DOCSIS 3.1-最大スループットを達成する方法

DOCSIS仕様の新しいバージョン-DOCSIS 3.1は、DOCSISの原理を完全に変更し、チャネルスループットを50％増加させ、順方向チャネルで最大10 Gb / s、逆方向で最大2 Gb / sの速度-ファイバを介したデータ伝送に匹敵します。


DOCSIS 3.1は、同じ信号対雑音比のDOCSIS 3.0と比較して、1ヘルツあたりより多くのビットを提供します

DOCSIS 3.1仕様がリリースされ、2015年に実験室条件で正常にテストされました。 2016年の初めに、DOCSIS 3.1標準をサポートする5つの新しいケーブルモデムが認定され、世界中のプロバイダーがこの標準の機器の実装とテストを開始しました。

しかし、以前のバージョンと比較してDOCSIS 3.1がユニークな理由と、これに関連してテスト方法はどのように変わるのでしょうか？ この記事では、最新バージョンの仕様で使用されている2つの主要な技術、直交周波数分割多重（OFDM）と低密度パリティチェック（LDPC）コードについて説明します。 また、最大レベルのパフォーマンスを実現する方法についても説明します。

直交周波数領域多重化

OFDMを理解する最も簡単な方法は、DOCSIS 3.0の動作を覚えておくことです。 そこでは、1つの順方向チャネルに対して、帯域幅6 MHz（ヨーロッパでは8 MHz）の1つの搬送周波数が使用されます。 シングルキャリアQAM（SC-QAM）は、この周波数を変調するために使用され、文字はその周波数で厳密に連続して送信されます。 信号の受信に問題がある場合は、この周波数だけでなく、ネットワーク内の他のすべてのチャネルの変調を減らす必要があります。 これは、同軸ネットワークの最悪の部分に対して変調を最適化する必要があることを意味します。

SC-QAMとは異なり、OFDMは24〜192 MHzの帯域幅を使用します。 それぞれ幅25〜50 kHzの最大8,000のサブキャリアをこの帯域内に配置できます。 （ より正確には、25 kHzの7680サブキャリアまたは50 kHzの3840サブキャリア-約Translator ）。 すべてのサブキャリアは時間的に互いに同期され、単一の文字セットを形成します。 これらの文字は、サブキャリアとタイムスロットに分散され、コードワードを送信します。

このアプローチの主な利点は、シンボルが異なる周波数で同時に送信されることです。 これにより、いくつかのユニークな機会が生まれます。 そのため、1つのサブキャリアで干渉が発生した場合、OFDMは隣接する周波数を組み合わせることで単純に除去します。 これにより、最適なレベルのパフォーマンスでデータを送信し続けることができます。 （ さらに、このような送信方法は、一部のサブキャリアのみに影響するため、狭帯域およびパルス干渉の影響を受けにくくなりますが、従来の信号の場合、干渉はスペクトル全体に影響します-およそTranslator ）

OFDMの変調のタイプは一定の期間に設定されるため、このテクノロジーを使用すると、サブキャリアの相互位相比を制御できます。 1つのサブキャリアがそのピークにある場合、隣接するサブキャリアは位相がずれている可能性があります。 ゼロで。 これにより、隣接するサブキャリア間の干渉が減少し、より高い変調レベルを使用できるようになり、それに応じてネットワーク全体の帯域幅が増加します。 OFDMでは、範囲全体に1つの変調レベルを使用する代わりに、サブキャリアごとに異なる変調レベルを使用できます。 さらに、すべてのサブキャリアに個別の変調レベルを設定し、そのようなプロファイルをいくつか持つような方法で変調プロファイルを作成することができます。


変調-SC QAM
帯域幅が6 MHz（ヨーロッパでは8 MHz）の専用チャネル。
各周波数チャネルは他のチャネルから独立しています。
1つのチャネル内のシンボルは順番に送信されます。
変調は、ケーブルネットワークの最悪の部分に最適化されています。

例として1つのサブキャリアを取り上げます。 各プロファイルには、独自の変調レベル（たとえば、64 QAM、1024 QAM、2048 QAMまたは4096 QAM）があります。 OFDMは、特定のHFCネットワークセグメントに対して最高レベルのプロファイルを使用できます。 あるセグメントでは4096 QAMになり、別のセグメントでは1024 QAMになります。 この周波数の3番目のセグメントでは、干渉が多すぎる可能性があり、スペクトルのこの部分はプロファイルなどから完全に除外されます。

ここで、すべての8000の動作を理解するために、このサブキャリアで何が起こるかを見てみましょう。別のプロファイルは、各期間で最大のパフォーマンスを達成するために、別のサブキャリアを記述します。

上記のように、すべてのサブキャリアは、コードワードが形成される文字の共同送信のためにそれらの間で結合されます。 サブキャリアはコードワードの各シンボルに関連付けられ、その変調レベルはプロファイルによって記述されます。 次に、プロファイルには文字の指定（A、B、C、Dなど）が割り当てられます。 したがって、最適化は各サブキャリアに対して個別に実行されるだけでなく、コンプレックス内のすべての8000サブキャリアに対して実行されることがわかります。

ネットワークの最悪の部分の変調を最適化する代わりに、いつでも最適な部分の変調を最適化できます。 これにより、DOCSIS 3.1は以前のバージョンよりもはるかに効率的なテクノロジーになりました。 DOCSIS 3.0のチャネルが1 Hzで6.3ビットを送信できる場合、DOCSIS 3.1は4096 QAM変調を使用して1 Hzで10.5ビットに到達できます。 より一般的なケースでは、複数の変調レベルが同時に使用されると、DOCSIS 3.1は1 Hzで8.5ビットに到達し、HFCネットワークを変更することなく効率を35％向上させることができます。

低密度チェック

OFDMを使用して達成された改善は、エラー訂正アルゴリズムを使用しない限り不可能でした。 DOCSIS 3.0は、リードソロモンコード（FEC）を使用した前方誤り訂正アルゴリズムを使用し、ビットエラー（BER）のレベルを測定します。 BERは単一のキャリアを指し、OFDMは多くを使用します。 OFDMは送信されたデータを複数のサブキャリアに分散するという事実により、BERの使用はもはや意味をなしません。

DOCSIS 3.1は、FECの代わりにLPDCを使用します。 このアルゴリズムは全範囲で機能し、個々のビットのエラーではなく、コードワード全体のエラーを評価します。 このエラーを修正できる場合、LPDCは自動的にこれを行います。これにより、より高いレベルの変調の使用が可能になり、コードワードの再送信の必要性が大幅に削減されます。 LPDCは、チャネル容量をシャノンの定理で説明されている理論上の限界に近づけます。

しかし、LDPCには1つの欠点があります。 このアルゴリズムはリアルタイムで設定を変更するため、システムは発生するエラーを修正することにより、電力と変調レベルの点で最大値を達成できます。 これは、ネットワークがオペレーターに気付かれずに劣化し、ある時点でエラーが修正不能になり、ユーザーがサービス品質の低下に気付くことを意味します。 このような状況を回避するには、システムをより徹底的にテストする必要があります。

最大ネットワーク帯域幅の達成

テストを成功させるには、OFDMの構成を理解することが非常に重要です。 すべての中心にあるのは、PLCレベル-PHYリンクチャネルです。これには、OFDM信号のデコード方法に関する情報が含まれています。 このレベルがないと、モデムはOFDMキャリアを「見る」ことができず、デコード方法を理解できません。 上記のレベルは、次のコードワードへのポインター（次のコードワードポインター-NCP）です。これは、次に読み取るコードワードと、各コードワードのデコードに使用するプロファイルをモデムに指示します。 次はプロファイルAです。これは、他のプロファイルの高レベルのQAM変調を「理解」するために、すべてのDOCSIS 3.1モデムが使用できるブートプロファイルです。


プロファイルは単純化された状況です。 簡単にするために、プロファイルはすべてのサブキャリアで同じ変調を使用すると仮定します。

プロファイルAの電力レベル、MER、およびノイズのパラメーターは、信頼できるOFDM操作のために選択されます。 このプロファイルが機能する場合は、標準プロファイルB、C、およびDをさらに使用できます。CMTSおよびケーブルモデムのメーカーは、それらとは異なるプロファイルを独自の裁量で作成でき、その数は何ら制限されません。

PLCレベルの情報を送信する場合、修正不可能なコードワードエラー（CWE）がないようにすることが重要です。 PLCレベルでは、情報の送信は可能な限り信頼性が高い必要があるため、電力レベルとMERは厳密に指定範囲内にある必要があります。 このため、このレベルのパラメーターは厳密に固定する必要があります-DOCSIS 3.1仕様では、BPSKまたは16 QAMのみのPLCの使用を制限しています。

PLCレベルですべてがエラーなしで機能する場合、NCPパラメーターも修正され、修正不能エラー（CWE）を許可しないはずです。 このレベルでメッセージが失われると、モデムは情報を再要求するか、さらに悪いことに、まったく通信できなくなります。 DOCSIS 3.1では、QPSK、16 QAM、または64 QAMのみがNCP送信に使用できます。

プロファイルAはブート可能であるため、他のQAM 16およびQAM 64と比較して低い変調レベルが割り当てられます。これにより、ケーブルネットワークの最悪の部分でもすべてのモデムが動作できるようになります。 より低い変調レベルの信号は、より低い電力レベルとMERで動作できます。 前の2つのレベルと同様に、プロファイルAには固定パラメーターがあり、修正不可能なエラーを回避する必要があります。 修正不可能なエラーが表示された場合、モデムはDCOSIS 3.0モードに切り替わり、効率は向上しません。 プロファイルAはより高い変調レベルで動作できますが、CWEエラーの修正は許可されていますが、これは正常であり、主なことは修正不可能なものがないことです。


プロファイルは実際の状況です。 OFDMを使用すると、特定のサブキャリアを除外することができ、各サブキャリアに対して全員が異なる変調レベルを持つことができます。 これにより、チャネル全体のスループットが最適化されます-各プロファイルには独自の例外があります。

3つのレベルすべてが指定された制限内で機能する場合、チャネルの合計帯域幅を確認できます。 この段階でのエラーの1つは、192 MHz帯域全体の信号レベルの測定です。 帯域幅を考慮に入れると、スペクトルのこの帯域の合計電力は6 MHz信号の電力に等しいことに注意してください。 したがって、OFDM信号の合計電力は、幅が6（8）MHzの単一キャリアの電力とは大きく異なります。 OFDM信号電力を微調整するには、6 MHzの帯域幅ですべてのレベルを信号電力に対して測定する必要があります。

OFDMには、さらにユニークな機能がいくつかあります。 所定のOFDM信号帯域の最初と最後の6 MHzのレベルは、保護帯域の低下により、残りのサブキャリアのレベルよりも約0.8 dB低くなります。 これは、測定に標準の機器を使用する場合、または一般的な範囲から割り当てられた6 MHz幅の周波数範囲で電力を測定する場合に重要になります。 さらに、PLCのキャリアは、追加のパイロット信号と送信データにより、他のサブキャリアよりも約0.8 dB高くなります。 したがって、標準の6 MHz信号と比較したOFDM信号の総平坦性は、初期および最終の減衰とPLCの影響により、1.6 dB以内で変動します。

OFDMがピークパフォーマンスで機能するためには、平均電力レベルが指定された制限を超えないようにし、MERが良好で、ノイズレベルが最小でなければなりません。 ノイズはOFDM信号に大きく影響し、変調レベルの高いプロファイルがまったく使用されない可能性があります。

これらの要件がすべて満たされている場合、変調レベルの高いプロファイルを使用することが可能になります。 プロファイル内でパラメーターがロック（ロック）されていることが重要です。 高レベルの変調を伴うプロファイルには、低レベルほど重大ではないため、修正可能なエラー（CWE）が含まれる場合がありますが、修正不可能なエラーは最大のパフォーマンスが得られないという事実につながります。 たとえば、プロファイルCに修正不可能なエラーがある場合、プロファイルD以上ではプロファイルCよりも高い変調を使用できません。高レベルの変調を実現するには、HFCネットワークをクリーンにして修正不可能なエラーを防止する必要があります（以前のバージョンにも当てはまります） DOCSIS）。

アップストリームはどうですか？

DOCSIS 3.1は、OFDMA-リターンチャネルに直交周波数分割多重アクセスを使用します。

OFDMAの個別のサブキャリアをオフにして、DOCSIS 2 / 3.0チャネルとの下位互換性を提供できます。

DOCSIS 3.0およびDOCSIS 3.1比較チャート

おわりに

DOCSIS 3.1は、長年にわたって事業者が直面していた主なジレンマを解決します。「ケーブルネットワーク全体の完全なアップグレードにお金をかけますか、それとも既存のネットワークに徐々に変更を加えますか？」OFDMおよびLDPCテクノロジーを使用して、最小限の近代化でネットワーク帯域幅を大幅に増やすことができます。

DOCSIS 3.1を使用すると、ネットワークの物理構造を少しアップグレードするだけで、効率（速度とスループット）が35％向上します。 また、オペレーターがさらに近代化するための時間を追加できるため、スループットをさらに向上させることができます。

ただし、オペレータはDOCSIS 3.1の実装とテストにかなり注意する必要があります。 これが正しく行われない場合、DOCSIS 3.0と比較して改善はありません。

この記事で説明するプラクティスを使用することで、DOCSIS 3.1が可能な限り効率的に使用されるようになり、修理チームの訪問回数が減り、顧客に質の高いサービスが提供されます。

次は？

次のステップは、 DOCSIS 3.1全二重仕様の導入で、順方向チャネルと逆方向チャネルの両方で10Gb / sの速度で対称的なデータ転送を提供します。

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