16

CMTS (Cable Modem Termination System) - Кабельные модемы

CMTS является роутером/шлюзом для всех STB, подключенных к сети кабельного ТВ. Он осуществляет маршрутизацию между STB и внешней сетью IP, например внутренней сетью кабельного оператора или Интернет. Кабельный модем подключают коаксиальным кабелем к телевизионной разводке компании-оператора КТВ с помощью разветвителя. Второй выход разветвителя соединяется с телевизором абонента. К компьютеру кабельный модем подключают через порт Ethernet 10BASE-T. Сейчас также применяют USB-интерфейс, не требующий установки сетевой платы в компьютер пользователя. Таким образом можно подключить и целые локальные сети. У интернет-провайдера в этом случае устанавливается головная станция кабельных модемов (CMTS - Cable Modem Termination System), способная обслуживать несколько тысяч пользователей. В кабельной сети модемы взаимодействуют только с головной станцией провайдера, а не между собой. Головная станция, используя временное мультиплексирование, работает с каждым кабельным модемом в соответствии с его классом обслуживания. Следует отметить, что возникновение новой технологии вызвало на свет целый ряд кабельных модемов, таких как LANcity (Nortel Networks), SurfGate (ECI Telecom) и другие. Эти модемы не взаимозаменяемы, каждая система имеет свои характеристики, и провайдер может предложить пользователям работу только с определенным набором кабельных модемов конкретного производителя. С появлением международного стандарта ITU-T J.112, сертификацию оборудования на соответствие стандарту DOCSIS проводит международная организация CableLabs. Многие производители оборудования стали стремиться к поддержке этого стандарта. К настоящему времени CableLabs сертифицировало три головные станции: Cisco, Motorola и Arris (Nortel Networks), а также ряд моделей таких производителей кабельных модемов, как Cisco, Samsung, 3Com, Arris. Следование международному стандарту, с одной стороны, из-за возникающей конкуренции заставляет производителей снижать цены на свои устройства. Так, стоимость кабельных модемов Samsung и E-Tech уже сегодня сопоставима с ценой хорошего модема для обычных телефонных линий. С другой стороны, теперь провайдер может приобрести мощную головную станцию одного производителя, а абонентское оборудование - другого. Однако опыт работы показывает, что нельзя вводить в эксплуатацию несертифицированные устройства.

Большинство кабельных модемов работают как мост, некоторые более дорогие модели способны работать и в качестве маршрутизатора (Cisco uBR904). В любом случае для инициализации модема провайдер должен обладать некоторым минимальным набором сетевых сервисов: DHCP-сервис, TOD (Time of Day, не путать с NTP), TFTP-сервис. При включении модем формирует широковещательный запрос по кабельной сети. Головная станция перенаправляет этот запрос на DHCP-сервер. Сервер "сгружает" кабельному модему набор параметров, необходимых для дальнейшей работы: IP-адрес (исключительно для управления работой модема, например, по SNMP); адрес TOD-сервера (для синхронизации текущего времени в кабельной сети); адрес TFTP-сервера; название конфигурационного файла, расположенного на этом TFTP-сервере (для настройки качества обслуживания для каждого модема). Параметрами качества обслуживания являются максимальная скорость в прямом канале, максимальная скорость в обратном канале, гарантированная скорость, приоритет модема и т. д. интернет-провайдер может сформировать набор различных качеств обслуживания для своих абонентов и предоставлять им тот или иной сервис по выбору и по различным расценкам. Можно также предоставить пользователям возможность самостоятельно выбирать услуги с помощью Web-интерфейса.

Согласно стандарту DOCSIS скорость передачи данных по направлению к абоненту может достигать 38 Мбит/с в зависимости от модуляции. Но реально она ограничивается интерфейсом Ethernet кабельного модема и числом работающих в этот момент пользователей. От абонента передача данных возможна на скорости до 10 Мбит/с (на реальных сетях будет меньше). В случае организации обратного канала по кабельной сети мы получаем независимость от организаций, предоставляющих телефонные услуги и и высокую скорость передачи данных.

Краткий анализ технологий

Традиционная телефонная сеть общего пользования (ТФОП) позволяет передавать голос в и данные в пределах узкой полосы частот (300 -3400) Гц. Быстрый рост сети Интернет и самый распространённый доступ к ней с помощью стандартных аналоговых модемов вызывают перегрузку ТФОП, поскольку последняя не рассчитана на нагрузку Интернет, которая характеризуется большим средним временем сеанса связи и большей неравномерностью по сравнению с телефонной нагрузкой.

Вторая проблема состоит в том, что для комфортного доступа пользователей к услугам существующей сети (и в первую очередь сети Интернет) скорости передачи, которые могут обеспечить аналоговые модемы, уже недостаточны. Это относится не только к частным (резидентным) пользователям, но и ко всё более увеличивающейся категории пользователей из сферы бизнеса, которые работают в своих домашних офисах и которым необходимо соединяться с корпоративными сетями со значительно более высокой скоростью передачи данных, чем могут обеспечить традиционные аналоговые модемы.

Сложность достижения необходимой скорости соединения с сетью Интернет заключается в основополагающих принципах построения телефонных сетей, которые по природе своей не предназначены для высокоскоростной передачи данных. Когда Александр Белл изобрел телефон, его фантазия не шла дальше предоставления людям, физически находящимися в разных местах, возможности разговора друг с другом. Кроме того, что традиционная телефонная (то есть голосовая) связь осуществляется в очень узкой полосе частот, она еще и допускает значительно большее затухание сигнала, чем это возможно при передаче данных. При этом самая большая проблема лежит (в прямом смысле этого слова) между телефонной станцией и домом абонента. За время развития телефонной связи пройден огромный путь от ручных коммутаторов до современных цифровых телефонных станций, предоставляющих абонентам большое количество разнообразных услуг, но между станцией и абонентом проложена все та же витая пара, что и на заре телефонии. И таких витых пар по всему миру уже почти миллиард.

По мере того, как стоимость пользовательского оборудования, позволяющего получать доступ в сеть Интернет, постепенно уменьшается, на первый план выходит пропускная способность соединения и его стоимость. Каждый, кто пользуется сетью Интернет, вынужден ждать (ждать и еще раз ждать), пока будет найден нужный сайт и загружена требуемая страница. Ситуация ухудшается еще больше, если необходимо загружать большие файлы (например, фотографии или видео). Более того, чем большее количество пользователей одновременно работает в сети Интернет, тем меньше становится скорость работы каждого из них в отдельности, потому что резкий рост трафика приводит к значительному возрастанию нагрузки на телефонные сети. При полной реализации всех потенциальных возможностей Интернет в областях дистанционного обучения, коммерции и развлечения обязательно необходимо преодолеть препятствие в виде недостаточной скорости соединения (и его слишком высокой стоимости). Пользователь хочет одного - высокоскоростного и постоянно работающего доступа. Однако, несмотря на то, что сеть высокоскоростной передачи данных в той или иной степени охватывает всю страну, доступ к ней конечных пользователей (та самая «последняя миля») может быть сопряжен с техническими и экономическими сложностями. Магистральные линии передачи данных позволяют передавать гигабиты информации, но очень маленькое количество конечных пользователей имеет возможность передавать данные хотя бы со скоростью нескольких сотен килобит. Тянуть к каждому пользователю оптико-волоконную линию очень дорого. Коаксиальные кабели (кабельное телевидение) позволяют осуществлять высокоскоростную передачу, но в основном в одном направлении. Телефонные линии в том виде, в котором они используются в настоящий момент для телефонной связи, имеют низкую скорость передачи данных. Доступ с необходимой высокой скоростью могут обеспечить только широкополосные технологии, которые являются будущим телекоммуникационной индустрии.

Телекоммуникации будущего базируются на предоставлении каждому пользователю возможности высокоскоростной передачи данных. Но как же передавать данные с высокой скоростью по критической «последней миле»? Существует несколько технологических направлений, позволяющих преодолеть это препятствие. (Хотя, одно только наличие нескольких альтернативных технологий, призванных решить одну и ту же проблему, вовсе не означает, что пользователь имеет широкий выбор равноценных вариантов, из которых будет выбирать самый лучший. В большинстве случаев пользователю будет доступен только один единственный вариант).

Основными кандидатами на решение проблемы «последней мили» являются следующие технологии. Это цифровая абонентская линия хDSL, кабельные модемы, а также беспроводные и спутниковые технологии.

Ни одна из этих технологий не может быть признана идеальным решением проблемы «последней мили». Многие вообще говорят о том, что существует только две технологии, которые способны решить проблему «последней мили» - кабельные модемы и хDSL. Обе эти технологии базируются на использовании уже существующих кабельных сетей, которые, что совсем немаловажно, охватывают практически всех потенциальных пользователей. Еще одна технология - стационарная беспроводная связь (иногда называемая беспроводной абонентской линией) - отстает от двух технологий, упомянутых выше, поскольку требует создания определенной инфраструктуры, позволяющей начать полноценное обслуживание.

Другие технологии передачи данных либо просто не решают проблему «последней мили» (не обеспечивая достаточной скорости передачи), либо слишком дороги для большинства потенциальных пользователей. К первым относятся соединения с использованием привычных всем аналоговых модемов, которые уже достигли предельной скорости передачи данных по традиционной витой паре телефонных проводов. Ко вторым относятся оптико-волоконные кабели. Есть люди, выступающие за полную замену всей телефонной кабельной сети на новые оптико-волоконные кабели, которые способны поддерживать передачу данных с очень высокой скоростью. Однако, не только в настоящее время, но и в обозримом будущем такая повсеместная замена не будет осуществлена из-за своей высокой стоимости. Даже для вполне благополучных с точки зрения телекоммуникаций Соединенных Штатов по самым оптимистическим прогнозам широкое внедрение волоконных технологий займет не один десяток лет. В то же время существуют определённые конфигурации сети доступа (например, когда достаточно большая группа пользователей удалена от местной станции на значительное расстояние), при которых применение оптического кабеля экономически выгодно уже сейчас. Следует подчеркнуть, что в последнем случае речь идёт о групповом использовании оптического кабеля, т.е., об его уплотнении.

Ошибкой было бы пытаться рассматривать процесс решения проблемы 'последней мили', как вопрос выбора какой-либо одной технологии. На практике эти технологии изначально находятся в неравных условиях. Не все провайдеры занимают одинаковое положение в структуре тех сетей, которые они предполагают использовать. Поэтому, те операторы, которые владеют кабельными телефонными сетями, вряд ли будут использовать кабельные модемы, а операторы, которые специализируются на создании инфраструктуры беспроводной связи, вряд ли вложат деньги в хDSL. С другой стороны, благодаря возможности использовать на 'последней миле' различные технологии, операторы, владеющие крупными и разветвленными сетями, имеют возможность предлагать своим клиентам различные варианты организации высокоскоростного доступа. Например, технологии хDSL и беспроводную систему доступа, или хDSL и кабельные модемы.

Те регионы, где широкое развитие получили сети широкополосных коаксиальных кабелей, а в дальнейшем и гибридные оптико-коаксиальные сети HFC (hybrid fiber/coaxial) предназначенных для подключения абонентов к сети кабельного телевидения, существует мощная платформа для предоставления высокоскоростного доступа пользователям домашнего сектора.

Передача эфирного телевизионного вещания по коаксиальным кабельным сетям была предложена американцем Э. Парсоном в 1948 году. Первая такая система была создана в Сиэтле и была рассчитана на распределение 5 телевизионных (ТВ) каналов. Внедрение систем кабельного телевидения позволило отказаться от многих недостатков, присущих эфирному ТВ, и в первую очередь обеспечить качественным ТВ зоны неуверенного приёма телевизионного сигнала по эфиру. Первые системы КТВ представляли собой системы коллективного приёма, работавшие сначала в метровом диапазоне волн (47-240 МГц), а затем и в дециметровом (550-862 МГц в Европе и 600-750 МГц в США). Эти системы были сравнительно просты и содержали коллективную антенну, головную станцию (headend), а также коаксиальный тракт передачи с необходимым числом ответвителей и усилителей (магистральных и домовых). Строго говоря, это были ещё не сети КТВ, а скорее системы коллективного приёма телевизионных программ. Естественно, что и по способу модуляции (АМ) и по положению на шкале частот эти системы были идентичны соответствующим параметрам эфирного телевизионного сигнала, поскольку были рассчитаны на приём стандартными телевизионными приёмниками. По мере укрупнения систем КТВ падала их надёжность, в связи с чем весьма остро встал вопрос эксплуатационного обслуживания этих систем. Поэтому системы КТВ стали дополняться системами дистанционного контроля, позволявшими контролировать состояние этих систем и в первую очередь параметры магистральных усилителей. Для передачи информации о состоянии системы на головную станцию использовалась часть спектра ниже рабочего диапазона частот (как правило, 5-30 МГц или 5-50 МГц). Альтернативной возможностью передачи служебной информации на головную станцию является использование для этой цели стандартного телефонного модема телефонной сети общего пользования (ТФОП). Так в системах КТВ появилась принципиальная возможность оказания пользователю интерактивных сетевых услуг.

Революция в области телекоммуникационных сетей, связанная с появлением и широким внедрением оптических кабелей, коснулась и сетей кабельного телевидения. На этом этапе совершенствования сетей КТВ чисто коаксиальная среда передачи была заменена гибридной оптико-коаксиальной средой HFC. В архитектуре КТВ с использованием HFC сигналы телевизионного вещания и коммутируемого видео транспортируются по оптическому волокну от головного узла КТВ до оптического сетевого устройства ONU (optical network unit). Последний соединяет оптическую магистральную сеть с распределительной коаксиальной сетью. В ONU сигналы соответствующих каналов, несущих сигналы видео, речи и данных, переносятся в отведённый для них диапазон частот. Отметим, что коаксиальный сегмент сети HFC требует применения дуплексных усилителей, обеспечивающих двухстороннюю передачу сигналов. Плата оптической сети ONU (optical network unit) выполняет также некоторые дополнительные функции, к которым относится разделение 'восходящего' (от абонентов к сети) и 'нисходящего' (от сети к абонентам) сигналов. Проблемой использования архитектуры HFC для предоставления речевых телефонных услуг является недостаточно высокое качество речевых услуг, обусловленное в основном внешними помехами (ingress noise). При передаче данных основной проблемой также являются внешние помехи, создаваемые в 'восходящем' канале бытовыми приборами типа печей СВЧ, холодильниками и др. Так, по имеющимся статистическим данным менее 5% сетей КТВ могут использовать этот диапазон по его прямому назначению, поскольку эта область частот сильно поражена помехами от бытовых электроприборов (холодильников, печей СВЧ и др.). Поэтому в качестве восходящего'канала сети КТВ целесообразно использование телефонной абонентской линии.

В середине 90-х операторы КТВ провели исследования возможности использования инфраструктуры сети КТВ для широкополосного доступа к услугам сети пользователей домашнего (residental) сектора. В результате появилось устройства, которые не совсем удачно были названы кабельными модемами. Кабельные модемы представляют собой устройства, обеспечивающие высокоскоростной доступ к сетям передачи данных через гибридную оптико-коаксиальную сеть HFC.

В отличие от традиционных модемов коммутируемой ТФОП кабельные модемы являются частью системы с топологией 'точка - много точек' ('point - to - multipoint), в которой множество кабельных модемов разных пользователей подключены через гибридную оптико-коаксиальную среду к контроллеру головного узла оператора КТВ. Подобно модемам xDSL, кабельные модемы работают в режиме 'always on', т.е., постоянно подключены к головному узлу.

Применение технологии кабельных модемов позволяет весьма изящно решить проблемы аналоговой абонентской телефонной линии, соединительных линий и ресурсов коммутационных станций телефонной сети общего пользования (ТФОП). Кабельные модемы передают трафик Интернет прямо на маршрутизатор Интернет, расположенный на головном узле системы КТВ. Достоинством технологии кабельных модемов является также то, что она (правда, далеко не всегда) может использовать существующую кабельную инфраструктуру систем КТВ. Кроме того, элементная база кабельных модемов доступна и сравнительно недорога, а также (и это, пожалуй, главное) позволяет обеспечить совместную работу кабельных модемов разных производителей. Большинство кабельных модемов представляют собой внешние устройства, подключенные к персональному компьютеру через стандартную карту 10Base-T Ethernet или порт USB; они могут быть выполнены также в виде платы, вставляемой в свободный разъём шины ISA, с использованием установки технологии plug and play. Для доступа к сети передачи данных используется система Cable Modem Termination System (CMTS) на базе концентратора доступа.

Полоса частот 'нисходящего' канала (от сети к абонентам) совместно используется всем множеством пользовательских кабельных модемов. Каждый стандартный телевизионный канал, занимающий 6 МГц радиочастотного спектра, обеспечивает нисходящий поток данных 27 Мбит/с при использовании квадратурной амплитудной модуляции 64 QAM; при использовании модуляции 256 QAM скорость передачи данных может быть увеличена до 36 Мбит/с. Каналы передачи данных в 'восходящем' направлении теоретически позволяют передавать данные со скоростью от 500 Кбит/с до 10 Мбит/с при использовании технологий 16 QAM или QPSK (в зависимости от выделенной под обслуживание пользователей ширины частотного спектра). Частотные полосы, выделенные под передачу восходящего и нисходящего потоков данных, разделяются между всеми активными пользователями, подключенными к данному сегменту кабельной сети. Отдельный же пользователь может рассчитывать на скорость передачи данных в пределах от 500 Кбит/с до 1,5 Мбит/с - в зависимости от архитектуры сети и нагрузки (цифра существенная, особенно если сравнивать с аналоговыми модемами).

Системы КТВ, использующие кабельные модемы, базируется на платформе коллективного доступа. Из-за того, что пользователи данных систем делят между собой на время передачи данных доступную им всем полосу частот, по мере увеличения одновременно активных пользователей скорость передачи данных для каждого из них уменьшается. Казалось бы, простой расчет показывает, что при одновременном использовании канала передачи данных 27 Мбит/с двумястами пользователей, на долю каждого из них достанется в лучшем случае 135 Кбит/с. Чем же в таком случае данная система лучше соединения ISDN, обеспечивающего скорость 128 Кбит/с? Не все так просто. В отличие от традиционной телефонной связи, при которой абонент получает на время вызова выделенное соединение, кабельные модемы не занимают фиксированную частотную полосу в течение всего сеанса передачи данных. Как уже было сказано, полоса пропускания разделяется между всеми активными пользователями, которые используют сетевые ресурсы только во время реального приема или передачи данных. Поэтому, вместо жесткого закрепления 135 Кбит/с за каждым из 200 'активных' пользователей, вся полоса частот в каждую конкретную долю секунды делится только между теми пользователями, которые передают или принимают данные - скорость может возрасти в десятки раз (ведь те, кто загрузил, например, страничку Интернет и пытается разобраться, что к чему, в данный момент не являются 'активными пользователями'). В случае же постоянной и высокой активности какой-либо группы пользователей кабельный оператор всегда может расширить частотную полосу передачи, выделив под передачу данных еще один канал 6 МГц. Другим вариантом увеличения средней скорости передачи данных для каждого пользователя является продвижение волоконно-оптических кабелей ближе к группам потенциальных пользователей. Это позволяет снизить количество пользователей, обслуживаемых каждым сегментом сети, что естественным образом приводит к увеличению полосы частот, доступной каждому из них.
Если обратиться к фактам, то в мире кабельные модемы пока имеют больше частных пользователей, чем, например, технология ADSL. К середине 1999 года по всему миру использовалось для высокоскоростной передачи данных около 1,3 миллиона кабельных модемов, 1 миллион из которых находился на территории США.

Компания In-Stat / MDR к концу 2002 года в США насчитала около 10,2 млн. пользователей кабельных модемов, в то время как DSL -линий - около 7,6 млн. (надо отметить, что абоненты США традиционно более активно используют кабельные модемы по сравнению с абонентами других стран).

Но, кроме явных достоинств, рассматриваемая технология обладает и существенными недостатками. Как уже указывалось выше, одним из недостатков кабельных модемов (в отличие, скажем, от технологий хDSL), является то, что такие линии передачи данных являются линиями коллективного использования. Полоса частот, доступная каждому отдельному пользователю, подключенному к определенному узлу, может снижаться по мере увеличения количества пользователей, которые подключены к тому же узлу. Еще одним недостатком является то, что данная система является 'открытой' (т.е. каждому отдельному пользователю не предоставляется свое жестко закрепленное соединение). Это обстоятельство снижает привлекательность кабельных модемов для использования в сфере бизнеса. Кабельная система может рассматриваться как одна большая сеть ЛВС, поэтому (теоретически) существует определенная возможность соединения каждого с каждым и доступа к данным другого пользователя. Очевидно, что никто не захочет использовать одну коллективную систему передачи данных со своим конкурентом. Кроме того, кабельные модемы обеспечивают высокоскоростной доступ по линиям кабельного телевидения в основном для частных пользователей, потому что офисные здания и предприятия в большинстве случаев не подключены к сети кабельного телевидения.

Так же, как распространение сотовых и радиотелефонов освободило абонентов от кабеля, связывающего трубку с аппаратом, подключенным к телефонной сети, технология беспроводной абонентской линии WLL (Wireless Local Loop) открыла доступ к телефонной сети общего пользования для всех тех, кто уже потерял надежду подключиться к глобальной сети телефонной связи.

Наиболее точно данную технологию можно определить как использование радиодоступа для предоставления широкополосных сетевых услуг индивидуальным пользователям. Причем эта технология может использоваться не только в тех регионах, где недостаточно развита телефонная кабельная сеть, но и там, где уровень развития кабельных сетей достаточно высок. В этом случае операторы, использующие технологии широкополосного беспроводного доступа, уже выступают прямыми конкурентами операторов местной связи.

Широкополосные беспроводные линии могут использоваться для высококачественной передачи данных, видеосигналов и организации телефонной связи. Исторически для организации восходящего канала передачи данных использовалась телефонная линия, но в настоящее время операторы переходят к полностью дуплексной беспроводной системе. Скорость передачи данных определяется шириной доступного оператору спектра частот и схемой модуляции. Например, эффективность цифровых схем модуляции лежит в пределах от 0,7 бит/с на Гц при использовании модуляции двоичной фазовой манипуляции BPSK до 3,5 бит/с на Гц при использовании квадратурной амплитудной модуляции 16QAM.

Как и в случае организации эфирной телевизионной трансляции, беспроводные линии передачи данных организуются по принципу прямой видимости. Сигнал передается с антенны, обычно расположенной на возвышенности или на высоком здании, на специальные приемные антенны, установленные на зданиях пользователей. Получение достаточно чистого спектра частот может быть достаточно сложной задачей; другой проблемой является требование прямой видимости для большинства организуемых линий. Организация линии достаточно проста, потому что не требует, например, такого объема строительных (земляных) работ, как при прокладывании кабельных систем, но не может быть гарантировано, что организованная линия (исходя из требования прямой видимости) будет работать столько, сколько это необходимо. Например, построенный на пути прямой видимости дом может просто 'обрубить' такую линию передачи данных. Как и в случае с телевизионным эфирным вещанием, любые препятствия (например, густые кроны деревьев, возвышенности, высокие здания и даже сильные атмосферные осадки) могут в определенной мере затруднить прием. Серьезно осложнить прием могут также искажения, обусловленные многолучевым распространением (являющимся результатом отражения сигнала от зданий и других объектов). Следует учитывать и расстояние, так как сигналы беспроводной связи могут приниматься только в пределах определенного расстояния от передатчика. Решением этой проблемы может быть установка сети ретрансляторов по всей зоне обслуживания (по принципу сотовой связи).

Организация сети на базе беспроводных линий подобна структуре кабельной сети. Основное отличие заключается в том, что сигнал цифровых данных (например, содержащий запрошенную из сети Интернет информацию), модулируется в радиочастотный канал, по которому осуществляется передача на антенну, установленную на здании пользователя. От антенны коаксиальный кабель идет к конвертеру, который преобразует сигнал из СВЧ-диапазона в частотный диапазон кабельного телевидения. После этого сигнал поступает на модем, расположенный в помещении пользователя. Модем демодулирует входящий сигнал данных и направляет его на персональный компьютер или на ЛВС.

Технология беспроводной абонентской линии имеет несколько преимуществ по сравнению с альтернативными технологиями доступа. Беспроводные линии могут быть развернуты в тех местах, где из-за невозможности проведения работ, плотности или 'древности' застройки просто не может быть проложена кабельная линия. Во-вторых, для определенных расстояний и расположения населенных пунктов организация беспроводного доступа может быть просто гораздо более экономически эффективной по сравнению с альтернативными технологиями. Здесь необходимо учитывать и затраты труда, и длину абонентской линии.

Стоимость кабельных систем в значительной мере зависит от расстояния между зданиями и от степени концентрации групп абонентов. Стоимость беспроводных систем свободна от такой зависимости. Затраты на сооружения кабельных систем также в значительной мере зависят от стоимости труда, которая обычно постоянно растет. В то же время стоимость беспроводных систем зависит в основном от стоимости абонентского оборудования, которое имеет тенденцию к удешевлению по мере совершенствования технологий. Третьим положительным фактором технологии беспроводной связи является значительно более короткое время ввода системы в действие по сравнению с кабельной инфраструктурой.

Тот факт, что радиосистемы обеспечивают охват определенной зоны, означает гораздо более легкое планирование сети по сравнению с кабельными системами. Беспроводные системы позволяют гораздо более оперативно реагировать на изменения потребностей и количества пользователей, в то время, как планирование кабельных систем во многом базируется на предварительных оценках (хорошо еще, если оценки совпадут с действительностью).

Существуют и более прозаические соображения. Если пользователь откажется от ваших услуг и направит свое внимание на другого оператора, то при развитии кабельных технологий все инвестиции в данную кабельную линию будут потеряны. В то же время при использовании беспроводной технологии абонентское оборудование может быть просто снято и установлено в другом месте у нового абонента. Кроме того, поддерживать работу и сохранность правильно организованной беспроводной линии значительно проще, чем кабеля. Во многих странах, например, Африки, закопанные в землю медные кабели просто похищают (к сожалению, к этим странам можно причислить и Россию). Даже волоконно-оптические кабели имеют определенную ценность как вторичный продукт.

Рассмотрим значение СМТS на примере построения интерактивных мультимедийных кабельных сетей

На головной станции (ГС) устанавливается комплекс оборудования, объединенного в локальную сеть. Ее подключение к Интернету, как правило, осуществляется по выделенным линиям ТЗ (44,736 Мбит/с) или Е3 (34,368 Мбит/с). Кабельный оператор должен внимательно отнестись к выбору сетевого адаптера (Channel Service Unit/Digital Service Unit -- CSU/DSU) -- интерфейса между внешней линией Интернета и головным маршрутизатором. CSU/DSU лучше всего представлять себе как интерфейс между физической линией и сетью с коммутацией линий.

Маршрутизатор (рис. 1) -- устройство, которое прочитывает адреса пакетов и направляет их либо к головной станции кабельных модемов (CMTS), либо во внешнюю сеть Интернет. Он устанавливается между сетевым адаптером и Ethernet-коммутатором. Некоторые маршрутизаторы могут быть оборудованы встроенными сетевыми адаптерами. Ethernet-коммутатор связывает все головное оборудование в единую систему кабельных модемов (СКМ).

Рисунок 1. Маршрутизатор

Помимо маршрутизатора к нему подключаются:

— головные серверы, выполняющие различные приложения: хост-сервер, web-сервер, серверы, реализующие функции условного доступа, авторизации и биллинга;

— сервер, служащий для сохранения обновленных копий (буферизации) страниц сайтов, наиболее часто запрашиваемых абонентами сети. При запросе информации с такого сайта абонент чаще всего получает ее из буферной памяти головного сервера. Это снижает объем внешнего трафика и ускоряет получение информации;

— система управления СКМ, выполняющая функции DHCP-, TOD- и DNS-серверов, решающая задачи подключения кабельных модемов и управления их работой, формирующая интерфейс и систему биллинга;

— CMTS (Cable Modem Termination System) -- головная станция кабельных модемов, организующая связь между головным оборудованием и кабельной сетью. С одной стороны CMTS подключается к Ethernet-коммутатору, а с другой -- к гибридной оптико-коаксиальной сети (HFC).

Рассмотрим функциональные возможности и технические параметры все более получающей распространение в России (десятки инсталляций, включая страны СНГ) CMTS-1500 (Arris, США). Эта головная станция является модернизированной версией более ранней модели CMTS-1000 (рис. 2). Она получила первое место в номинации «За лучшую зарубежную разработку в области спутникового и кабельного ТВ» на выставке CSTB-2003 (Москва, ВЦ «Сокольники», февраль 2003 года).

Рисунок 2. CMTS-1500

Основные особенности CMTS-1500:

— полная инсталляция (установка всех рабочих параметров и возможностей) в течение 5 минут после подключения;

— гарантия качества обслуживания (QoS -- Quality of Service) на основе стандарта DOCSIS 1.1, позволяющего операторам предоставлять наиболее востребованные услуги, например, IP-телефонию;

— среднее время наработки на отказ составляет 28,9 года при усредненном времени восстановления работоспособности не более 20 минут;

— установка в одно шасси CMTS-1500 до восьми приемников реверсного канала с собственными демодуляторами (параллельное наращивание мощностей) в целях выравнивания скоростей цифровых потоков, предоставления дополнительных услуг и повышения итогового отношения несущая/шум (C/N);

— простота подключения (полная совместимость) внешнего Ethernet-коммутатора к Интернет-провайдеру;

— простота наращивания и модернизации оборудования (например, перепрограммирования до версии 1.1);

— совместимость со спецификацией EuroDOCSIS без каких-либо дополнительных изменений в аппаратуре.

Блок-схема включения CMTS-1500 в кабельную сеть показана на рис. 1.

Следует отметить, что время простоя оборудования (программные и иные сбои в приеме и обработке поступающей информации) лежит в пределах 2…18 минут в год и зависит от правильности конфигурации сети, видов предоставляемых услуг, качества исполнения реверсного канала и числа «активных» абонентов.

Созданная на основе высокотехнологичной архитектуры RISC (компьютер с уменьшенным числом команд), CMTS-1500 обеспечивает передачу данных и возможности по фильтрации для самых «требовательных» приложений. Эта головная станция кабельных модемов формирует цифровой поток прямого канала с шириной полосы 6 или 8 МГц с квадратурной амплитудной модуляцией (QAM) 64QAM или 256QAM. Приемники реверсного канала (до восьми штук) рассчитаны на прием цифровых потоков в полосе 0,2…3,2 МГц (самоадаптация в зависимости от помеховой обстановки в реверсном канале) с модуляцией QPSK (высокая помехозащищенность при пониженной скорости) или 16QAM (повышенная скорость цифрового потока).

Такие технологии носят название Intelligent Channel Seek («интеллектуальные» канальные установки) и предназначены специально для эффективной борьбы с шумами ингрессии. Одна CMTS-1500 способна управлять кабельными модемами в количестве от нескольких тысяч до миллиона.

Технические характеристики CMTS-1500:

— стандарты -- DOCSIS 1.0/1.1, EuroDOCSIS;

— крепление в 19" стойке или автономно;

— размеры -- 66,5?440?420 мм;

— масса -- 8,2 кг;

— диапазон рабочих температур -- 0…40°C;

— относительная влажность -- 10…90% без конденсата;

— напряжение питания -- переменное 88…264 В/47…63 Гц или постоянное 48 В;

— мощность потребления -- 100 Вт;

— внешнее соединение -- 10 BaseT/100 BaseT Ethernet;

— к кабельной сети -- 9 F-разъемов: 1 выход (прямой канал), 8 входов (реверсные каналы);

— мониторинг -- 2 ВЧ подключения на лицевой стороне CMTS-1500;

— выход -- ВЧ канальное распределение -- 6 МГц (североамериканский DOCSIS) или 8 МГц (EuroDOCSIS);

— частотный диапазон -- 88…860 МГц;

— модуляция -- 64 QAM или 256 QAM;

— прямая коррекция ошибок (FEC) по методу Рида-Соломона;

— коэффициент возвратных потерь -- 14 дБ;

— уровень выходного сигнала -- 110…121 дБмкВ;

— точность поддержания выходной мощности -- 1 дБ;

— выходной импеданс -- 75 Ом;

— вход: ВЧ канальная полоса -- переменная, 200 кГц…3,2 МГц;

— частотный диапазон -- 5…42 МГц (североамериканский DOCSIS) или 5…65 МГц (EuroDOCSIS);

— модуляция -- QPSK или 16 QAM;

— прямая коррекция ошибок (FEC), коды Рида-Соломона и Trellis;

— входной уровень -- 56…86 дБмкВ (операторная конфигурация).

Особенностью CMTS-1500 является наличие до восьми приемников реверсного канала, что позволяет значительно увеличить скорость цифровых потоков. Наиболее оптимально сочетание 7:1 (на один прямой канал приходится 7 реверсных). При этом восьмой приемник используется в качестве резервного по принципу N+1. На практике это означает, что при отказе любого из приемников реверсного канала автоматически включается резервный. Время подключения составляет не более одной секунды, включая полную инсталляцию. Аналогичное резервирование предусмотрено и по источнику питания (возможен набор опций).

В CMTS-1500 использована технология защиты от шумов ингрессии. Общеизвестно, что они (в основном это импульсные помехи от пылесосов, электродрелей, трамвайных линий передач, светофоров, электробритв, электромясорубок, гетеродинов АМ-ДВ/СВ/КВ приемников, любительских радиостанций и т.п.) наиболее активно проявляют себя в низкочастотной области реверсного канала, диапазон которого обычно невелик и для российских КСКТП традиционно составляет 5…30 МГц.

Шумы ингрессии, благодаря своей физической природе, имеют тенденцию динамично изменяться во времени (от миллисекунд до минут) по частоте (наибольшая интенсивность в диапазоне 5…15 МГц). Технология Intelligent Channel Seek в CMTS предназначена для динамичной защиты от этого. Ее принцип заключается в использовании восьмого, запасного приемника в роли анализатора спектра во всем диапазоне реверсного канала. Проведя его сканирование, приемник формирует команды для группы кабельных модемов (СМ -- Cable Modem) на их перестройку по частоте, полосе пропускания (от 200 кГц до 3,2 МГц) или виду используемой модуляции (QPSK или 16 QAM). Такая динамичная система позволяет достигать максимально возможной скорости цифровых потоков в зависимости от реальной помеховой обстановки в реверсном канале на данный момент времени.

При малом числе каналов (малое число «активных» абонентов) CMTS-1500 данной системой может не комплектоваться или отключить ее. В этом случае все установки абонентских СМ осуществляются оператором вручную. Сканирование анализатором может производиться в любом диапазоне частот по команде оператора. Практика эксплуатации CMTS-1500 показывает, что такой анализатор спектра особенно удобен на начальном этапе предоставления интерактивных услуг (этап инсталляции сети в целом) и во время поиска неисправности в сети (например, одной из субмагистралей).

Собираемая информация по помеховой обстановке в реверсном канале может быть выведена на экран РС в виде таблицы в устанавливаемые периоды времени (интегральное значение за период установленного времени).

Дополнительные особенности CMTS-1500

Предоставляется такой вид дополнительного резервирования, как автоматическая коммутация двух интерфейсов 10/100BaseT IP с определением и индикацией отказавшего. Она осуществляется при отключении связи в течение от десятков миллисекунд до пяти секунд.

В случае потери связи (LOC -- Loss of Communications) формируется сообщение приборами NIU посредством протоколов сетевого менеджмента SNMP или CLI. Сформированное сообщение сохраняется до тех пор, пока оператор не удалит его, или не произойдет приоритетное событие, или если 10 и более событий LOC не произойдет на одной и той же входящей частоте.

CMTS-1500 сочетает в себе полный набор систем безопасности, базирующийся на спецификации DOCSIS Baseline Privacy Plus (BP+). Такая система гарантирует максимальную защищенность передаваемой информации и основывается на комплексе передовых IP-технологий (например, фильтрация уровня 3, поддержка многоадресности и др.). CMTS-1500 является устройством, работающим по алгоритму spanning tree, переправляющим пакеты только с известным адресом назначения. Пакет данных для кабельного канала (по ВЧ) изолирован от канала 10/100 Ethernet CMTS-1500 до тех пор, пока не достигнет порта используемого устройства. Такой метод сопровождения предотвращает неавторизованный доступ к содержанию, гарантируя абонентам и операторам безопасность (сохранность) и конфиденциальность их информации. Безопасность кабельной сети обеспечивается посредством 56-разрядного стандарта кодирования DES (Date Encryption Standard) и ключевым менеджментом.

Обеспечивается разнообразная фильтрация третьего уровня, основанная на типах пакета, адреса, порта или протокола. Это позволяет оператору применять фильтрацию к определенному интерфейсу или ко всем интерфейсам станции CMTS-1500. Порядок фильтрации входных/выходных пакетов определяется пользователем.

CMTS-1500 предоставляет расширенные возможности для закрытия доступа к сети и ее контроля средствами уровня 2, осуществляя фильтрацию стандартными фильтрами протокола LLC (Logical Link Control). Они могут быть использованы и для ограничения возможностей отправки пакетов станции CMTS-1500 с помощью установки запросов на протоколы сетевого уровня, такие как IP, IPX (Internet Packet Exchange), NetBIOS (Network Basic Input/Output System) и AppleTalk. Фильтры IP-протокола могут быть использованы для запроса трафика прямого и реверсного каналов на основе IP-адреса источника или получателя, протоколов транспортного уровня, таких как TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol) и ICMP (Internet Control Message Protocol), а также портов отправителя и пункта назначения по протоколам TCP/UDP.

Поддерживается IGMPv2 для управления групповым многоадресным трафиком (multicast traffic). Без IGMPv2 групповой трафик распределяется на все NIU-устройства, которые являются членами групповой рассылки. С IGMPv2 CMTS-1500 работает как proxy. В этом случае фиксируется, какие NIU-устройства помечены в качестве членов группы, и трафик отправляется на них. Такая особенность способствует сокращению объема трафика и, как следствие, снижает нагрузку сети HFC.

С помощью коммутации DHCP кабельные модемы и устройства CPE, включая компьютеры, могут быть условно разделены и управляться отдельно. В этом случае кабельные модемы будут управляться с «кабельного» сервера DHCP, а остальные устройства -- с помощью ISP-сервера. Это свойство обеспечивает дополнительную защиту информации. Всего CMTS-1500 предоставляет 4 модели DHCP-функции.

На передней панели головной станции кабельных модемов предусмотрен тестовый порт, позволяющий оператору контролировать ВЧ-параметры любой карты приемника реверсного канала. Оператор имеет возможность осуществлять перестройку его конфигурации с отображением информации на дисплее, также находящемся на лицевой панели. Это позволяет легко проводить спектральный анализ шумов ингрессии в любой момент времени.

В головной станции также содержится встроенный повышающий конвертер, который преобразует промежуточную частоту в частоту прямого канала. Таким образом, CMTS-1500 является функционально законченным устройством, пригодным для подключения по высокой частоте в составе действующей КСКТП.

В наличии также командный интерфейс CLI (Command Line Interface), с помощью которого возможен дистанционный контроль работоспособности CMTS (предусмотрено 7 команд).

Полностью управляем SNMP (Simple Network Management Protocol). Он поддерживает IETF (Internet Engineering Task Force), основы управления информацией (MIB -- Management Information Bases), включая кабельные устройства, радиочастоту, запрос на ответ (RFC -- Request for Comment 1213 -- MIBII), RFC 1398 (Ethernet), RFC 1493 (Bridge), RFC 1573 (Interface) и другие частные MIB-приложения Cornerstone. CMTS-1500 также позволяет оператору предоставлять расширенные модификации программного обеспечения и измерять параметры режимов TFTP (Trivial File Transfer Protocol).

Поддерживается пакетизация и фрагментация -- необходимые инструменты реализации максимальной скорости трансляции сигналов при заданной полосе пропускания канала. Так, например, пакетизация позволяет объединить множество маленьких (коротких) сообщений в одно. А фрагментация, наоборот, -- разбить одно большое (длинное) сообщение на несколько маленьких. В совокупности оба инструмента эффективно используют имеющуюся полосу пропускания.

CMTS-1500 рассчитана для работы в малых и средних КСКТП (обычно до 50 тыс. абонентов). Хотя есть и значительно более мощные головные станции кабельных модемов, предназначенные для крупных КСКТП, обладающие гибкой модульной конструкцией и расширенными функциональными возможностями. Примером может служить CMTS CADANT C4TM, обладающая надежностью не менее 99,999% (Arris, США). Она спроектирована с учетом поддержки работоспособности при отказе любого системного модуля или компонента без прерывания связи или снижения качества обслуживания абонентов (рис. 3).

Рисунок 3. CMTS CADANT C4TM

Некоторые ее характерные особенности:

— возможность работы с частичным или полным резервированием по принципу N+1 и 1+1;

— резервирование по питающему напряжению и принудительному охлаждению;

— многоуровневый менеджмент обнаружения повреждений и их устранений;

— плотная, удобная для обслуживания компоновка модулей с принудительным охлаждением. Удобство, простота и быстрота замены входящих модулей без нарушения работоспособности системы. Возможность наращивания системы путем простой установки дополнительных модулей;

— коммутация модулей кабельного доступа через кросс-соединения ВЧ без потери сеансов связи с абонентами;

— частотный канальный контроль;

— встроенные повышающие конвертеры с произвольной канальной расстановкой по частоте;

— гарантия полного дуплекса производительностью 6,4 Гбит/с;

— свыше 350 приоритетных очередей;

— все особенности стандарта DOCSIS 1.1 и Packet CableTM при минимальных стоимостных показателях в пересчете на абонента с поддержкой всех средств MSO (мультисервисных операторов). CMTS поддерживает тысячи ISP, ASP и/или VPN;

— самая высокая плотность в данной индустрии с 96 каналами нисходящего потока в единой 7-футовой раме;

— до 32 передатчиков прямого канала в одном шасси;

— до 128 приемников реверсного канала в одном шасси;

— гибкие отношения потоков данных: нисходящий/восходящий потоки (4:1…8:1);

— программируемая архитектура;

— поддерживает десятки общепризнанных программных приложений: RIPv2, OSPFv2, DHCP Relay Agent, IGMPv2, CLI, SNMPv1-3, HTTP/Java, XML, IP DiffServ, MPLS VPN, 802.1p, 802.1q, VLAN и множество других;

— быстрая диагностика и разрешение ошибок установки. Возможность анализа за счет учета событий во времени. Открытые маркетинговые возможности;

— исключает столкновения цифровых потоков от провайдеров разных услуг. Каждый из кабельных модемов может быть сконфигурирован исключительно под конкретного провайдера. Классификация трафика уровней 2, 3 и 4;

— возможность установки биллинговой системы (составление счетов);

— возможность установки приоритетов при многочисленных пользовательских уровнях;

— основные сетевые интерфейсы: 10/100 BaseT Ethernet, OC-3c/12c Packet по SONET/SDH или АТМ, Gigabit Ethernet;

— шаг настройки выходной частоты 100 Гц в диапазоне 91…862 МГц;

— отличное принудительное охлаждение при максимальной мощности потребления 1500 Вт;

— поддерживает 4 тыс. сервисных провайдеров (MSP) и виртуальных частных сетей (VPN);

— поддерживает 250 тыс. МАС-адресов и служебных потоков;

— удобство использования графических и командных линейных интерфейсов для различных операций и маркетинга;

— в одной раме устанавливается до трех шасси. Каждое шасси поддерживает до 32 прямых и 128 реверсных каналов;

— расширенная система менеджмента и мониторинга с детализацией подключения до каждого абонентского СМ и МТА, что исключает возможность любого несанкционированного доступа.

Приведенные основные и функциональные свойства CMTS CADANT C4TM позволяют судить о резко возросших возможностях CMTS за последние два года. Еще большие возможности предоставляет CMTS при внедрении стандарта DOCSIS v.2.0.

Рисунок 4. CMTS CADANT C4TM

Если предполагается, что в КСКТП доминирующей услугой будет телефония, а не Интернет, то более целесообразным является использование цифрового хост-терминала (HDT -- Host Digital Terminal), выпускаемого под торговой маркой Cornerstone (Arris, США). Кабельная телефония подразумевает использование постоянной скорости цифрового потока (CBR -- Constant Bit Rate). Укомплектованная стойка HDT показана на рис. 4, а принцип работы аналогичен CMTS и понятен из рис. 5

Отличительной особенностью HDT Cornerstone является то обстоятельство, что он надежен в эксплуатации практически в любой КСКТП (достаточно C/N > 12 дБ).

Основными особенностями HDT являются:

— возможность установки на всех существующих КСКТП вне зависимости от частотного диапазона;

— низкие эксплуатационные затраты благодаря высокой надежности и наличию дистанционного мониторинга и менеджмента;

— возможность предоставления услуг телефонии и Интернета (полоса канала 1,8 МГц) с высокой степенью защиты от шумов ингрессии;

— электронная перестройка по частоте с мгновенной реакцией на наличие шумов в выделенном канальном диапазоне;

— наличие автоматического резервирования всех ключевых компонентов системы;

— включение интерфейсов традиционной телефонии, также как GR-303, DMSx, V5.2;

— единое централизованное управление с РС до 14 HDT;

— одна стойка может поддерживать до 6720 линий (каналов), обеспечивая присоединение к цифровому коммутатору до 28 DS-1 или 21 Е-1 каналов с мощностью потребления не более 1051 Вт.

Рисунок 5. HDT Cornerstone

Подключение CMTS для общего случая (коаксиальная близлежащая зона около ГС или коаксиальные кластеры через HFC-сеть) показано на рис. 6.

Рисунок 6. Подключение CMTS

При этом предполагается, что в его состав входит повышающий конвертер, преобразующий сигнал промежуточной частоты (ПЧ) в высокочастотный (ВЧ) сигнал требуемой частоты (канала). В качестве частотных диплексеров реверсного канала (для коаксиальных участков сети) могут быть использованы высокоизбирательные диплексеры ДЧ-30/47 и ДЧ-65/87 («СтандарТелеком», Россия) с полосой реверсного канала 5…30 или 5…65 МГц соответственно. Если в составе CMTS на входах приемников реверсного канала не предусмотрены переменные аттенюаторы (как, например, у Cisco), то их установка крайне желательна, так как они позволяют устанавливать оптимальные (расчетные) уровни входных сигналов и, как следствие, не допускать снижения уровней сигналов на выходах абонентских СМ (что влечет за собой снижение соотношения сигнал/помеха).

Некоторые CMTS (например, от Cisco) имеют в своем составе не более четырех приемников реверсного канала (демодуляторов QPSK/16QAM), что резко ограничивает их возможности по скорости в реверсном канале и снижает отношение несущая/шум (C/N) в силу суммирования шумов по всем направлениям (рис. 7). Это влечет за собой сужение полосы реверсного канала -- П (например, до 0,4 МГц) и, как следствие, дополнительное снижение скорости цифровых потоков (V) в реверсном направлении согласно теореме Шеннона:

Рисунок 7. CMTS от Cisco

V = П·log2(1 + Pc/Pш) (1)

С учетом правил логарифмирования для Pc/Pш » 1, формула (1) может быть упрощена:

V ? 0,3·П·10·lg(C/N) (2)

Так, для П=1 МГц и C/N=16 дБ скорость цифрового потока не может превышать 4,8 Мбит/с.