Rozwój systemów transmisji danych dla sieci kablowych

Branża operatorów HFC w ostatnich 10 latach przeszła bardzo znaczące zmiany technologiczne, sieć transportowa z jedno kierunkowej, oferującej jedynie usługi analogowej telewizji, zmieniła się w alternatywę dla tradycyjnych sieci telekomunikacyjnych, oferując szeroką gamę usług. Proces ten rozpoczął się wdrożeniem usługi szybkiej transmisji danych, a następnie telefonii IP. Kolejnymi kamieniami milowymi, które zwiększyły atrakcyjność oferty operatora sieci HFC, było wdrożenie telewizji cyfrowej oraz usług video na żądanie.

Dążąc do zapewnienia odpowiedniej jakości wymienionych usług, sieć operatora telekomunikacyjnego, pracującego w architekturze HFC jak i w architekturach alternatywnych, musi spełniać wiele wymogów od strony technologicznej. W szczególności należy wyróżnić:

•     Wysoką niezawodność
•     Wysoką wydajność
•     Wysoką przepływność oferowanych usług
•     Skalowalność oraz elastyczność architektury

Zagwarantowanie powyższych wymogów na poziomie każdego istotnego elementu sieci operatora, daje podstawy do świadczenia nowoczesnych i konkurencyjnych usług, na bardzo dynamicznie rozwijającym się rynku usług szerokopasmowych.

Krytyczne elementy sieci dla świadczenia usług, już dziś swoją konstrukcją zapewniają niezawodną pracę oraz wysokie jej parametry. Do najważniejszych elementów sieci, między
innymi należą urządzenia pracujące na styku z operatorami kompleksowymi jak routery brzegowe oraz systemy brzegowe dla telefonii IP. Nie mniej istotne są urządzenia pracujące wewnątrz sieci operatora HFC, jak kontrolery modemów kablowych, urządzenia sieci szkieletowych, urządzenia dla telefonii IP, systemy serwerowe, systemy zarządzania oraz zasilania.

Podstawowy element sieci, jakim jest kontroler modemów kablowych, powinien być nowoczesnym urządzeniem skonstruowanym wedle zasad budowania urządzeń klasy operatorskiej. Powinien on zapewniać niezawodność na poziomie 99,999%, w praktyce oznacza to, że urządzenie musi pracować bez jakiejkolwiek dłuższej przerwy (zapewnienie takiej niezawodności oznacza, że nie może on nie pracować powyżej 5,26 minuty w skali roku).

Jak wymogi te należy odnieść do kontrolera modemów kablowych? Możemy to prześledzić na przykładzie kontrolera ARRIS C4 CMTS.
Do realizacji powyższego założenia należy przyjąć, że w urządzeniu nie wystąpi pojedynczy punkt awarii. ARRIS C4 CMTS poprzez swoją modularną budowę realizuje te założenia na kilku płaszczyznach. Podstawą niezawodności systemu jest wielostopniowa kontrola pracy wszelkich elementów urządzenia, która jest realizowana na każdym module urządzenia z osobna oraz na modułach kontrolnych. Istotny jest fakt, że kontrola pracy urządzenia odbywa się bez straty wydajności urządzenia, gdyż funkcje kontrolne są realizowane na odrębnych układach procesorowych.
Kolejnym elementem jest zintegrowany przełącznik RF, zapewniający wewnętrzną komunikację pomiędzy wszystkimi kartami kablowymi, który umożliwia zrealizowanie bardzo elastycznie działającej redundancji na wszystkich modułach.
Zdublowanie wewnętrznej szyny danych, która niezawodnie łączy wszystkie elementy systemu, zapewnia w przypadku uszkodzenia jednej z nich, dalszą pracę urządzenia. Szyny danych łączą między innymi moduły kontrolne i sieciowe, które również pracują w pełnej redundancji. Do uzyskania niezawodności świadczenia usług niezwykle istotne jest wsparcie ze strony oprogramowania – W urządzeniu ARRIS C4 CMTS po raz pierwszy na rynku kontrolerów zastosowano możliwość aktualizacji oprogramowania bez przerwy w świadczeniu usługi – technologię „Hitless Software Upgrade”.

Tylko spełnienie wszystkich powyższych założeń dla niezawodnej pracy systemu umożliwia świadczenie niezawodnych usług telekomunikacyjnych, w tym najbardziej czułej usługi jaką jest telefonia IP typu „Primary Line”. Niezawodność systemu i jego pełna dostępność jest podstawowym wymogiem dla świadczenia usług telekomunikacyjnych na wysokim poziomie.

Nie mniejsze znaczenie ma wydajność, nowatorstwo i elastyczność systemu. Operatorzy sieci HFC we współpracy z CableLabs® pracują nad nowymi standardami, które mają na celu poprawę wydajności i elastyczności architektury systemów transmisji danych. Efektem prac jest nowa wersja standardu DOCSIS 3.0. Standard ten ma pozwolić na rozwiązanie kilku problemów dzisiejszych systemów transmisji danych:

•     Umożliwić transmisję do abonenta o przepływności powyżej 100 Mb/s dzięki technologii łączenia kanałów (channel bonding)
•     Uelastycznić konfigurację systemu poprzez rozdzielenie modułów upstream i downstream
•     Zwiększyć ilość obsługiwanych urządzeń poprzez implementacje nowej wersji protokołu IP (IPv6)

W efekcie zaproponowano dwie architektury nowego systemu I-CMTS i M-CMTS. Architektura I-CMTS (Integrated CMTS) pozwala na realizację ww. zadań poprzez niezmienioną architekturę urządzeń. Niezależne moduły upstream i downstream pracują w jednym chassis realizując ponadto funkcje łączenia kanałów. Dzięki temu w prosty sposób można wykorzystać zalety nowego standardu.

Kontroler C4 już dziś dzięki technologii FlexPath® jest w stanie (w połączeniu z modemami wideband WBM 650) świadczyć usługi pow. 100 Mb/s. Dalszy rozwój systemu przewiduje nowe karty zawierające jedynie kanały downstream (16d) oraz jedynie kanały upstream (12u). Pozwala to na pełną realizację założeń DOCSIS 3.0 i jednocześnie znaczący wzrost skalowalności rozwiązania.

Architektura modularnego kontrolera modemów kablowych (M-CMTS) opiera się o kilka założeń. Pierwszym założeniem jest sprostanie nowemu trendowi jaki pojawił się wraz z rozwojem usług IPTV oraz VoD w sieciach HFC, czyli znacznie większe zapotrzebowanie na pasmo w kanale dosyłowym. Jest to zmiana trendu w porównaniu z wcześniejszymi założeniami projektowania sieci transmisji danych w sieciach HFC. Drugim założeniem było zbudowanie niezależnej platformy, która będzie mogła obsługiwać tylko moduły kanału dosyłowego, moduły kanału zwrotnego oraz moduły z wydzieloną logiką warstwy MAC dla systemu DOCSIS®. Dzięki temu można wykorzystać modulatory EdgeQAM pracujące w systemach telewizji cyfrowej i VoD. Kanały dosyłowe mogą pracować zarówno jako kanały DOCSIS jak również jako kanały transmitujące paczki programowe dla systemów DTV.

Prezentowany na Rys 2 diagram pokazuje możliwe drogi migracji z rozwiązań, które pracują w standardzie DOCSIS® 2.0 do architektury DOCSIS 3.0.

Odpowiedzią firmy ARRIS na zapotrzebowanie do budowy platformy M-CMTS jest urządzenie Keystone D5 DMTS (ang. Digital Multimedia Termination System). Główną cechą tego systemu ma być duża elastyczność, w związku z tym ARRIS C4 CMTS będzie pełnił funkcję kontrolną nad pozostałymi elementami rozwiązania, dodatkowo będzie agregował ruch zwrotny od użytkowników systemu, posiadając odpowiednią ilość modułów kanału zwrotnego. Natomiast urządzenia Keystone D5 M-CMTS będą zawierały znacznie większą ilość efektywnych kosztowo kanałów dosyłowych (nawet do 48 kanałów dosyłowych na jedno urządzenie).

Schemat zaprezentowany na rys 3 przedstawia dzisiejszą realizację sieci HFC ze wszystkimi usługami pracującymi w oparciu o jedno medium transmisyjne oraz w oparciu o centralny kontroler modemów kablowych. Architektura ta, wraz z rozwojem tendencji budowania sieci opartych o modularny kontroler modemów kablowych (M-CMTS) będzie mogła migrować do architektury modularnej z wykorzystaniem znacznej ilości urządzeń typu Keystone D5 pracujących jako EdgeQAM lub jako M-CMTS.

Opisany powyżej rozwój tendencji i technologii sprzyja świadczeniu nowoczesnych usług telekomunikacyjnych, które w dobie tak szybkich zmian na tym rynku, jest jedyną realną przewagą konkurencyjną. Na dziś nie jest ważny rodzaj medium dostępowego jakim docieramy do klienta końcowego, jednym istotnym elementem walki konkurencyjnej jest oferowany pakiet usług.

Operator sieci HFC dzięki DOCSIS 3.0 uzyskał dziś niepodważalną przewagę technologiczną nad największym konkurentem – konwencjonalnym operatorem sieci telekomunikacyjnej. Wykorzystanie C4 i technologii FlexPath pozwala już dziś na realizację usług transmisji danych pow. 100 Mb/s.