Телетермины

Технология MMDS и особенности эксплуатации DOCSIS-решений в среде MMDS.

ЗАО "Челябинские интерактивные кабельные сети" ( ЗАО "ЧИКС") предоставляет услуги широкополосного эфирного Интернета по технологии MMDS (DOCSIS) на территории города Челябинск. В холдинг входит ЗАО "Народное телевидение". Компания предоставляет услуги эфирного цифрового телевидения. Транслируется 63 телеканала в цифровом формате.

Многоканальная Многоточечная Распределительная система - в английской аббревиатуре MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System - Микроволновые многоточечные распределительные системы) - это система наземного телевещания, аналог кабельного телевидения, но без кабеля, некоторым образом сходная со спутниковой телевещательной системой.

Системы MMDS получили в последние годы широкое распространение как альтернатива классическим кабельным сетям, в которых распределительная сеть строится за счет прокладки коаксиальных или оптических кабелей.

Широкое распространение MMDS получили в США. Это далеко не новая технология: достаточно сказать, что первая коммерческая станция начала вещание еще в 1984 г (в аналоговом режиме). Большинство систем использовали аналоговую передачу -- одна видеопрограмма на полосу 6 MHz в диапазоне частот 2,5 Ghz.

В Западной Европе, где высок уровень охвата кабелем, системы MMDS распространения не нашли. В то же время они довольно широко применяются в некоторых странах Восточной Европы, в СНГ и в Азии.

Основные изменения в MMDS связаны с переходом на цифровое видео и техникой передачи сжатых данных. Цифровые технологии в ряде случаев сделали использование MMDS более выгодным, чем кабель, поскольку позволили по одному каналу передавать различные типы трафика (видеоинформация, голос и данные).

В настоящее время в России для вещания в прямом канале выделен диапазон 2,5 - 2,7 ГГц . Для обратного канала выделяется участок частот в диапазоне 2,1 - 2,3 ГГц. Так как в MMDS используется микроволновый диапазон требуется прямая видимость между передающей и всеми приемными антеннами. Максимальный радиус действия составляет 50 км, а реальный зависит от погодных условий и характера местности. Причем требуется небольшая канальная мощность передатчика (несколько десятков ватт).

О технологии DOCSIS информации предостаточно, я лишь напомню суть технологии и расскажу об особенностях эксплуатации MMDS.

В стандарте DOCSIS 1.0 и 1.1 для передачи нисходящих данных (downstream) используются каналы шириной 6 МГц в американском стандарте и 8 Мгц в европейском. Используются типы модуляции QAM64 и QAM256, что обеспечивает скорость передачи данных 27 и 36 Мбит/с соответственно. Из-за нелинейности приемо-передающего оборудования, фазовых искажениях и шумов в тракте MMDS возможно использование только QAM64. В канале downstream используется TDM (Time Division Multiplexing). CMTS (Cable Modem Termination System, в простонародье "голова") передает данные для всех абонентских модемов на одной несущей частоте, в едином цифровом потоке с разделением по времени.

Для передачи данных от абонента (upstream) требуется гораздо более помехоустойчивый вид модуляции, каким является QPSK. Хотя и стандарт DOCSIS позволяет применять модуляцию QAM16 в обратном канале, на практике из-за высокого уровня шумов и помех, нелинейности и нестабильности частоты гетеродинов абонентских трансиверов применение QAM16 практически невозможно. Максимальная битовая скорость при модуляции QPSK на канале шириной 3200 кГц – 5 Мбит/с.

В кабельных модемах используется частотное деление рабочей полосы частот (частотное мультиплексирование) FDMA. Рабочая несущая индивидуального модема располагается в одном из отводимых частотных интервалов. Каждый интервал (канал upstream) может иметь фиксированную ширину - 200, 400, 800, 1600 и 3200 кГц (в стандартах DOCSIS 1.0 и 1.1). Индивидуальным модемам для работы выделяется временной слот (техника TDMA). Таким образом, отдельный модем модем может работать в разные тайм-слоты на разных частотных суб- каналах. Для назначения тайм-слотов и временной синхронизации используется прямой канал.

Сеть по технологии MMDS похожа на обычную кабельную коаксиальную сеть, но частотные преобразования и радиоэфир накладывают свои особенности

• В стандартных кабельных модемах сигнал CMTS принимается на той же частоте, что и выдается с модема. Поэтому требования к частотной стабильности носят весьма умеренный характер. Однако, в MMDS системах конвертация выходной частоты конвертором трансивера превращает небольшую частотную нестабильность в 30x10-6 в 70 кГц. Требования DOCSIS предполагают допустимой частотную нестабильность 30 кГц и типовой модем может просто не найти нужную несущую. Между тем, существует несколько объективных причин, приводящих к частотной нестабильности гетеродина трансивера. Среди них: заводская точность изготовления кварцевого резонатора, температурный дрейф, старение кристалла. Погрешность усугубляется еще и тем, что абонентские трансиверы расположена вне помещения и подвергается существенным температурным перепадам. Возникает замкнутый круг – для увеличения спектральной мощности в условиях плохого распространения сигнала единственным способом является сужение полосы передачи, но сужение полосы повышает чувствительность системы к стабильности гетеродина.

   

• Все демодуляторы имеют ограниченный динамический диапазон по входному уровню. Сигналы, поступающие от абонентских модемов из-за большого разброса условий распространения имеют на входе базового демодулятора диапазон 20 дБ, тогда как DOCSIS допускает 12 дБ.

   

• Многолучевой прием (multipath) – явление, не известное в кабельных сетях. Однако в беспроводных системах эта проблема может быть одной из самых неприятных. Помимо известных всем вторых контуров на экране аналогового ТВ, отражения от различных объектов и сложение основного и отраженных сигналов на антенне вызывает деградацию сигнала и изменение его уровня. Суть явления многолучевого приема заключается в том, что на вход приемника (особенно в городских условиях) помимо основного сигнала поступает еще куча отраженных от различных предметов на местности (отражение от домов, отражение от земли и т. д.). Наиболее эффективным средством борьбы с помехами многолучевого приема является применение адаптивного эквалайзера на входе модема. Естественно, его эффективность тем выше, чем уже полоса регулируемого тракта. Телевизионный канал 8 или 6 МГц является довольно непростым для регулировки.

   

Нами было опробовано решение американской фирмы Vyyo (головная станция Vyyo 3000). Vyyo использует модернизированную версию стандарта DOCSIS, известную как Vyyo's DOCSIS+. Изменения в нем касаются физического и МАС уровня работы системы. Для физического уровня рекомендовано не использовать высокие уровни модуляции, увеличить требования к динамическому диапазону на входе абонентских модемов, устанавливать в модемах более мощные эквалайзеры входного сигнала, а при их настройке осуществлять поиск несущих в более широком диапазоне. Для МАС уровня рекомендовано ввести постоянное ранжирование всех обратных каналов, то есть оценку уровня затухания, временной задержки и частотного сдвига сигнала при передаче. Эта процедура при возникновении помех или необходимости балансировки трафика позволит быстро переводить модем на другой обратный канал. В спецификации DOCSIS предусмотрена возможность перевода модема на другой канал без его предварительного ранжирования, но, по мнению специалистов Vyyo, для беспроводных систем необходима предварительная коррекция установок модема.

Опорный генератор (вверху), приемники (в центре), WMTS Vyyo 3000 (внизу)

Однако использование фирменных решений накладывает свои ограничения – сложность использования абонентских модемов сторонних производителей, более высокая цена CMTS по сравнению даже с такими брендами, как Cisco. При эксплуатации CMTS Vyyo 3000 столкнулись с отвратительной поддержкой, постоянно зависающим CMTS (или WMTS – Wireless Modem Termination System) и крайне убогой функциональностью. В отличии от моделей CMTS Cisco uBR, которые представляет собой полноценный маршрутизатор, Vyyo поддерживает только спецификацию DOCSIS 1.0 (по сравнению с 1,1 отсутствует QoS и поддержка BPI+) и реализует функцию Ethernet-DOCSIS моста.

В тестовом режиме, как альтернатива Vyyo, была установлена CMTS Cisco uBR7114E. Эта CMTS предназначена для работы в кабельных (гибридных - оптика, коаксиал) сетях, модель имеет 1 канал downstream и 4 канала upstream, удовлетворяет требованиям DOCSIS 1.1. Если в части радиоинтерфейса головные модемы компаний Vyyo и Cisco сопоставимы, то в части их "сетевых" возможностей преимущество оборудования Cisco не вызывает сомнений. Так, в состав головного модема Cisco входит не только радиоинтерфейс, но и полноценный маршрутизатор с набором интерфейсов. В то же время головной модем Vyyo представляет собой всего лишь беспроводный мост Ethernet-DOCSIS. Отсутствие в WMTS Vyyo элементарных инструментов управления трафиком вынуждало абонентов использовать туннельный протокол PPPoE. Использование uBR7114 позволило отказаться от туннелирования трафика, выдавая абонентам прямые Интернет-адреса по протоколу DHCP (на основе опции 82, когда головной модем в запрос dhcp request или dhcp discovery вставляет в поле remote_id MAC-адрес абонентского модема). Дополнительно появилась возможность организации абонентских частных сетей по технологии VRF/MPLS.

Абонентский комплект представляет собой MMDS-трансивер тайваньской фирмы Transystem Inc, блок питания с инжектором (питание трансиверу подается по кабелю снижения), кабельный модем Motorola SURFboard 5101(E). Модем имеет интерфейсы FastEthernet и USB, F-коннектор для подключения к кабельной сети.

Одно время, с целью снизить цену подключения, мы закупали MMDS трансиверы Cactus украинской фирмы "Телевидео" (они стоили в два раза дешевле трансиверов фирмы Transystem). Но несмотря на неплохие паспортные характеристики, от них вскоре пришлось отказаться. "Кактусы" имели ряд проблем - низкая стабильность частоты гетеродина, плохая экранировка, наводки по цепям питания. Последняя проблема оказалась самой серьезной - "кактусы" собирали помехи в низком диапазоне, конвертировали вверх и засоряли частотный диапазон апстримов. Особенно губительно на эфир было воздействие домашних телефонных трубок с радиоудлинителем (работающие на частоте ~30 МГц), установленных в квартирах абонентов рядом с рессивером. От дальнейших закупок Cactus нам пришлось отказаться.

Абонентский кабельный модем Motorola SB5101

Абонентский трансивер (Transystem, Тайвань)

Абонентский трансивер (Cactus, ООО "Телевидео", Украина)

Свой сюрприз приподнесла нам и Cisco. На протяжении двух лет после ввода в эксплуатацию на графиках постоянно падает SNR (signal-to-noise ratio) в обратном канале. Первое время причину списывали на рост количества абонентских инсталляций и рост уровня шумов, но после проведения ряда профилактических мероприятий, не давших положительных результатов, стали грешить на Cisco uBR. И действительно, при подключении абонентского модема напрямую с CMTS "на столе" получили такой же уровень SNR. Поиск описания проблемы на сайте cisco привел вот на такой документ.

Суть документа - в некоторых партиях изделия на rf-плате установлено 6 танталовых конденсаторов с неверной полярностью. При работе постепенно характеристики конденсаторов деградируют, что ведет к ухудшению SNR.

Совсем немого о ТВ

Компания ЗАО ЧИКС ("Челябинские интерактивные кабельные сети") первая предложила услуги цифрового телевидения в городе Челябинске. Трансляцией ТВ-сигнала в этой сети занимается дочерняя компания "Народное ТВ", которая предлагает своим абонентам 63 популярных спутниковых каналов в формате Mpeg2.

Стоимость базового пакета - 240 рублей, полный пакет (с каналами "для взрослых") - 300 рублей, есть бесплатный социальный пакет, состоящий из 7-ми общероссийских федеральных каналов.

Передачу сигнала ЧИКС осуществляет по технологии DVB-C. В этом случае абоненту приходится дополнительно покупать не только декодер, но и антенну-приемник. Цена антенны с установкой составляет от одной до трех тысяч рублей, а декодер стоит три тысячи (с модулем и картой доступа).

"Ляпы" от Cisco - запаянные "вверх ногами" конденсаторы.

Телевизионная опора (башня) Челябинского РТПЦ высотой 180 метров

Приемная антенна установлена на высоте 150 метров, передающие антенны установлены на нижней площадке.

Помещение с передатчиками

Стойка с телевизионными модуляторами. Коммутатор Ethernet (внизу) предназначен для управления модуляторами по IP и связи с биллинговой системой

Волновой сумматор

Волновой сумматор. На передающие антенны уходит волновод. С приемных антенн приходит два коаксиальных кабеля с воздушным диэлектриком.

Анализатор спектра. На анализаторе один из каналов upstream.

Стойка с телекоммуникационным оборудованием. Вверху справа CMTS Cisco uBR7114E.

Даниил Харун, ЗАО ЧИКС

Анонс

• HTPC дома. Первые впечатления;
• Традиционный пункт - ссылки на интересные факты. Присылайте письма - они очень нужны для обзоров. Обязательно сообщайте, нужна ли Ваша подпись, ссылка, или лучше обойтись без нее;
• Аппаратный перехват трафика, часть 2, ASUS WL500W;
• IPTV в Екатеринбурге (первый серьезный проект);
• Разводка муфты МТОГ (автор Zoro);
• По "ужастикам" - Ethernet over SATA.