2.7.2 Станционное оборудование кабельной модемной связи

Н исходящий трафик. Структурная схема модернизированной для передачи данных головной станции приведена на рис. 2.7. Здесь IP-маршрутизатор связан с сетью Интернет высокоскоростной системой передачи, работающей на скорости 622 Мбит/с (STM-4) или выше. Данные, полученные из сети Интернет, поступают на быстродействующий сетевой Ethernet-коммутатор, который направляет их на модулятор нисходящего трафика. В модуляторе используется алгоритм квадратурной амплитудной модуляции (англ. QAM – Quadrature Amplitude Modulation). Согласно с алгоритмом QAM передаваемое сообщение кодируется одновременными изменениями амплитуды синфазной и квадратурной компонент гармонического несущего колебания (обычно с частотой 45 МГц), которые сдвинуты по фазе друг относительно друга на /2. При использовании метода QAM каждое сочетание определённого значения фазы с определённым значением амплитуды несущего колебания представляет определенную комбинацию двоичных чисел. Существует несколько вариантов QAM-х, где х = 4; 16; 32; 64; 128 и 256. Сейчас для модуляции нисходящего трафика, как правило, используется QAM-64, при которой каждое из 64 сочетаний значений амплитуды и фазы несущей представляет определённое шестиразрядное двоичное число (2⁶ = 64).

Скорость передачи данных по стандартному каналу с шириной полосы 8 МГц составляет около 27 и 40 Мбит/с для алгоритмов QAM-64 и QAM-256 соответственно. Обе приведённые цифры (27 и 40 Мбит/с) впечатляют. Но даже если нисходящие потоки данных будут передаваться по реальным каналам связи со столь высокой скоростью, компьютер пользователя всё равно не сможет принимать их со скоростью большей 10 Мбит/с из-за ограниченности быстродействия Ethernet-трансивера, установленного внутри модема, и АЧХ соединительных кабелей, посредством которых кабельный модем подключён к компьютеру.

В кабельном модеме (рис. 2.7) сформированный QAM-сигнал подается на повышающий преобразователь, переносящий его спектр в ВЧ область. Несущая частота нисходящего канала передачи данных выбирается оператором в диапазоне 54…550 или до 750 МГц (а в случае, если в спектр предоставляемых оператором услуг входит и цифровое телевидение – до 860 МГц). Канал (несущую частоту) для передачи нисходящего трафика оператор выбирает исходя из собственной схемы распределения частот (ведь помимо Интернет-трафика оператор ещё обеспечивает трансляцию большого количества каналов ТВ). Устройство уплотнения каналов объединяет ВЧ-сигнал, несущий Интернет-трафик, с групповым ТВ сигналом. Затем суммарный электрический сигнал преобразуется в оптический (Э/О-преобразование) и передаётся по оптическому волокну на оптические узлы. Здесь оптический сигнал преобразуется в электрический (О/Э-преобразование) и передаётся на модемы в дома абонентов по КК.

Комплекс станционного оборудования для модуляции, демодуляции, преобразования с повышением/понижением частоты и т. д., назвают «терминальная система кабельной модемной связи» – ТСКМС (англ. CMTS – Cable Modem Terminal System). Работу всей сети контролирует специальный блок управления, в котором имеется, в частности, программа-планировщик, а также программа назначения передающего канала (выбирающая, какой из отведённых под Интернет-трафик каналов – от 1-го до n-го – использовать в данный момент). Кабельные модемы, устанавливаемые в домах абонентов, и оборудование ТСКМС должны быть взаимно совместимы, т.е. использовать одни и те же протоколы и один и тот же временной отсчёт. Отметим, что временной отсчёт и синхронизация играют важную роль в работе сети кабельной модемной связи.

Восходящий трафик. Механизм передачи восходящего трафика более сложен. Исходя из соображений простоты технической реализации, совместимости с существующим ТВ оборудованием, а также по результатам эксплуатационных испытаний, большинство операторов и производителей оборудования используют для передачи восходящего трафика полосу частот 5…65 МГц (в Европе). Однако этот диапазон подвержен влиянию импульсных помех от бытовых и промышленных электроприборов, а также помех от частной, служебной и любительской радиосвязи. Вышеописанный метод QAM, используемый для передачи нисходящего трафика и обеспечивающий достаточно высокую скорость передачи данных, как оказалось, не подходит для передачи в зашумлённой среде, и поэтому не может быть использован для передачи восходящего трафика.

Для передачи восходящего трафика используется квадратурная фазовая модуляция (англ. QPSK – Quaternary Phase-Shift Keying). Она обладает большей помехоустойчивостью, но при этом даёт меньшую скорость передачи данных. Однако пониженная скорость не снижает общей производительности сети, поскольку восходящий трафик менее интенсивен, чем нисходящий. Простейший вариант алгоритма QPSK оперирует четырьмя символами, которые представлены четырьмя точками на амплитудно-фазовой диаграмме – каждая последующая точка смещена на 90° относительно предыдущей. Если каждому из этих символов присвоить своё двухразрядное двоичное число, то таким образом будут представлены все четыре возможные двухбитовые комбинации.

В соответствии со спецификациями DOCSIS, канал, предназначенный для передачи восходящего трафика, может иметь ширину полосы пропускания, равную 200, 400, 800, 1600 или 3200 кГц. Оператор, исходя из используемой им модели трафика, сам выбирает один из пяти приведённых значений. При использовании алгоритма QPSK скорость передачи данных по таким каналам равна, соответственно, 0,32; 0,64; 1,28; 2,56 и 5,12 Мбит/с.