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纜線數據服務介面規格認證面臨的測試挑戰

上網時間: 2003年08月26日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:DOCSIS testing  纜線數據服務介面規格  cable modem  CM  纜線數據機 

纜線數據服務介面規格(DOCSIS)已被電纜電信工程師協會(SCTE)和國際電信聯盟(ITU)所採用,現已成為世界上最廣泛採用的標準電纜數據系統。對於纜線數據機及其終端設備系統設計人員來講,獲得DOCSIS認證是他們希望達到的目標之一,不過,要想透過該認證需要經過徹底和複雜的測試,這是一項非常具有挑戰性的工作。本文將對這些挑戰進行探討並提出一些見解,希望能協助工程師更了解DOCSIS認證。

纜線產業正迅速發展,與這種趨勢呼應,對纜線數據機(CM)和纜線數據機終端設備系統(CMTS)及數據轉發器的需求也在不斷成長,需求成長的直接原因則是網際網路產業空前的發展態勢。DOCSIS服務是為了在服務供應商的數據轉發器和客戶端纜線數據機之間,透過同軸電纜或光纖╱同軸混合纜線進行乙太網路或ATM雙向數據傳輸,纜線網路以樹型結構支援該服務(圖1)。

早期的纜線數據機在設計和作業上都是專用的,所以它們只能與特定的製造商設備協同工作,纜線系統的快速成長也部份得益於技術人員將關注的焦點放在系統之間的互用性上。多媒體纜線網路系統合作者(MCNS)小組專門致力於解決此類互用性問題,並推出了DOCSIS RFI(射頻介面)規格1.0版。圖1:纜線數據傳輸結構圖。

DOCSIS RFI於1997年發佈,從此展開了開放式非專用多供應商纜線系統的發展歷程,該標準為高速纜線數據傳輸系統的設計、開發和應用定義了所有介面規格。

業界又從RFI中抽取出上百條‘協議實現一致性聲明(PICS)’內容,這些內容都是具有‘必須’、‘不能’、‘應該’和‘不應該’的句子,然後將它們集中到一個計畫單?。透過定義纜線數據機和終端設備系統特性,PICS文件可以使確定設計是否符合DOCSIS認證要求的工作變得非常簡便。

PICS表中沒有考慮可測試性問題,所以必須設計一種測試方法驗證PICS。為解決測試方法問題,1998年一些供應商和Cable Television Labs Inc.(一個由業界研發專家組成的非盈利組織)合力完成了DOCSIS驗收測試計畫(ATP),該計畫含有50個多個性能驗證測試,分成幾大類,包括實體(PHY)層、媒介存取控制(MAC)層、MP(MAC和PHY組合)、基線保密介面(BPI)、乙太網路(Eth)和作業支援系統(OSS)。

下面我們主要討論PHY、MAC和MP測試。ATP的PHY測試涵蓋了終端設備系統和纜線數據機之間傳輸的類比RF訊號測試,包括RF訊號功率水準、頻率範圍、調變精密度和寄生電平;ATP的MAC部份主要處理終端設備系統和纜線數據機之間所需的消息協議,測試包括終端設備系統和纜線數據機之間傳輸的管理消息驗證;ATP的MP部份則說明了怎樣測試實體層和MAC層之間的交互區域,測試包括驗證RF訊號頻率與已發送的MAC管理消息之間的關係。圖2:DOCSIS的協議層結構。

從供應商的角度來看,纜線數據機認證是非常必要的,因為它為客戶提供了質量保證和一致性,終端設備系統認證為纜線廠商和服務供應商提供了同樣的保證。MCNS決定,如果產品通過了一系列認證測試,則可以被授予纜線數據機認證和終端設備系統認證,這些測試均獨立完成以驗證終端設備系統或纜線數據機與DOCSIS PICS計畫表一致。

DOCSIS技術概述

DOCSIS RFI描述了利用現有CATV網路向用戶發送或接收用戶數據的系統,其速度遠遠高於使用電話數據機。該系統基於幾個關鍵性技術,包括RF數位調變發射技術、乙太網路和ATM協議以及MPEG數據格式技術,其中每一種都進行了最佳化以便在CATV環境下工作,並且用戶可以非常簡便地利用現有的電腦系統和網路技術接取。圖2顯示了不同技術協調工作的情況。

DOCSIS系統由一個下行通路(DS)和一個上行通路(US)組成。下行通路從終端設備系統連到纜線數據機上,終端設備系統位於MSO纜線起點位置,纜線數據機則位於用戶的家中或辦公室。該通路是寬頻高速連接,使用MPEG-2數據格式將消息和數據組成訊框結構傳輸給用戶,即使沒有下行數據傳輸其訊號依然存在。上行連接是從用戶回到終端設備系統通路,和下行通路相較,上行通路頻寬窄,速率也更低。上行通路的頻寬根據用戶上行發送到終端設備系統的數據進行動態分配。

在下行通路?,終端設備系統透過頻率為91∼857MHz的載波發送訊號,訊息通道頻寬為6MHz。訊號以64QAM或256QAM格式調變到載波上,QAM或正交振幅調變是一種同時改變載波振幅和相位的格式,透過它載波能夠以符號時脈的速度傳遞64或256個符號狀態中的一個。最終得到的載波狀態極化圖如圖3。

這種格式符號密度對噪音和失真非常敏感,所以最好透過現場微波鏈接或有線線路連接進行傳輸。基頻相位(I)和正交(Q)訊號由一個根部提升的餘弦濾波器進行濾波以降低訊號間干擾(ISI)。為了使調變載波符合6MHz頻譜要求,濾波器的頻譜形狀必須足夠尖以防止任何訊號超過6MHz的限制,同時不會使訊號失真。可以使用奈奎斯特濾波方案,濾波器α值(額外頻寬比)在64QAM符號率(5.056941Msym/s)時為0.18,在256QAM符號率(5.360537Msym/s)時為0.12。

為了在下行訊號通路中傳送盡可能多的數據,高密度格式是必要的。透過DOCSIS網路發送的數據可能是數位化且壓縮過的視訊、聲音或消息以及數位數據,資訊包含在打包的傳輸流中,它由MPEG-2規格定義,用於網路傳輸。MPEG-2傳輸結構包括報頭、指針和有效載荷資訊,組成一個188位元組的訊框。終端設備系統將一個特定的程式標示符(PID)插入報頭中,指明MPEG-2數據流為DOCSIS數據流(1FFE),然後再用一個指針位通知數據機查看MAC訊框開始之前解碼器必須跳過的位元組數,之後將數據機資訊以及乙太網路報頭、IP和管理協議也插入到訊框的有效負載部份中,圖4顯示了一個典型的64QAM訊號的EVM和符號表。

纜線數據機發送的上行訊號採用時分多址(TDMA)或脈衝的形式,比下行訊號頻寬要窄。上行通路頻寬按照終端設備系統廠商的選擇以及‘服務品質’設置以5種步長從200kHz到3.2MHz之間變化,可允許的調變格式為正交相移鍵控和16QAM,它受失真的影響遠比64和256QAM格式要小。QPSK星圖只有四個可能的狀態,每個象限一個,所以即使有較高的噪音該格式也能以較低的誤碼率進行傳輸。

上行通路訊號可以用六種不同的脈衝進行傳輸,這些類型的脈衝組合起來限定了纜線數據機的脈衝形狀。脈衝形狀由終端設備系統定義並透過‘上行通道描述符(UCD)’資訊傳遞給纜線數據機,每一個脈衝類型都可以個別指定並且都有特定的目的,這六種脈衝類型分別是頻寬請求(BW-Req)、數據請求(Data-Req)、初始維持、末端維持、短數據和長數據。BW-Req為終端設備系統提供有關纜線數據機需要多少頻寬來發送上行數據的資訊,初始維持和末端維持(也稱為初始和周期範圍)脈衝提供一種校準方式,用於終端設備系統接收器對纜線數據機發射器進行頻率、功率和計時校準。初始維持僅在纜線數據機引導過程中才使用,而末端維持則用於纜線數據機和終端設備系統註冊之後。短數據和長數據脈衝用於在上行通路中將管理消息和數據傳輸到終端設備系統。此時還沒有用到Data-Req脈衝。圖3:下行通路QAM調變格式。

上行通路被分為若干個時隙,上行頻寬分配映射(MAP)再將時間段分為‘微時隙’。這些小的‘時間切片’可以定義為所有纜線數據機共用時隙以發送請求,也可作為專用時隙由某個特定纜線數據機發送資訊到終端設備系統。

協議和網路技術

DOCSIS系統可以起橋梁或路由器作用將數據傳給用戶。通常終端設備系統利用100BaseT乙太網路連接,纜線數據機則用10BaseT乙太網路連接到CPE埠。在這樣的系統中,終端設備系統和纜線數據機是主從關係。終端設備系統同時向所有與下行通路連接的纜線數據機發送廣播,每個纜線數據機必須在終端設備系統上註冊以便設立通訊以及發送自己的數據。完成通訊任務的協議包含在MAC層?,在初始化過程中,纜線數據機透過一系列步驟設立一個服務ID(SID)用於和終端設備系統進行通訊。它首先掃描下行通路頻帶是否有帶DOCSIS程式標示符的有效頻道,並以上行通路一個從纜線數據機到終端設備系統的REG-REQ結束。

在下行通路MPEG-2傳輸流?嵌入了幾種消息類型,圖5顯示了一個典型的MPEG-2訊框,這些MAC消息是為了管理、控制和同步網路上所有的纜線數據機。為了使這些纜線數據機同步,終端設備系統周期性發送一個SYNC消息(圖6),這樣接收方的纜線數據機就可以驗證它的計時是否正確同步以便進行符號解調、傳送糾錯(FEC)訊框和MPEG打包。為了控制纜線數據機上行通路配置,終端設備系統會傳送一個上行訊息通道描述符(UCD),該描述符描述了纜線數據機必須用於上行通訊的訊息通道特性。收到訊號後,纜線數據機將解析出訊息通道頻率、符號率和脈衝形狀等參數。為了控制上行傳輸的時序,終端設備系統傳輸一個MAP消息(圖7)提供上行通路時間分配,纜線數據機讀取MAP並確定衝突的位置,確認時隙決定何時傳輸才是可接受的。圖4:一個典型的64QAM訊號的EVM和符號表格。

終端設備系統還需要控制纜線數據機功率水準、頻率和時序。纜線數據機和終端設備系統使用請求-同意方法執行測距以便控制這些特性,它需要一系列纜線數據機和終端設備系統之間的請求和回應消息,直到最後終端設備系統對纜線數據機產生的調整感到滿意為止。該過程開始時由纜線數據機讀取MAP衝突時隙,然後向上行通路發送一個初始維護脈衝作為引導過程的一部份。如果終端設備系統收到該脈衝,將在下行消息中返回一個範圍響應(RNG-RESP)到纜線數據機。隨後MAP消息給纜線數據機一個時隙完成具有終端維持脈衝的測距過程,成功完成之後,這些互動過程就能使時間同步、傳輸頻率和傳輸功率都在可接受的偏差範圍內。

為了使纜線數據機能夠在上行通路中發送數據,必須要有一個IP地址,IP地址由動態主機配置協議(DHCP)伺服器分配。該伺服器可以作為終端設備系統的一部份,也可以是一個獨立的伺服器,根據纜線數據機MAC地址自動進行IP地址分配。在很多情況下,纜線數據機的MAC地址必須放在一個DHCP伺服器可以讀取的文件中,以便對纜線數據機進行認證並允許它註冊。它同時也告訴纜線數據機在普通文件傳輸協定(TFTP)伺服器上哪?可以找到配置文件,其中包含了一些重要的資訊,如服務類別和基線保密設置。除了這兩個伺服器之外,在文件頭端的時間(TOD)伺服器可提供‘真實’時間主時脈,這樣纜線數據機就可以加注日期和時間標記以便進行管理。圖5:一個典型的MPEG-2訊框。

為了測試協議的一致性,通常使用簡單網路管理協議(SNMP)對終端設備系統進行控制,SNMP為本地區域網管理服務提供命令並允許對管理資訊庫(MIB)對象作存取存取。MIB可以是公用的也可以是專用的,用於讀取和修改纜線數據機和終端設備系統中的活動。公用MIB是由DOCSIS規格定義的對象,它們描述那些需要查看和更改的特性,而專用MIB是由纜線數據機或終端設備系統供應商提供的對象,可對公用MIB沒有定義的特性進行存取。例如對一個公用MIB來說,可以利用SNMP命令終端設備系統下行訊號的目前狀態和設置資訊(圖8);而對專用MIB來說,可以控制終端設備系統接收器的功率水準。這個特性不需要改變,但如果可以改變,終端設備系統在輸入功率方面將比纜線數據機具有更大的靈活性。

測試面臨的挑戰

也許通過DOCSIS認證最大的挑戰是設計一個全面且可行的測試方法,涵蓋PICS表中的所有要求。ATP測試說明中包含了許多PIC計畫,但有些PIC在ATP中沒有相關測試。如果纜線數據機或終端設備系統不是百分之百起作用或無法模擬纜線系統的組件,那麼其它PICS也很難測試。許多PIC測試都需要耗費大量時間和資源,因此理想情況下,測試方法應使用最少的測試設備以及只作很少設置,並盡可能以最短時間完成,這樣可保證最快的上市時間。

下面我們主要討論三個重要的測試挑戰:


1. 如何靈活觸發上行通路脈衝測試。


2. 如何分析MAC協議層一致性。


3. 纜線數據機和終端設備系統的測試校準動態損耗。

1. 脈衝訊號觸發
許多頻譜分析儀和向量訊號分析儀都能夠選擇不同的頻率和振幅觸發脈衝,如果在所選範圍內訊號上升或下降到達了所選的閾值,分析儀將被觸發。現在的問題是頻譜和向量訊號分析儀本身無法從上行通路中分辨出那麼多類型的脈衝。每個脈衝都被設置為在下行通路UCD消息中具有不同屬性,包括調變類型、前端長度、FEC位元組、FEC程式碼字長度以及其它特性。任何參數都將影響脈衝的寬度並使得對上行訊號測量變得困難,因為每個脈衝類型都可以有不同的時間間隔,就像終端維持、REQ-BW和長數據脈衝所顯示出來的那樣。

纜線數據機註冊完成並開始發送數據後,最多可有四個上行通路脈衝類型,分別是在設定時間間隔出現的周期性測距脈衝、在數據脈衝前面的REQ-BW脈衝和兩個可能的數據脈衝類型,即短數據和長數據。盡量減少上行脈衝數量的方法之一是關閉所有的乙太網路通訊,這樣就除掉了Req-BW和數據脈衝,因而允許簡易觸發,因為只剩下周期性測距脈衝,觸發可以基於上升的RF訊號而不必也無需太多關注脈衝寬度。如果需要的話也可以透過對UCD消息解碼為內部使用程式碼(IUC圖6:為了使這些纜線數據機同步,終端設備系統周期性發送一個SYNC消息。圖7:為了控制上行傳輸的時序,終端設備系統傳輸MAP消息提供上行通路時間分配。 4)運算脈衝寬度。當使用周期性測距脈衝時,可以對纜線數據機發送器進行多次測量,但不幸的是,周期性測距脈衝有確定的數據格式,這使得進行所需測試變得較為困難。

一個可以用周期性測距脈衝實現的測試是ATP上行頻率範圍(PHY-10),該測試旨在驗證纜線數據機從5MHz(正頻寬偏差)到42MHz(負頻寬偏差)傳輸的能力。在這個測試中,纜線數據機首先被設置為5.1MHz上行訊息通道,符號率為每秒160ksym。分析儀擷取脈衝並測量載波頻率。只要滿足頻率或振幅條件,分析儀就會在周期測距脈衝上觸發。測量訊號頻譜的3dB頻寬並假定載波正好在頻寬中心位置,可以得到載波頻率,然而由於每個PHY-10載波頻率必須在50ppm的範圍內,所以該方法準確度不夠。

一個更加準確的方法是以向量訊號分析儀解調脈衝並在其錯誤報告中顯示頻率誤差結果,頻率誤差表示VSA中心頻率(標定的載波頻率)和實際測量的載波頻率之間的差別,結果應小於或等於50ppm才能符合規格要求。由於該測試必須在一個很大的頻率範圍進行測量,所以應使用五個不同的符號率和兩個不同的調變格式,在每項測量時觸發周期測距脈衝可以得到一致性很高的結果。

上行測試需要在上行通路用到不止一種脈衝類型。以頻譜形狀測量為例,該測試作為ATP PHY17的一部份,用於驗證濾波器α係數等於0.25以及脈衝頻率響應在各種調變格式和符號率條件下是否都能滿足限制條件。在這個測試中重要的是測量承載隨機有效載荷的脈衝,因為這樣可得到脈衝形狀的真實情況。如果數據不是隨機的,它的周期將以頻率峰值出現在脈衝?,這將使平坦性很難滿足規格要求。在正常作業條件下,從數據機獲取隨機資訊脈衝的唯一方式就是向其CPE埠提供隨機數據,並將該數據發送到終端設備系統。該隨機數據可以長數據或短數據脈衝類型發送。圖8:對公用MIB來說可以使用SNMP命令終端設備系統下行訊號的目前狀態和設置資訊。

即便乙太網路數據是隨機的,整個數據脈衝卻並不是隨機的。脈衝的開始部份包含了前同步碼和報頭資訊,這些資訊在測試過程中都是不變的。所以對於觸發電路來說有兩個挑戰。首先,測量必須在數據脈衝上而不是BW-REQ或RNG-REQ上觸發,因此數據機必須註冊並將數據發送到終端設備系統。其次,觸發電路必須提供一個符合脈衝隨機部份的觸發點。測量分析儀使用該觸發器收集頻域中的數據。

2. MAC分析
測量MAC管理消息的能力對於驗證終端設備系統和纜線數據機作業非常關鍵,管理消息在上行通路和下行通路中都會進行發送。在下行通路?,MAC消息融在MPEG-2訊框中,MAC消息可以插入到一個MPEG-2訊框中,也可以跨越多個MPEG-2訊框或多個MAC插入到一個MPEG-2訊框?。下行MAC消息包括SYNC、MAP、UCD以及其它管理消息。在上行通路?,MAC消息採用不同的上行脈衝形式傳送。如在UCD中定義REQ-BW和BW-REQ(IUC 1)脈衝一起發送,而REG-REQ則根據脈衝形狀設置的情況以短數據(IUC 5)或者以長數據(IUC 6)進行發送。

消息被調變到RF訊號上之後,在實體層驗證MAC管理消息非常重要。測試該部份可以驗證終端設備系統或纜線數據機是否完全可作業。例如測試MPEG子層ATP MPEG 01的MPEG和MAC層,可以驗證MPEG訊框結構是否準確且MAC消息是否正確放置在MPEG訊框?,它同時也驗證MPEG報頭的正確性,包括指針使用指示位和指針位。

發送到纜線數據機和從纜線數據機傳送回的MAC消息可以和上行通路的脈衝相關聯,ATP中有許多測試包含了MAC層內終端設備系統和纜線數據機間的聯繫情況。例如ATP上行傳輸功率(MP-01)測試,它測的是初始測距完成後終端設備系統調整纜線數據機功率的能力,纜線數據機必須能準確設置輸出功率水準以便對前端和數據機之間的線路損耗進行補償,該測試證實了設置纜線數據機輸出功率的下行和上行數據之間交互影響。測試開始時在下行通路用一個MAP消息為纜線數據機分配一個時隙以便將RNG-REQ傳輸到終端設備系統,當終端設備系統接收到RNG-REQ後,它向纜線數據機發送一個具有最優輸出功率的RNG-REQ給纜線數據機。為了驗證該過程,必須對下行MPEG進行解調,而且MAP的MAC消息和RNG-RSP必須解碼。在上行通路中,RNG-RSQ消息可以透過使用脈衝寬度觸發在終端維持脈衝上(IUC 4)進行觸發而生效。

3. 對校準的影響
纜線數據機必須與其它傳輸如NTSC或數位電視訊道共用頻譜,在這樣的環境下很容易受到噪音和其它損耗的影響。在上行通路頻帶,損耗來自隨機噪音、互調分量、電子干擾、未播出的訊號以及其它來源,這些損耗會降低訊息噪音比(SNR)而影響整個系統。更多用戶的加入也將增加損耗,由於這些大部份都產生在用戶端,因此會更進一步降低訊息噪音比。另外,纜線數據機和終端設備系統還絕不可以對纜線上的其它服務產生干擾。一些ATP測試要求測量必須在有實際損耗的情況下進行,如有臨近訊息通道干擾、訊息通道內或訊息通道外噪音和脈衝訊號,這樣可以在嚴格條件下驗證終端設備系統和纜線數據機接收器的性能。圖9顯示了DOCSIS下行載波上下兩個NTSC訊號,另外一個連續損耗的例子是ATP下行BER(PHY-07),它測試程式碼字錯誤率並將它和誤碼率聯繫起來。該測試希望透過分析作為MIB對象的前項糾錯(FEC)程式碼字統計間接測量誤碼率,因為程式碼字統計受損耗的影響,所以它可以作為誤碼率的一個指標。圖9:DOCSIS下行載波的上面和下面各有一個NTSC訊號。

上述測試過程要求終端設備系統傳輸64QAM和256QAM兩種調變訊號,一次傳送一個,並和其它相鄰訊息通道和載波組合,並調校為一個特定的訊息噪音比傳送到纜線數據機上。建議使用數據產生器在下行通路提供必要的資訊量,測試進行40分鐘後就可以從MIB中運算相鄰訊息通道干擾、圖像訊息通道干擾和總輸入功率的數據程式碼字錯誤率。總輸入功率測試需要對四個相等的載波求和,包括兩個QAM和兩個NTSC,以使數據機調諧器的輸入混頻器處於飽和狀態下。

對終端設備系統進行設置得到適合的QAM訊號很容易透過MIB或命令行介面(CLI)實現,但對SNR或載波╱噪音(C/N)訊號校準卻很困難。為了產生帶特定SNR損耗的下行訊息通道訊號,必須將第二個訊號加入到下行訊號中,這樣總訊號透過校準就可以為損耗提供合適的功率。在ATP測試中必須裝備許多額外的設備,包括資訊量產生器、NTSC視訊產生器、QAM調變器、C/M校準器、功率計、上變頻器、分路器、衰減器和合成器等等。當設置完成可以進行作業時,必須對程式碼字錯誤進行反覆運算。

測試終端設備系統和纜線數據機時其它一些損耗也是有用的,能夠分開上行通路整型位元組的損耗對於檢查用於上行數據的FEC和程式碼字很有用。該損耗透過一個調變脈衝訊號產生,其時間寬度等於上行通路訊號的整數位節。當訊號加入到上行通路時,可對不同的FEC模式進行檢查以確定糾錯過程是否工作正常。另一個有用損耗是改變的初始測距脈衝,它適用於檢查纜線數據機引導時的測距過程,透過檢查來自終端設備系統的RNG-RSP消息而實現。修改的初始測距脈衝可更改頻率、功率和時序以檢查RNG-RSP消息中的類型、長度、值(TLV)資訊,該MAC消息發送的偏差可以與加入到初始測距脈衝?的損耗一起進行評估。

本文結論

在目前競爭且快速發展的市場中,獲取DOCSIS認證對纜線數據機終端系統或纜線數據機而言其價值是無可置疑的。由於要滿足許多要求,所以獲得認證並不是很容易的一件事情。供應商可以選擇投入時間、資金和資源設計和建造自己的測試系統,但這樣卻存在很多風險,另外一個方法就是利用專業測試設備供應商的專業技能和經驗,在DOCSIS認證測試系統中完成寬頻通訊測試。

作者:Dave Abell


品質工程師


安捷倫科技公司


E-mail: dave_abell@agilent.com




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