Оборудование для высокоскоростной передачи данных: CMTS

Введение

Оборудование, используемое для предоставления высокоскоростных услуг передачи данных

Система терминации кабельных модемов (CMTS, также называемая CMTS Edge Router) – это устройство, обычно размещаемое в головной станции или узле кабельной компании, которое используется для предоставления услуг передачи данных, таких как кабельный интернет или Voice over IP, абонентам кабельного телевидения. CMTS выполняет многие из тех же функций, что и DSLAM в DSL-системе.

Связи

Для обеспечения высокоскоростных услуг передачи данных кабельная компания подключит свою головную станцию к Интернету через высокопроизводительные каналы связи с поставщиком сетевых услуг. На стороне абонента CMTS обеспечивает связь с кабельными модемами абонентов. Различные CMTS способны обслуживать различное количество кабельных модемов – от 4000 до 150 000 и более, в зависимости от трафика, хотя рекомендуется, чтобы один CMTS обслуживал, например, 30 000 абонентов (кабельных модемов). CMTS имеет отдельные RF-интерфейсы и разъемы для нисходящих и восходящих сигналов. RF/коаксиальные интерфейсы передают RF-сигналы в коаксиальные "магистрали" и от них, подключенные к кабельным модемам абонентов, используя одну пару разъемов на магистраль – один для нисходящего канала, другой для восходящего. Иными словами, для каждой группы обслуживания может быть пара RF-разъемов, хотя можно настроить сеть с разным количеством разъемов, обслуживающих набор групп обслуживания, в зависимости от количества нисходящих и восходящих каналов, используемых кабельными модемами в каждой группе. Каждый разъем имеет конечное количество каналов, которые он может поддерживать, например, 16 каналов на нисходящий разъем и 4 канала на восходящий, в зависимости от CMTS. Например, если кабельные модемы в каждой группе обслуживания используют 24 канала для нисходящего потока и 2 канала для восходящего, то 3 нисходящих разъема могут обслуживать кабельные модемы в двух группах обслуживания и обслуживаться одним восходящим разъемом. Одна группа обслуживания может обслуживать до 500 домохозяйств. Группа обслуживания имеет каналы, пропускная способность которых распределяется между всеми участниками группы. Каналы затем перегруппировываются на головной станции кабельной сети или в распределительном узле и обслуживаются CMTS и другим оборудованием, таким как Edge QAM. RF-сигналы от CMTS подключаются через коаксиальный кабель к модулям управления RF для разделения и объединения RF-сигналов с другим оборудованием, таким как другие CMTS, чтобы несколько CMTS могли обслуживать одну группу обслуживания. Примерами оптических платформ являются Arris CH3000 и Cisco Prisma II. На другом конце сети оптический узел преобразует световые импульсы обратно в RF-сигналы и отправляет их по коаксиальной кабельной "магистрали". На магистрали расположены один или несколько усилителей, а также распределительные "отводы", к которым через коаксиальный кабель подключаются модемы абонентов. Фактически, большинство CMTS имеют как Ethernet-интерфейсы (или другие высокоскоростные интерфейсы данных, такие как SONET), так и RF-интерфейсы. Таким образом, трафик, поступающий из Интернета, может быть направлен (или переключен) через Ethernet-интерфейс, через CMTS, а затем на RF-интерфейсы, подключенные к гибридной волоконно-коаксиальной сети (HFC) кабельной компании. Трафик проходит по HFC и достигает кабельного модема в доме абонента. Трафик из домашней системы абонента проходит через кабельный модем и отправляется в Интернет в обратном направлении. CMTS обычно передают только IP-трафик. Трафик, предназначенный для кабельного модема из Интернета, известный как нисходящий трафик, передается в IP-пакетах, инкапсулированных в соответствии со стандартом DOCSIS. Эти пакеты передаются по потокам данных, которые обычно модулируются на телевизионный канал с использованием 64 QAM или 256 QAM версий квадратурной амплитудной модуляции. Восходящий трафик (данные от кабельных модемов к головной станции или в Интернет) передается в Ethernet-кадрах, инкапсулированных в DOCSIS-кадры, модулированных с использованием QPSK, 16 QAM, 32 QAM, 64 QAM или 128 QAM с использованием механизмов совместного использования частот TDMA, ATDMA или S-CDMA. Обычно это происходит в "поддиапазоне" или "возвратном" сегменте спектра кабельного телевидения (также известном как "T"-каналы), который является гораздо более низкой частью частотного спектра, чем нисходящий сигнал, обычно 5–42 МГц в DOCSIS 2.0 или 5–65 МГц в EuroDOCSIS. Типичный CMTS позволяет компьютеру абонента получить IP-адрес, пересылая DHCP-запросы соответствующим серверам. Этот DHCP-сервер возвращает, в основном, типичный ответ, включающий назначенный IP-адрес для компьютера, адреса шлюза/маршрутизатора для использования, DNS-серверы и т. д. CMTS также может реализовать базовую фильтрацию для защиты от неавторизованных пользователей и различных атак. Формирование трафика иногда выполняется для приоритизации трафика приложений, возможно, на основе тарифного плана или объема загрузок, а также для обеспечения гарантированного качества обслуживания (QoS) для собственной VOIP-службы PacketCable кабельного оператора. Однако функция формирования трафика чаще выполняется кабельным модемом или коммутатором управления трафиком. CMTS также может выступать в качестве моста или маршрутизатора. Кабельный модем абонента не может напрямую взаимодействовать с другими модемами в линии. В общем случае трафик кабельных модемов направляется к другим кабельным модемам или в Интернет через серию CMTS и традиционных маршрутизаторов. Однако маршрут теоретически может проходить через один CMTS. CCAP (Converged Cable Access Platform) объединяет функциональность CMTS и Edge QAM в одном устройстве, чтобы обеспечить как передачу данных (Интернет) с помощью CMTS, так и видео (телевизионные каналы) с помощью Edge QAM. Edge QAM (Quadrature Amplitude Modulator/Modulation) преобразует видео, отправляемое через IP (протокол Интернет) или иным способом, в QAM-сигнал для доставки по кабельной сети. Edge QAM обычно являются автономными устройствами, расположенными на "границе" сети. Их также можно подключить к ядру CMTS, чтобы создать систему M-CMTS, которая более масштабируема. Ядро CMTS обычно представляет собой традиционный или I-CMTS, который поддерживает работу в качестве ядра CMTS в системе M-CMTS.

In order to provide high speed data services, a cable company will connect its headend to the Internet via very high capacity data links to a network service provider. On the subscriber side of the headend, the CMTS enables communication with subscribers' cable modems. Different CMTSs are capable of serving different cable modem population sizes—ranging from 4,000 cable modems to 150,000 or more, depending in part on traffic, although it is recommended for an I CMTS to service, for example, 30,000 subscribers (cable modems). A CMTS has separate RF interfaces and connectors for downlink and uplink signals. The RF/coax interfaces carry RF signals to and from coaxial "trunks" connected to subscribers' cable modems, using one pair of connectors per trunk, one for downlink and the other for uplink. In other words, there can be a pair of RF connectors for every service group, although it is possible to configure a network with different numbers of connectors that service a set of service groups, based on the number of downstream and upstream channels the cable modems in every service group use. Every connector has a finite number of channels it can carry, such as 16 channels per downstream connector, and 4 channels per upstream connector, depending on the CMTS. For example, if the cable modems on every service group use 24 channels for downstream, and 2 channels for upstream, then 3 downstream connectors can service the cable modems on two service groups, and be serviced by 1 upstream connector. A service group may serve up to 500 households. A service group has channels, whose bandwidth is shared among all members of the service group. The channels are later regrouped at the cable headend or distribution hub and serviced by CMTSs and other equipment such as Edge QAMs. The RF signals from a CMTS, are connected via coaxial cable to headend RF management modules for RF splitting and combining, with other equipment such as other CMTSs so that several CMTS can service one service group, Examples of optics platforms are the Arris CH3000 and Cisco Prisma II. At the other end of the network, an optical node converts the light pulses into RF signals again and sends them through a coaxial cable "trunk". The trunk has one or more amplifiers along its length, and on the trunk there are distribution "taps" to which customers' modems are connected via coaxial cable. In fact, most CMTSs have both Ethernet interfaces (or other more traditional high speed data interfaces like SONET) as well as RF interfaces. In this way, traffic that is coming from the Internet can be routed (or bridged) through the Ethernet interface, through the CMTS and then onto the RF interfaces that are connected to the cable company's hybrid fiber coax (HFC). The traffic winds its way through the HFC to end up at the cable modem in the subscriber's home. Traffic from a subscriber's home system goes through the cable modem and out to the Internet in the opposite direction. CMTSs typically carry only IP traffic. Traffic destined for the cable modem from the Internet, known as downstream traffic, is carried in IP packets encapsulated according to DOCSIS standard. These packets are carried on data streams that are typically modulated onto a TV channel using either 64 QAM or 256 QAM versions of quadrature amplitude modulation. Upstream data (data from cable modems to the headend or Internet) is carried in Ethernet frames encapsulated inside DOCSIS frames modulated with QPSK, 16 QAM, 32 QAM, 64 QAM or 128 QAM using TDMA, ATDMA or S CDMA frequency sharing mechanisms. This is usually done at the "subband" or "return" portion of the cable TV spectrum (also known as the "T" channels), a much lower part of the frequency spectrum than the downstream signal, usually 5–42 MHz in DOCSIS 2.0 or 5–65 MHz in EuroDOCSIS. A typical CMTS allows a subscriber's computer to obtain an IP address by forwarding DHCP requests to the relevant servers. This DHCP server returns, for the most part, what looks like a typical response including an assigned IP address for the computer, gateway/router addresses to use, DNS servers, etc. The CMTS may also implement some basic filtering to protect against unauthorized users and various attacks. Traffic shaping is sometimes performed to prioritize application traffic, perhaps based upon subscribed plan or download usage and also to provide guaranteed Quality of service (QoS) for the cable operator's own PacketCable based VOIP service. However, the function of traffic shaping is more likely done by a Cable Modem or policy traffic switch. A CMTS may also act as a bridge or router. A customer's cable modem cannot communicate directly with other modems on the line. In general, cable modem traffic is routed to other cable modems or to the Internet through a series of CMTSs and traditional routers. However, a route could conceivably pass through a single CMTS. A CCAP (Converged Cable Access Platform) combines CMTS and Edge QAM functionality in a single device so that it can provide both data (internet) with CMTS functionality, and video (TV channels) with Edge QAM functionality. Edge QAM (Quadrature Amplitude Modulator/Modulation) converts video sent via IP (internet protocol) or otherwise, into a QAM signal for delivery over a cable network. Edge QAMs are normally standalone devices placed at the "edge" of a network. They can also be connected to a CMTS core, to make up an M CMTS system which is more scalable. A CMTS core is normally a conventional or I CMTS that supports operation as a CMTS core in an M CMTS system.

Архитектура

CMTS может быть реализована в нескольких различных архитектурах: интегрированная CMTS (I CMTS), модульная (M CMTS), виртуальная CMTS (vCMTS) и удаленная CMTS. I CMTS объединяет в одном устройстве все компоненты, необходимые для ее функционирования. Каждый тип архитектуры имеет свои преимущества и недостатки.

Модульная система CMTS (M-CMTS)

В M CMTS-решении архитектура I CMTS разделена на два компонента. Первый компонент – физический нисходящий канал (PHY), известный как Edge QAM (EQAM). Второй компонент – IP-сеть и компонент DOCSIS MAC, называемый ядром M CMTS. В этой архитектуре также внедрено несколько новых протоколов и компонентов. Один из них – интерфейс синхронизации DOCSIS Timing Interface, который обеспечивает опорную частоту между EQAM и ядром M CMTS посредством сервера DTI. Второй – это интерфейс внешнего PHY нисходящего канала (DEPI). Протокол DEPI управляет передачей DOCSIS-фреймов от ядра M CMTS к устройствам EQAM. Среди проблем, связанных с платформой M CMTS, – повышенная сложность объединения RF-сигналов и увеличение числа потенциальных точек отказа. Одним из преимуществ архитектуры M CMTS является её высокая масштабируемость для большого количества нисходящих каналов.

Виртуальные CMTS

Виртуальные CCAP (vCCAP) или виртуальные CMTS (vCMTS) развертываются на коммерчески доступных серверах на базе x86 с использованием специализированного программного обеспечения и могут использоваться для увеличения емкости сети без приобретения новых шасси CMTS/CCAP или для более оперативного добавления новых функций в CMTS/CCAP.

Удаленный CMTS

Удаленная CMTS/Удаленная CCAP выносит все функции CMTS/CCAP непосредственно в полевую сеть, в отличие от традиционных CMTS или CCAP, которые устанавливаются на площадке оператора связи.