signala u povratnom smeru. U optikom voru (Optical Node) se povratni signali udruuju i prosleuju preko optikog predajnika za povratni smer u centar za obradu signala u glavnoj stanici (CMTS-Cable Modem Termination System) [Slika 1]. Osim umova kao problem se javljaju i "mikrorefleksije" izazvane nizom diskontinuiteta u prenosnom medijumu (fiziki spojevi), tako da se deo energije direktnog signala reflektuje do prijemnika u glavnoj stanici[1]. Povratni kanal u kablobskoj mrei je stoga veoma umno okruenje. Da bi uveali pouzdanost prenosa, neophodno je koristiti odgovarajue standardom definisane metode modulacije koje su u stanju da premoste probleme visoko umnog okruenja.

Slika 1: Arhitektura kablovskog sistema III IZVORI I KARAKTERISTIKE SMETNJI U POVRATNOM SMERU U osnovi, postoje tri izvora uma u povratnom smeru: termiki um, um optikog linka i ingres um. Doprinos degradaciji signala na ulazu u CMTS daju[1]: Termiki um kablovskog modema Termiki um distribucionih i pojaavaa u distribucionoj mrei linijskih

Relative Intensity Noise (RIN) koji potie od lasera predajnika za povratni smer, izazvan spontanom emisijom fotona um prijemnika Shot noise, drugi um vezan za prijemnik i potie od sluajnog pojavljivanja fotona i elektrona Intermodulaciona distorzija kao posledica nelinearnosti prenosnih k-ka aktivnih komponenti i clipping distortion (distorzija odsecanja) koja se javlja na optikom predajniku kada je nivo RF signala nii od praga Viestruke mikrorefleksije kroz vlakno Interferencija signala direktnog i povratnog smera Ingres um koji potie iz okruenja i koji predstavlja jedan od osnovnih problema povratnog smera Kablovska razvodna mrea nalazi se u okruenju u kome postoji mnogo izvora zraenja, naroito u RF opsegu koji je rezervisan za povratni smer. Postojee izvore ometajuih zraenja odnosno interferencije koji ulaze u HFC sistem jednim imenom nazivamo ingres um. Izvori zraenja mogu biti i diskretni i difuzioni. Neki od diskretnih izvora zraenja su kratkotalasna-radio difuzija, radio amateri, predajnici pejding sistema, razliiti mali kuni aparati koji se napajaju mrenim naponom itd. Impulsni um, koji se sastoji od kratkih impulsa irokopojasnog zraenja pretstavlja difuzioni izvor zraenja. Karakteristika svih navedenih ometajuih zraenja je da su promenljivog intenziteta i veoma nepredvidivog karaktera. Cilj operatera mree pri aktiviranju povratnog smera nije suzbijanje izvora zraenja, ve izolacija moguih ulaznih taaka ingresa, ujednaavanje nivoa ingresa u mrei i izolovanje onih delova mree koji su veliki izvori ingresa. Kuna instalacija pretplatnika i razvodna mrea su najvei izvori ingres uma. Procene su da vie od 70% ingres uma dolazi iz kunog okruenja. TV prijemnici i prijemnici VCR ureaja (video rekorder) imaju esto vrlo lou karakteristiku u pogledu povratnog slabljenja, to izazva pojavu interferecije reflektovanih signala i signala povratnog smera, koja se manifestuje kao ingres um. Realno je oekivati da e uskoro biti uinjeno vie sa stanovia poizvoaa opreme na polju smanjenja interferentnih uticaja koji ulaze u opseg povratnog smera, posebno imajui u vidu da je taj uticaj znatan. Tek nedavno su proizvoai TV prijemnika, poeli da prave prijemnike koji imaju mogunost da smanje uticaj signala iz etra na signale koji se distribuiraju putem kablovske televizije.Veliki izvori ingres uma su i otvoreni slobodni krajevi razdelnika i odvodnika koji nisu zavreni prilagodnim 75-omskim otpornikom. Dodatnih 25% ingres uma ulazi u HFC sistem u delu distribicione mree gde esto dolazi do zraenja ("curenja") jer koaksijalni kablovi ak i kad su novi ne mogu da obezbede potpunu izolaciju. Jo nekih 5% ingresa ulazu u mreu u prenosnom primarnom delu mree kao to je prikazano na Slici 2[2].

Primarni prenos Distribucija

Razvodna mrea i kuna instalacija

Slika 2: Procena ulaznih taaka ingresa

IV UMERAVANJE POVRATNOG SMERA I NAINI PREVAZILAENJA SMETNJI Izjednaavanje ukupnog slabljenja izmeu pretplatnika i glavne stanice je od velikog znaaja za pravilno funkcionisanje servisa koji koriste prenos u povratnom smeru. Stoga je za postojee mree potrebno predvideti instalaciju ekvilajzera (izjednaavaa) slabljenja povratnog smera, bez obzira na poveanje ukupnog slabljenja u liniji. Izjednaavanjem slabljenja u povratnom smeru postie se kontrola ingresa u kablovskom sistemu. Pretpostavlja se da je nivo ingres uma ili bolje reeno verovatnoa pojave ingres uma odreenog nivoa u povratnom RF opsegu jednaka kod svih pretplatnika koji su prikljueni u sistem. Sutina problema vezanog za umeravanje povratnog smera je da su pasivne komponente u okviru razvodne i distribucione mree izabrane na osnovu umeravanja direktnog smera. Meutim, u povratnom smeru takav izbor komponenti stvara veliku razliku u nivou slabljenja od pojedinih pretplatnika do glavne stanice, to dalje ima za posledicu veliku razliku u nivou signala i ingres uma u povratnom smeru koji potiu od razliitih pretplatnika. Reenje navedenog problema koje se namee je instalacija ekvilajzera slabljenja povratnog smera u liniji sa distribucionim pojaavaima. Rezultat je jednako slabljenje izmeu pojaavaa i u direktnom i u povratnom smeru. Takva reenja postoje na tritu, ali zahtevaju izmenu postojeih odvodnika. Drugi nain za smanjenje uticaja ingres uma je ugradnja filtera za blokiranje povratnog smera za one pretplatnike koji nisu zainteresovani za korienje dvosmernih servise. U inicijalnoj fazi razvoja dvosmernih servisa ovi filteri su veoma praktini. Filterima se blokira negativni uticaj pojedinanih pretplatnika, koji ne koriste povratni smer ili itave grupe pretplatnika u okviru jedne zgrade, u okvru jedne distribucione grane ili segmenta mree do nivoa optikog vora. Sa penetracijom novih pretplatnika koji koriste povratni smer broj instaliranih filtera se smanjuje na raun poveanja broja instaliranih ekvilajzera. Filteri su po svojim karakteristikama high-pass filteri sa propusnim opsegom direktnog smera. Filteri za blokiranje povratnog smera su takoe znaajni za prevazilaenje problema interferencije signala vieservisne mree u okviru kune instalacije. Instalaciom ovog filtera na izlaz splitera prema TV prijemniku moe se spreiti negativan uticaj (interferencija) signala kablovskog modema na TV prijemnik.

Fiksni filteri za blokadu povratnog smera ne mogu da obezbede dugoronu zatitu od ingres uma, posebno u fazama ekspanzije dvosmernih servisa, pa se kao reenje nameu odvodnici koji su daljinski kontrolisani. Adresibilnost obezbeuje upravljanje iz glavne stanice i pogodna je sa stanovita operatera. Pretplatnik moe biti blokiran kada ne koristi povratni smer ili deblokiran kada koristi dvosmerni servis, pri emu se status menja iz glavne stanice. Koncept adresibilnih odvodnika ne reava problem ingres uma kada pretplatnik aktivno koristi povratni smer, kao i problem umeravanja povratnog smera, pa se reenje sa ekvilajzerima slabljenja namee kao dugoronije. Jedan od najsavremenijih naina da se mrea kompletno izoluje od ingres uma, nezavisno od izvora ingres uma je povezivanje kune instalacije i distribucione mree preko taaka razdvajanja. Ovaj nain realizacije se predlae u finalnim fazama realizacije dvosmernih servisa, sa velikim procentom korisnika koji koriste servise. Take razdvajanja se fiziki realizuju u malim kuitima zasebno montiranim na zidu, ispred stana ili kue pretplatnika. Na ovaj nain kuna instalacija postaje zasebna LAN mrea koja je povezana sa kablovskom distribucionom mreom u taki razdvajanja. Elektronika u takama razdvajanja prima signale od pretplatnika, na primer digitalni signal u osnovnom opsegu. Ovakav signal se u taki razdvajanja modulie i prenosi do glavne stanice. Signali u kunoj instalaciji mogu biti relativno niskih nivoa, jer se oni prenose samo do take razdvajanja, to doprinosi eliminisanju interferencije signala pri vieservisnom pristupu HFC mrei. Uticaj ingres uma koji potie od kune instalacije je, pri ovakvoj realizaciji potpuno iskljuen. V PREDIKCIJA ODNOSA SIGNAL/UM U POVRATNOM SMERU Za uspeno funkcionisanje projektovanog reenja potrebno je izvriti proraun odnosa signal/um u povratnom smeru. Pretpostavimo da je odnos signal/um jednog pojaavaa za povratni smer 60dB i maksimalan broj pojaavaa u kaskadi 4, kao i da je ukupan broj pojaavaa u servisnoj oblasti jednog optikog vora 20.

N = ukupan broj pojaavaa u servisnoj oblasti jednog optikog vora

SNR = 60dB 10 log(20 ) SNR = 47 dBRezultati gornjih prorauna moraju se kombinovati sa karakteristikama optikog segmenta mree. U proraunu koji sledi pretpostaviemo da je odnos signal/um za povratni smer u optikom segmentu 55dB[3]. Metod1:

SNR = 10 log 10 55 10 + 10 50.48 10 , SNR = 49.17dBMetod2:

[ [

]

SNR = 10 log 10 55 10 + 10 47 10 , SNR = 46.36dBU Tabeli 1. navedenene su neke zahtevane vrednosti karakteristinih parametara pri prenosu signala u povratnom smeru.Parametar Frekventni opseg Signal to noise ratio Signal to ingress power ratio Signal to interference ratioEuroDOCSIS

]

5-65 MHz 22 dB 22 dB 22 dB

Tabela 1: EuroDOCSIS RF Specifikacije u povratnom smeru VI DOCSIS 2.0 PREPORUKE Novi DOCSIS 2.0 uveava kapacitet povratnog smera u HFC mreama putem implementacije modulacionih tehnika vieg reda. Ove naprednije tehnike doputaju prenos vee koliine podataka kroz postojei opseg povratnog kanala, ali takoe zahtevaju vii odnos signal/um od zahtevanog odnosa definisanog standardom DOCSIS 1.x. U modernim CaTV mreama, izmeu 700 i 800MHz opsega raspoloivo je za prenos signala u direktnom smeru, dok je od 40 do 60MHz generalno dostupno za povratni smer. Ova injenica ukazuje na debalans 18:1. Ova asimetrija nije bila od interesa za prevazilaenje tokom modelovanja Internet saobraaja, gde je upstream saobraaj uglavnom limitiran na upstream zahteve za novim HTML ili multimedijalnim sadrajima. Kao rezultat, raniji kablovski sistemi i inicijalni DOCSIS zahtevali su spektralno efikasne modulacije u direktnom smeru i relativno niske protoke i robustnije modulacione eme u povratnom smeru (zbog visoko umnog okruenja). Tekui trendovi u svetu sugeriu da prenos podataka kroz HFC mree postaje simetriniji sa sve veim zahtevima korisnika i uvoenjem novih servisa. Zahtevi za poveanjem kapaciteta prenosa u povratnom smeru potiu od ireg razvoja simetrinih servisa kao to su video-konferencija, telefonija i prenos mnogih multimedijalnih fajlova kao slika i videa. Operatori su u situaciji da odgovore na novonastalu

Metod1:

optikog vora

SNR = SNR jednog _ dvosmernog _ pojaojaa 10 * log A * B A = ukupan broj pojaavaa u kaskadi B = ukupan broj pojaavaa u servisnoj oblasti jednog

SNR = 60dB 10 log 4 * 20 SNR = 50.48dBNapomena: prethodna formula je matematiki model baziran na empirijskim rezultatima

Metod2:

SNR = SNR jednog _ dvosmernog _ pojaojaa 10 * log N

tranju za poveanjem opsega u povratnom smeru. Jedan nain je arhitektura HFC mree gde bi se optikom ilo blie korisniku i jedan optiki vor bi okrivao manje korisnika. Za ve postojee arhitekture reenje je primena efikasnijih tipova modulacija. Dok DOCSIS 1.x specificira visoko efikasnu 64QAM i 256QAM modulaciju u direktnom smeru, u povratnom smeru je koriena QPSK i 16QAM bila 1,54 puta manje efikasna [Tabela 2].Modulacija 256QAM 64 QAM 16 QAM QPSK Smer Direktni Direktni Povratni Povratni Spektralna efikasnost 8 bit/s/Hz 6 bit/s/Hz 4 bit/s/Hz 2 bit/s/Hz

Iako modulacione tehnike vieg reda nude veu spektralnu efikasnost-vie bita u sec po MHz- takoe se zahteva i vii odnos signal/um na ulazu u CMTS. Slika 3. ilustruje zahtevane odnose nosilac/um za DOCSIS 1.1 i DOCSIS 2.0 na ulazu u CMTS.

Tabela 2: Spektralne efikasnosti def. standardom DOCSIS 1.x DOCSIS 2.0 preporuuje za oba smera vie efikasne tehnike modulacije uveavajui opseg RF kanala u povratnom smeru preko dve razliite tehnike viestrukog pristupa: TDMA (Viestruki pristup sa vremenskom raspodelom korisnika) i SynchronousCDMA (Sinhroni-Viestruki pristup sa kodnom raspodelom korisnika). DOCSIS 2.0 je uveao maksimalni dozvoljeni opseg RF kanala sa 3.2 na 6.4MHz i specificirao je tri nove tehnike modulacije vieg reda: 8QAM, 32QAM i 64QAM[4]. Kao rezultat maksimalni izvorni protok podataka uvean je sa 10.24 Mbit/s u sluaju DOCSIS-a 1.0/1.1 na 30.72 Mbit/s (64QAM u 6.4 MHz) [Tabela 3].Modulacija QPSK 16QAM QPSK 16QAM 32QAM 64QAM 16QAM 32QAM 64QAM Opseg MHz 1.6 1.6 3.2 3.2 3.2 3.2 6.4 6.4 6.4 Izvorni protok Kbps 2.56 DOCSIS 1.x 5.12 DOCSIS 1.x 5.12 DOCSIS 1.x 10.24 DOCSIS 1.x 12.8 DOCSIS 2.0 15.36 DOCSIS 2.0 20.48 DOCSIS 2.0 25.6 DOCSIS 2.0 30.72 DOCSIS 2.0

Slika 3: Zahtevani odnosi CNR na ulazu u CMTS VII ZAKLJUAK U radu je opisana arhitektura kablovskih sistema sa posebnim osvrtom na arhitekturu povratnog puta i aktivaciju interaktivnih servisa. Poseban akcenat je na izvorima i karakteristikama smetnji u povratnom smeru, kao i na nainu njihovog prevazilaenja. Takoe su prezentovane metode predikcije odnosa signal-um i DOCSIS 2.0 preporuke koje mogu biti od interesa operaterima. Iako je u radu razmatran samo tehniki aspekt aktivacije povratnog puta, za operatera mree postoji potpuna ekonomska opravdanost uvoenja novih interaktivnih servisa. Iz razloga velike pokrivenosti teritorije kablovskom infrastrukturom moe se oekivati da kablovski operateri budu nosioci razvoja novih interaktivnih servisa. LITERATURA [1] www.commsdesign.com [2] Kevin J. Oliver, Wavetek Corp, "Preventing ingress in the return path", Communications Engineering Design, Okt. 1996. [3] www.scte.org/chapters [4] DOCSIS 2.0 and Advanced S-CDMA: Maximizing the Data Return Path, Terayon White Paper [4] Data-Over-Cable Interface Specifications,Radio Frequency Interface Specification, SP-RFIv1.1-I09020830, CableLabs, 2002 [5] Data-Over-Cable Interface Specifications,Radio Frequency Interface Specification, SP-RFIv2.0-I02020617, CableLabs, 2002 Abstract:This paper discusses two-way capabilityes of HFC system. It considers system architectures, typical return usage, prevention ingress in the return path and SNR performance prediction for the return path. Then we'll explore some of the key technical details of the DOCSIS 2.0 specification. CABLE NETWORK Neboja Danojli RETURN PATH SYSTEM,

Tabela 3: DOCSIS 2.0: TDMA modulacione eme Oprema bazirana na DOCSIS 2.0 standardu funkcionisae sa bilo kojom opremom baziranom na standardima DOCSIS 1.x. Naprimer cable modem baziran na standardu DOCSIS 2.0 radie sa DOCSIS 1.x CMTS i obrnuto. Naravno da bi iskoristili sve prednosti novog standarda neophodno je da i CM i CMTS budu zasnovani na DOCSIS 2.0 standardu [Tabela 4]. CMTS Cable modem1.0 1.1 2.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.1 1.0 1.1 1.1 2.0 1.0 1.1 2.0

Tabela 4: Kompatibilnost novog i starih standarda