Sự chuyển đổi thành DOCSIS 3.1: Một bản nâng cấp lớn
Năm năm sau khi phát hành thông số kỹ thuật 3.0, DOCSIS 3.1 đã có sẵn. Công nghệ này cho thấy sự thay đổi lớn so với lần lặp lại trước đó DOCSIS . Cho đến 3.0, kỹ thuật điều chế được sử dụng cho hạ lưu DOCSIS là (và vẫn là) SC-QAM, viết tắt của Single Carrier Quadrature Amplitude Modulation. Trong kỹ thuật điều chế này, tín hiệu một sóng mang được điều chế bằng cách sử dụng điều chế biên độ và pha ở một băng thông cụ thể. DOCSIS Tiêu chuẩn 3.0 điều chế tín hiệu sóng mang với tối đa 256 QAM (điều chế biên độ vuông góc) trên mỗi kênh.
DOCSIS 3.1 tận dụng các kỹ thuật điều chế mới hơn và tiên tiến hơn được gọi là Phân chia tần số trực giao (OFDM) và truy nhập đa tần phân chia theo tần số trực giao (OFDMA). OFDM chia băng thông đã chiếm dụng thành nhiều tần số kênh con băng hẹp thay vì chỉ một kênh băng rộng. OFDM bao gồm nhiều sóng mang con trực giao, mỗi sóng mang con có thể được điều chế với một thứ tự điều chế khác nhau, do đó bạn có thể sử dụng băng thông hiệu quả thay vì chỉ sử dụng truyền băng thông cụ thể. Vì các sóng mang con là trực giao, chúng có thể được đặt gần nhau mà không cần bất kỳ băng tần bảo vệ nào. Điều này dẫn đến việc sử dụng băng thông hiệu quả hơn và dẫn đến tốc độ dữ liệu cao hơn và hiệu suất tốt hơn trong các điều kiện mạng đầy thách thức. OFDMA, như truy nhập đa hàm ý, tương tự như OFDM, lấy một kênh và chia nhỏ kênh đó, nhưng nó có thể chỉ định các kênh con này cho nhiều thiết bị và tần số hiệu quả hơn theo thời gian. Bằng cách sử dụng các thứ tự điều chế cao hơn và hiệu quả hơn như 1k-QAM đến 4k-QAM thay vì 256 QAM, các nhà cung cấp cáp có thể đóng gói nhiều bit hơn trên mỗi hertz.
Những thay đổi này mang lại lợi ích to lớn cho giao thức bao gồm:
- Dễ dàng thích nghi với điều kiện kênh đào khắc nghiệt.
- Sử dụng hiệu quả phổ tần bằng cách chia sẻ phổ tần giữa nhiều người dùng với công nghệ truy cập đa kênh.
- Giảm thiểu nhiễu.
- Các chương trình điều chế linh hoạt.
Đồng thời, một thay đổi lớn như vậy khiến việc triển khai phức tạp hơn nhiều so với các thông số kỹ thuật trước đó. Việc triển khai là (và vẫn là) một công việc lớn và không diễn ra trong một sớm một chiều. Nhiều nhà điều hành hệ thống (MSO) yêu cầu thiết kế lại toàn bộ phần cứng và điều này trở thành chi phí lớn cho việc triển khai các thiết bị thụ động và chủ động của hệ thống kết thúc modem cáp (CMTS) mới. Trong một số trường hợp, bản thân cơ sở hạ tầng cần được thiết kế lại. Ví dụ, băng tần thượng nguồn 85MHz được gọi là 'chia đôi' ít có vấn đề hơn đáng kể so với DOCSIS Thiết bị 3.0 sử dụng cùng băng thông; tuy nhiên, băng tần 204MHz được gọi là 'phân chia cao' yêu cầu thay đổi thiết bị, bao gồm cả thiết bị tại cơ sở của khách hàng. Ngoài ra, mạng cần nâng cấp để nâng giới hạn trên của phổ hạ lưu. Điều này khá khó khăn vì cần phải thay thế cả thiết bị thụ động và chủ động.
Băng thông mạng và mở rộng kênh
Từ DOCSIS 3.1 cho phép mở rộng mạng lưới cả về phía thượng nguồn và hạ nguồn khi cần thiết bởi các nhà khai thác, một khía cạnh quan trọng của DOCSIS 3.1 là nó hoạt động trên các mạng HFC hiện có. Các mạng đó có thể được cập nhật để chứa nhiều băng thông hơn, như đã nêu trong DOCSIS 3.1 đặc điểm kỹ thuật:
Theo hướng hạ lưu, hệ thống cáp được cho là có băng thông với cạnh dưới là 54 MHz, 87,5 MHz, 108 MHz hoặc 258 MHz và cạnh trên phụ thuộc vào việc triển khai nhưng thường nằm trong phạm vi từ 550 đến 1002 MHz. Các cạnh tần số trên mở rộng đến 1218 MHz, 1794 MHz và các cạnh khác dự kiến sẽ có trong quá trình di chuyển các nhà máy để tăng dung lượng mạng.
Ở hướng ngược dòng, hệ thống cáp có thể có các băng tần 5-42 MHz, 5-65 MHz, 5-85 MHz, 5-117, 5-204 MHz hoặc băng thông với biên băng tần trên vượt quá 204 MHz.
Cái gì mới nhất DOCSIS phiên bản?
Sau khi thực hiện DOCSIS 3.1, khách hàng tiếp tục yêu cầu tốc độ cao hơn và băng thông rộng hơn. Trong DOCSIS , nhu cầu luôn thúc đẩy công nghệ. Vì vậy, trong khi một số sẽ tiếp tục theo đuổi việc giới thiệu các dịch vụ đa gigabit, thì vẫn có những lợi ích khác đối với kết nối băng thông rộng. Đó là mạng lưới đáng tin cậy và độ trễ thấp thúc đẩy DOCSIS ngành công nghiệp mở rộng đầu tư vào HFC và tiếp tục trên con đường hướng tới 10G. DOCSIS 3.1 có giới hạn thiết lập cho upstream và thị trường cho thấy rằng nó không đủ cao. Việc sử dụng tăng 50% mỗi năm và với tốc độ này, dung lượng tối đa cho upstream sẽ nhanh chóng bị vượt qua. Ngoài ra, nhu cầu không chỉ giới hạn ở tốc độ đa gigabit đối xứng trên mạng HFC mà còn là độ trễ thấp, độ nhiễu liên tục và độ tin cậy. Đây là những động lực để chuyển sang DOCSIS 4.0 và 10G là bước tiếp theo. 10G cung cấp tốc độ cao hơn, độ tin cậy cao hơn, bảo mật tốt hơn và độ trễ thấp hơn.
Ngày nay, các MSO phải tăng tốc độ và dung lượng truyền tải bằng cách tăng cả băng thông truyền tải xuống và truyền tải lên. DOCSIS Chuẩn 4.0 có dải tần số rộng hơn cho cả truyền tải lên và truyền tải xuống ở mức 684 MHz, có khả năng cung cấp tốc độ 10 Gbps cho truyền tải xuống và lên tới 7 Gbps cho truyền tải lên.
DOCSIS 4.0
Để đạt được những kết quả này, DOCSIS 4.0 có 2 loại khác nhau. Đó là Frequency Division Duplex (FDD) và Full Duplex DOCSIS (FDX).
Phân chia tần số song công và song công toàn phần DOCSIS (FDX)
Chế độ FDD về cơ bản là một phần mở rộng của DOCSIS 3.1, tận dụng cùng một công nghệ. Nó cũng được gọi là Phổ mở rộng DOCSIS (ESD) ngụ ý rằng nó mở rộng phổ chỉ dành cho upstream và phổ chỉ dành cho downstream độc lập với nhau. Với FDD, 5-85 MHz được sử dụng cho phiên bản cũ (giống như bản sửa đổi trước) trong khi phổ upstream có thể được mở rộng lên tới 684 MHz. Điều này để lại 108-684 MHz chỉ dành cho upstream và nó giới thiệu bốn tùy chọn chia tách mới: 300 MHz, 396 MHz, 492 MHz và 684 MHz. FDD cũng giới thiệu một sự mở rộng cho phổ downstream lên 1,8 GHz. MSO có thể cung cấp nhiều băng thông hơn và tốc độ dữ liệu cao hơn cho cả upstream và downstream, và nó là đối xứng. 
Nguồn: Thông số kỹ thuật giao diện dịch vụ dữ liệu qua cáp DOCSIS® 4.0 -CableLabs
Mặt khác, FDX là một công nghệ mới chưa từng được sử dụng trước đây. Công nghệ FDX cải thiện dung lượng bằng cách cho phép các thiết bị mạng truyền đồng thời cả kênh xuôi dòng và ngược dòng trong cùng một phổ tần 108-684MHz. Ngoài ra, phổ tần chỉ dành cho xuôi dòng còn mở rộng thêm lên đến 1,2GHz. Dung lượng ngược dòng tăng lên với FDX nằm trong phổ tần được chia sẻ và linh hoạt và hiệu quả hơn. Những người dùng khác nhau có thể sử dụng băng tần 108-684 cho các mục đích khác nhau và không có vấn đề gì. Vì truyền ngược dòng và xuôi dòng chia sẻ cùng một phổ tần nên cần có công nghệ khử tiếng vang mới để biến FDX thành hiện thực. Modem cáp (CM) phải ngăn chặn mọi nhiễu do phổ tần được chia sẻ gây ra, điều này có thể làm tăng độ phức tạp của các thiết bị như nút, modem cáp và bộ khuếch đại. Vì kiến trúc 3.1 và FDD không có phổ tần được chia sẻ này nên không phải là vấn đề đáng lo ngại ở đây.
Nguồn: Thông số kỹ thuật giao diện dịch vụ dữ liệu qua cáp DOCSIS® 4.0 -CableLabs
MSO có thể linh hoạt lựa chọn công nghệ mà họ sẽ triển khai, cho dù đó là FDD hay FDX, nhưng không thể chọn thực hiện cả hai; sự khác biệt giữa các phương pháp triển khai và thiết bị cần thiết khiến nó quá đắt. Người ta vẫn chưa quyết định được phương pháp nào được ưu tiên nhưng CableLabs đã phát triển thông số kỹ thuật 4.0 cho cả hai công nghệ.
Bản phát hành đầu tiên của thông số kỹ thuật 4.0 là vào tháng 8 năm 2019. Nó đã được sửa đổi nhiều lần và sẽ tiếp tục được sửa đổi. Thông số kỹ thuật này bao gồm những gì có trong lớp PHY, những gì có trong lớp MAC và cách các hệ thống phải giao tiếp theo các thuật ngữ DOCSIS 4.0. Lớp PHY là lớp vật lý của mô hình kết nối hệ thống mở (OSI). Nó quản lý việc truyền dữ liệu cấp bit giữa các thiết bị và giúp đồng bộ hóa giao tiếp. Lớp MAC có các chức năng cần thiết để vận hành mạng.
Về tính khả dụng của silicon, có rất nhiều lựa chọn vì rất ít nhà sản xuất chip tập trung vào DOCSIS 4.0. Dựa trên tin tức và thử nghiệm của MSO, có silicon cho các thiết bị FDX và FDD, bao gồm cả PHY từ xa và modem cáp. Cả Broadcom và Maxlinear đều được báo cáo là tham gia phát triển silicon cho DOCSIS 4.0.
Vì FDD và FDX có bản chất rất khác nhau nên việc triển khai các công nghệ này cũng rất khác nhau.
FDD về cơ bản là phần mở rộng của D3.1, nó sẽ dễ triển khai hơn, nhưng do băng tần rộng hơn nên nhà máy phải được chuẩn bị. FDD sử dụng phổ tần từ 1,2 GHz và 1,8 GHz, đòi hỏi nhà máy phải thay thế các thiết bị chủ động và thụ động, như vòi và bộ khuếch đại. Điều này rất phức tạp và tốn kém. Cho đến nay, bộ khuếch đại chỉ đạt tới 1 GHz, không đủ để hỗ trợ phần mở rộng này. Tính đến năm 2023, các bộ khuếch đại mới hơn đã bắt đầu xuất hiện trên thị trường, vì vậy một giải pháp đang được tiến hành.
FDX được hình dung là có thể áp dụng cho cấu trúc N+0, không gì khác ngoài mạng cáp quang chạy gần nhà, còn được gọi là cáp quang sâu. N biểu thị nút và số biểu thị số bộ khuếch đại mà nó sẽ yêu cầu. Vì nó bằng không, nên không cần bộ khuếch đại. Tuy nhiên, khi bộ khuếch đại FDX bắt đầu xuất hiện trên thị trường, cấu trúc N+0 cuối cùng trở thành giải pháp tốn kém và không phù hợp với phần lớn diện tích cáp. Cần cân nhắc đến các vùng nông thôn không có cơ sở hạ tầng phù hợp.
Công cụ và Chiến lược cho Băng thông Mạng và Mở rộng Kênh
Tất nhiên, việc lập kế hoạch và triển khai các băng thông mở rộng này sẽ đòi hỏi các công cụ và chiến lược mới. Một số yếu tố cần được triển khai để thích ứng với phổ tần số thay đổi bao gồm:
- Một bộ phân tích giao thức có khả năng bao phủ toàn bộ băng tần. Điều này sẽ giảm thiểu chi phí vốn khi các nhà khai thác bắt đầu sử dụng các băng tần trên.
- Cấu hình kênh xuôi dòng và ngược dòng cho phép hoạt động ở các băng tần khác nhau.
- Các thiết bị mô-đun cho phép nâng cấp và mở rộng khả năng của hệ thống khi nhu cầu mạng phát triển với các tính năng và chức năng bổ sung sử dụng cùng phần cứng và thành phần.
- Nhiều hệ thống có thể được đồng bộ hóa để cung cấp phạm vi phủ sóng và phân tích mở rộng DOCSIS ban nhạc.
Kiểm tra DOCSIS 4.0
Trước khi một CM có thể tung ra thị trường, nó phải được chứng nhận theo các quy trình kiểm tra chấp nhận của CableLab hoặc ATP cho lớp PHY. Tất cả các thiết bị phải hoàn thành một loạt các bài kiểm tra để tuân thủ thông số kỹ thuật áp dụng nhằm chứng minh khả năng tương tác với các thiết bị được chứng nhận khác. Các thiết bị có khả năng tương tác dựa trên các thông số kỹ thuật chung tạo điều kiện cho người tiêu dùng lựa chọn, triển khai thành công các công nghệ mới và giảm chi phí cho MSO và người tiêu dùng. MSO phải gửi modem của họ đến Kyrio để chứng nhận. Họ chạy tất cả các ATP cho tất cả các PHY khác nhau và so sánh chúng với thông số kỹ thuật.
Đó là lý do tại sao việc tự động hóa ATP là rất quan trọng. Để thực hiện các thử nghiệm này theo cách thủ công sẽ mất nhiều tháng và không thể đảm bảo tính nhất quán hoặc khả năng lặp lại. Một hệ thống thử nghiệm tự động sẽ cắt giảm thời gian thử nghiệm theo cấp số nhân và cung cấp kết quả đáng tin cậy và có thể tái tạo mỗi lần. Sẽ luôn có cùng một dữ liệu và cùng một độ chính xác bất kể các thử nghiệm được chạy bao nhiêu lần.
Averna là một chuyên gia trong DOCSIS Kiểm tra
Hệ thống xác minh thiết kế Jupiter 310 CPE đã được Averna phát triển để tự động chạy PHY ATP cho DOCSIS 3.0, 3.1 và 4.0. Các nhà sản xuất chipset trên toàn thế giới tận dụng công cụ này để đảm bảo chứng nhận với Kyrio. Điều cực kỳ quan trọng là tất cả các bài kiểm tra phải vượt qua, vì nó có thể trở thành một nỗ lực rất tốn kém và mất thời gian nếu CM được gửi đi để chứng nhận thường xuyên hơn. Để tránh bất kỳ lỗi kiểm tra nào, các công ty giữ J310 của riêng họ tại chỗ để đủ điều kiện trước và giải quyết bất kỳ sự khác biệt nào so với ATP trước khi gửi sản phẩm của họ đến Kyrio. Nó cũng nhanh chóng tạo ra các tài liệu bắt buộc mà các công ty yêu cầu để truy xuất nguồn gốc.
DOCSIS Phân tích giao thức
Ở mức cơ bản, các nhà điều hành mạng có thể thực hiện phân tích giao thức, thường được gọi là "packet sniffing", để bắt các gói tin và giải mã chúng thành các thành phần cấu thành, đặc biệt là để khắc phục sự cố truyền thông. Mặc dù đây là ứng dụng truyền thống của các trình phân tích giao thức, nhưng chúng thực sự có thể làm được nhiều hơn là packet sniffing; ví dụ, chúng có thể hữu ích đáng ngạc nhiên trong nhiều khía cạnh của quản lý mạng để phân tích, gỡ lỗi, bảo trì và giám sát các mạng cục bộ và kết nối Internet.
Bằng cách cung cấp số liệu thống kê về lưu lượng mạng, các trình phân tích giao thức có thể đóng vai trò quan trọng trong việc giúp MSO xác định các xu hướng có thể dẫn đến các vấn đề mạng khác. Vì các công cụ này rất linh hoạt nên có thể được nhiều cá nhân có trách nhiệm về mạng hoặc bất kỳ ai cần hiểu rõ hơn về các vấn đề lưu lượng sử dụng. Trình phân tích giao thức có thể được sử dụng cho nhiều tình huống khác nhau như:
- Xử lý sự cố mất điện và gián đoạn dịch vụ theo thời gian thực
- Phân tích hành vi mạng lạ
- Tạo số liệu thống kê theo thời gian thực và lịch sử để giúp quan sát sức khỏe và hành vi của liên kết theo thời gian
- Kiểm tra và xác nhận trong phòng thí nghiệm
Trong vài thập kỷ qua, các công cụ phân tích giao thức đã được chứng minh là giải pháp hiệu quả để gỡ lỗi và giải quyết các vấn đề mạng. Do bản chất thay đổi của mạng, trình phân tích giao thức cần phải linh hoạt, có thể nâng cấp và mở rộng để xử lý các tiêu chuẩn giao thức đang phát triển như DOCSIS 4.0. Nó cũng phải duy trì khả năng tương thích ngược. Việc thăm dò mạng không xâm lấn của trình phân tích giao thức, kết hợp với khả năng thực hiện các phép đo RF và thực hiện phân tích giao tiếp cấp MAC, có thể cung cấp mức giám sát bổ sung đó. Các chức năng quan trọng của trình phân tích giao thức bao gồm: 
- Xác thực giao tiếp cấp MAC bao gồm:
- Xác thực rằng tin nhắn từ CMTS hoặc CM được định dạng đúng.
- Xác minh rằng một số giao dịch giữa CMTS và CM (ví dụ: cơ chế REQ/RSP/ACK) diễn ra đúng trong điều kiện bình thường.
- Xác minh cách CMTS hoặc CM phản ứng với một số sự kiện bằng cách phân tích nội dung của các thông báo MAC kết quả.
- Giải điều chế thời gian thực. Các ứng dụng có thể bao gồm:
- Giải điều chế thời gian thực và hiển thị bộ mô tả kênh OFDM (OCD) để cung cấp thông tin hữu ích cho việc gỡ lỗi CMTS và hiểu lý do tại sao CM không khóa.
- Cung cấp khả năng giám sát bổ sung bằng cách cho phép người vận hành bật báo động và cảnh báo ngưỡng.
- Khả năng kích hoạt:
- Bộ kích hoạt chụp, có thể được cấu hình cho các loại tin nhắn cụ thể hoặc địa chỉ nguồn đích (MAC).
- Một bộ kích hoạt phần cứng, có thể được cấu hình cho các loại tin nhắn cụ thể. Tùy chọn này cho phép các thiết bị và thiết bị khác – chẳng hạn như máy phân tích phổ hoặc thậm chí tích hợp vào giải pháp tùy chỉnh – mở rộng DOCSIS thử nghiệm các kịch bản và khả năng.
- Khả năng ghi lại các gói tin truyền thông
- Hỗ trợ nhiều chuẩn giao thức.
Cái mới này DOCSIS tiêu chuẩn mang lại sự phức tạp, do đó các công cụ phân tích giao thức thế hệ tiếp theo phải đủ linh hoạt để xử lý các giao thức hiện có DOCSIS tiêu chuẩn, mới DOCSIS các yêu cầu nghiêm ngặt của tiêu chuẩn và sự phát triển của nó. Các công cụ như vậy sẽ cho phép các nhà điều hành - cả theo thời gian thực và ngoại tuyến - giám sát, phân tích và khắc phục sự cố mạng của họ một cách hiệu quả theo nhiều cách thiết thực và có lợi.
Hãy theo dõi chuyên gia kiểm tra của chúng tôi!
Cập nhật các xu hướng công nghệ mới nhất, các phương pháp hay nhất và mẹo được chia sẻ trong sách điện tử, sách trắng và nhiều nội dung khác của chúng tôi.
