Đồ án Modem cáp và dịch vụ băng rộng trên mạng truyền hình cáp hữu tuyến

+ Dữ liệu người dùng và các yêu cầu đòi quyền phát dữ liệu được gửi trong các khe thời gian. + Các gói có độ dài thay đổi có thể được gửi bằng cách nhận nhiều khe thời gian cho một yêu cầu. + Dùng mã CRC phát hiện các gói lỗi nhưng không sửa lỗi tại lớp MAC . + Các yêu cầu phát chứa trong các gói đặc biệt hoặc trong các gói dữ liệu người dùng, bằng cách này giảm nhu cầu đối với các gói đặc biệt và giảm băng tần sử dụng. + Các token phải đảm bảo rằng CMTS phải cung cấp quyền truy nhập cho thuê bao đủ nhanh để giữ cho băng tần được dùng hiệu suất cao. Nếu quá chậm, modem thuê bao sẽ dừng truyền, kết quả là đường lên được dùng không đúng mức. + Khi các thuê bao xung đột, họ không tự nhận biết được trừ khi được headend thông báo. Khi được thông báo, CM thực hiện thoát (backoff) và thử vào lại. + MAC có một số chức năng quản lý sau: - Điều khiển công suất: Headend liên tục giám sát mức công suất của mỗi CM và ra lệnh cho chúng tăng hoặc giảm mức phát khi cần thiết. - Thay đổi các kênh đường lên: Nếu xuất hiện mức nhiễu băng hẹp cao trong đường lên, headend sẽ ra lệnh các CM đang dùng đường lên kém chất lượng đó để chuyển sang tần số khác. Thông tin này được gửi trong mô tả kênh đường lên - Thay đổi các thông số đường lên: Nếu đường lên hoạt động tốt, headend có thể tăng sử dụng đường lên ( ví dụ ra lệnh cho CM tăng tốc độ ký hiệu). c ) Một số hoạt động tiêu biểu của lớp MAC: Tìm kiếm kênh: Khi mới khởi động, CM sẽ quét tìm kênh đường xuống, đồng bộ tín hiệu QAM, đồng bộ khung MPEG 2 với PID phổ biến của DOCSIS, giải mã các khung MPEG 2, tháo bỏ khuôn dạng MPEG trả về dạng khung MAC đưa đến lớp MAC xử lý tiếp. Hình 3-4 Tìm kiếm kênh đồng bộ Nhận các tham số đường lên: CM tìm kiếm theo thứ tự ba bản tin MAC được gửi lặp đi lặp lại bởi CMTS trên tất cả các kênh đường xuống DOCSIS như mô tả ở bảng 3.2 : Thứ tự Mô tả 1 Hình 3-5 Bản tin đồng bộ Bản tin đồng bộ hoá thời gian Được gửi từ CMTS Cung cấp một tham chiếu thời gian chung cho tất cả các CM 2 Hình 3-6 Bản tin UCD Bản tin mô tả kênh Được phát định kì bởi CMTS Mô tả : + Cỡ khe mini + ID kênh đường lên + ID kênh đường xuống + Mô tả cụm( Burst descriptors) 3 Hình 3-7 Bản tin MAP Bản tin sơ đồ cấp phát băng tần đường lên mà UCD mô tả Được phát định kì bởi CMTS Chứa các thông tin chỉ thị điểm bắt đầu và điểm kết thúc của cơ hội kết nối Bảng 3.2 Quá trình nhận các tham số đường lên Điều chỉnh phạm vi: Quá trình này gồm có ba công đoạn xử lý mà CM phải tuân theo: + Điều chỉnh tham chiếu thời gian. + Điều chỉnh tần số phát. + Điều chỉnh công suất phát. Vì mỗi CM có một khoảng cách khác nhau đến CMTS nên mỗi CM sẽ có sự thiết lập cho các tham số trên là khác nhau. Hình 3-8 Quá trình điều chỉnh phạm vi Bắt đầu quá trình điều chỉnh phạm vi, CM phát bản tin yêu cầu điều chỉnh phạm vi đến CMTS trong khoảng “ cơ hội duy trì khởi tạo”( được mô tả bởi bản tin MAP) trên một kênh đường lên. Khi nhận được bản tin này CMTS gửi một bản tin đáp ứng yêu cầu đến CM đó. Để soạn thảo bản tin đáp ứng, CMTS phải quan tâm đến các thông tin sau: Độ dịch thời giữa thời điểm nhận và thời điểm bắt đầu phát, tần số truyền dẫn chính xác, mức độ công suất đầu vào. Dựa vào những thông tin này CMTS sẽ quyết định các giá trị tham số cần điều chỉnh và gửi trả về cho CM. Khi nhận được, CM sẽ dựa vào đó điều chỉnh theo, rồi phát bản tin yêu cầu điều chỉnh thứ hai đến CMTS với các tham số đã tự điều chỉnh. CMTS lại phát bản tin đáp ứng có các thông số đã sửa ban đầu. Quá trình này lặp lại cho đến khi CMTS thấy hài lòng với kết quả tự điều chỉnh của CM ( tức là sai số trong khoảng 1ms với thời gian đồng bộ, 10 Hz với tần số phát và 1/4 dB với công suất phát). Nếu CM không nhận được bản tin đáp ứng từ CMTS trong một khoảng thời gian giới hạn thì nó sẽ tăng công suất phát và chờ đợi sau một số ngẫu nhiên lần cơ hội phát để phát bản tin yêu cầu điều chỉnh phạm vi khác. Có thể có hai nguyên nhân dẫn đến việc CM không nhận được bản tin đáp ứng : Một là do cơ hôi phát này là khả dụng đối với bất kì một CM nào muốn phát do đó các bản tin này có thể bị mất do va chạm. Hai là do CM phát ở mức độ công suất quá thấp để CMTS có thể phát hiện được. Quá trình điều chỉnh phạm vi này không chỉ diễn ra trong giai đoạn khởi động ban đầu của CM mà nó được lặp lại theo một khoảng thời gian nhất định để đảm bảo duy trì độ tin cậy truyền thông giữa các CM và CMTS Thiết lập kết nối IP: Quá trình này có thể được tóm tắt theo bảng 3.3 sau. Hình 3-9 Yêu cầu kết nối IP + CM gửi yêu cầu DHCP quảng bá qua Headend đến DHCP server . +DHCP server trả lời : - Địa chỉ IP được “ mượn” - Tên file cấu hình modem cáp - Địa chỉ IP của TFTP server - Dịch thời UTC thiết lập thời gian nội bộ. - Địa chỉ IP của ToD server Hình 3-10 Yêu cầu và đáp ứng ToD + CM gửi yêu cầu đến ToD server + ToD server đáp ứng GMT Hình 3-11 Truyền tham số hoạt động + CM sử dụng giao thức TFTP tải về file cấu hình từ TFTP server . + File cấu hình chứa: - Độ lớn băng tần được sử dụng - Tần số đường xuống và ID kênh đường lên. - Thiết lập cấu hình truy nhập mạng - Khả năng của CM - Những dịch vụ được cung cấp Bảng 3.3 Quá trình thiết lập kết nối IP Đăng kí Quá trình này có thể được tóm tắt như sau: + CM gửi một bản tin yêu cầu đăng kí đến CMTS xác nhận file cấu hình vừa nhận Hình 3-12 Bản tin yêu cầu đăng kí + CMTS kiểm tra địa chỉ MAC của CM và chữ kí cấp phép trên các tham số. + cung cấp băng tần cho các loại dịch vụ CM yêu cầu + Gán SID + Gửi bản tin đáp ứng REG-RSP đến CM Hình 3-13 Bản tin đáp ứng REG-RSP 3.1.3 Mã khoá liên kết số liệu Khi CM đã được đăng kí và bắt đầu gửi số liệu thực sự của người sử dụng thì DOCSIS sẽ cung cấp chức năng BPI để mã khoá liên kết số liệu( luồng lưu lượng giữa CM và CMTS). BPI cho phép bảo vệ cơ bản dịch vụ bằng cách: đảm bảo rằng một modem cáp ( có một địa chỉ MAC 48 bit duy nhất)chỉ có thể lấy các tài liệu khoá của các dịch vụ mà nó được phép truy nhập. Vì BPI chỉ cung cấp một sự bảo mật đơn giản mà không cung cấp sự kiểm tra quyền của cả CM và CMTS nên giao thức phân bố khoá sẽ không có cơ chế kiểm tra quyền như là mật khẩu hay chữ kí số( digital signature). Vì thế, nó không thể chống lại sự thâm nhập của một modem giả quyền truy nhập. BPI sử dụng chế độ mã khoá CBC (Cipher Block Chaining) của thuật toán tiêu chuẩn mã khoá số liệu (DES- Data Encryption Standard) để mã khoá số liệu ở các khung đường lên và đường xuống. Giao thức quản lý khoá sử dụng thuật toán mã khoá khoá công cộng RSA và chế độ ECB( Electronic Codebook) của DES để bảo vệ sự thay đổi khoá giữa CM và CMTS. Các CM phải được cài đặt sẵn cặp khoá RSA riêng và công cộng. Số lần thay đổi các khoá bí mật công cộng được quyết định bởi nhà vận hành. Những khoá này có thể được thiết lập cho một khoảng thời gian dài từ nhiều tháng đến hàng tuần hoặc có thể thường xuyên hơn là cách 30 giây một lần. 3.1.4 Kĩ thuật nén ảnh động MPEG * Giới thiệu chung về MPEG: MPEG là một tiêu chuẩn nén audio và video số được phát triển bởi nhóm MPEG ( Moving Picture Expert Group) theo tổ chức quốc tế ISO. Công nghệ MPEG bao gồm các phát minh khác nhau từ nhiều công ty và các cá nhân riêng lẻ trên toàn thế giới. Một số chuẩn nén MPEG được biết đến là MPEG 1, MPEG 2, MPEG 3, MPEG 4, MPEG 7,...và một số chuẩn liên quan như chuẩn nén ảnh tĩnh JPEG, chuẩn nén ảnh nhị phân fax như JBIG, ngoài ra có một số chuẩn khác như là chuẩn ITU.H.261( 1993) và H263 (1995). + MPEG 1 là tiêu chuẩn nén một ảnh động kích thước 320x 240 có tốc độ bit từ 1 đến 1.5 Mb/s , được áp dụng cho ghi hình trên băng từ, đĩa CD và truyền dẫn trong mạng máy tính. + MPEG 2 được sử dụng cho các ứng dụng cao hơn với tốc độ 10 Mb/s để truyền tín hiệu truyền hình số thông thường. Chuẩn này cũng cho phép mã hoá video với hàng loạt các ứng dụng đòi hỏi có thể phân tích ảnh theo các cách khác nhau. Chuẩn MPEG 3 nén tín hiệu số lên đến 50 Mb/s cho phép dùng để truyền tín hiệu truyền hình có độ phân giải cao. Năm 1992, hai chuẩn MPEG 2 và MPEG 3 được kết hợp chung lại với tên là MPEG 2. + MPEG 4 được hoàn thiện vào tháng 10/1998 nhằm mục đích phát triển các tiêu chuẩn mã hoá mới với tốc độ bit rất thấp, dành cho nén hình ảnh với ít khung hình và yêu cầu làm tươi chậm , tốc độ dữ liệu yêu cầu là 9 – 40 Kb/s . + MPEG-7: Chuẩn này được đề nghị vào tháng 10-1998 và kế hoạch trở thành chuẩn quốc tế. MPEG-7 sẽ là chuẩn mô tả thông tin của rất nhiều loại đa phương tiện. Mô tả này sẽ kết hợp với chính nội dung của nó cho phép khả năng tìm kiếm nhanh và hiệu quả theo yêu cầu người dùng. MPEG 7 được gọi chính thức là: “Giao thức mô tả nội dung đa phương tiện”. * Phương pháp nén MPEG: Tiêu chuẩn MPEG là sự kết hợp giữa nén trong ảnh và nén liên ảnh. Tức là phương pháp nén có tổn hao dựa trên biến đổi DCT và bù chuyển động. Công đoạn đầu tiên của hầu hết các quá trình nén là xác định lượng thông tin dư thừa trong miền không gian một mành hoặc một ảnh tín hiệu Video. Nén trong miền không gian được thực hiện bởi phép biến đổi cosin rời rạc-DCT( biến đổi dữ liệu dạng biên độ thành dạng tần số). Mục đích của quá trình biến đổi là tách liên kết pixel của từng ảnh con, hoặc gói năng lượng của ảnh con vào một phần nhỏ các hệ số hàm truyền. Việc mã hóa và truyền chỉ thực hiện đối với các hệ số năng lượng này và có thể cho kết quả tốt khi tái tạo lại tín hiệu Video có chất lượng cao. Các phép tính DCT được thực hiện trong phạm vi các khối 8x8 mẫu tín hiệu chói Y và các khối tương ứng của tín hiệu màu. Một chuỗi Video là một chuỗi các hình ảnh tĩnh hiện ra với tốc độ nhanh cho cảm giác chuyển động liên tục. Mặc dù mỗi khung có sự khác nhau, nhưng cần phải có tốc độ khung cao để đạt được cảm giác chuyển động thực sự. Từ đó tạo ra nhiều độ dư thừa tạm thời giữa các khung kề nhau. Sự bù chuyển động chính là để loại bỏ phần dư thừa tạm thời này . Khi các khung ảnh thay đổi từ khung này tới khung khác, do chuyển động của đối tượng mà cường độ sáng sẽ thay đổi nhiều. Trong mã bù chuyển động, khung hiện hành được dự báo từ khung trước bằng cách xấp xỉ chuyển động giữa hai khung và bù chuyển động đó. Sự khác nhau giữa khung hiện hành và dự báo của khung đó gọi là phần dư thừa của bù chuyển động và phần dư này sẽ được mã hóa. 3.1.5 Kĩ thuật điều chế trong truyền hình cáp Chức năng của việc điều chế M-QAM là chuyển đổi luồng bit băng gốc thành các điểm QAM trong băng tần sẵn có tại tần số trung tần IF. Các thông số truyền dẫn đối với các phương thức điều chế 64/256-QAM dựa trên giao thức DOCSIS 1.1 và chuẩn J.83B ITU-T cho các hệ thống có độ rộng kênh 6 MHz và các thông số tương đương theo chuẩn J.83A ITU-T đối với kênh độ rộng 8 MHz ( Châu Âu) được tóm tắt trong bảng 3.4: Thông số DOCSIS 1.1, ITU-T J.83B ITU-T J.83A 256-QAM 64-QAM 256-QAM 64-QAM Băng thông kênh 6 MHz 6 MHz 8 MHz 8 MHz Tốc độ ký hiệu tổng 5,360 MBaud/s 5,056 MBaud/s 6,952 MBaud/s 6,952 MBaud/s Tốc độ bit kênh 42,884 Mb/s 30,341 Mb/s 55,616 Mb/s 41,712 Mb/s Tốc độ thông tin (gồm byte đồng bộ MPEG) 38,810 Mb/s 26,970 Mb/s 50,981 Mb/s 38,236 Mb/s Số bit/ký hiệu 8 bit 6 bit 8 bit 6 bit Mã hóa TCM Tỷ lệ 19/20 Tỷ lệ 14/15 Mào đầu đồng bộ FEC (Từ mã đồng bộ SYNC 42 bit) 78888/788 53802/53760 188/187 188/187 Tần số trung tần trung tâm IF 44 hoặc 43,75 MHz 44 hoặc 43,75 MHz 36,125 MHz 36,125 MHz Bảng 3.4 : Các thông số truyền dẫn đường xuống đối với phương thức điều chế 64/256-QAM theo chuẩn J.83B ITU-T và chuẩn J.83A ITU-T 3.1.6 Kĩ thuật xử lý lỗi Kĩ thuật sửa lỗi chia thành bốn lớp với các thuật toán sửa lỗi khác nhau như hình 3-14 mô tả: * Lớp mã hoá Reed-Solomon(R-S): lớp này thực hiện mã hoá, giải mã khối sửa tối đa 3 lỗi trong một khối R-S. Mã hoá R-S là dạng mã vòng đặc biệt có khả năng sửa lỗi ngẫu nhiên mạnh. Khác với bộ mã hoá cơ hai ở chỗ nó tác động lên nhiều bit chứ không phải các bit riêng lẻ. Chẳng hạn, bộ mã hóa cho một mã R-S (n,k) trên cơ sở các ký hiệu m bit, Bộ mã hoá này nhóm các luồng số liệu cơ số hai thành các khối, mỗi khối có độ dài = k.m (bít). Mỗi khối được xử lý như k ký hiệu. Thuật toán mã hóa mở rộng k ký hiệu thành n ký hiệu bằng cách cộng n-k ký hiệu dư. Như vậy một từ mã chứa (n.m) bít.( Khi m là một số mũ nguyên của 2, các ký hiệu m bít trên gọi là các byte. Giá trị phổ biến của m là 8, tất nhiên các mã R-S 8 bit là các mã rất mạnh ). Một mã R-S hiệu chỉnh t lỗi có các thông số sau : Độ dài khối : n = 2m-1 các ký hiệu Kích thước bản tin : k ký hiệu Kích thước kiểm tra chẵn lẻ : n - k = 2t ký hiệu Khoảng cách cực tiểu : dmin = 2t+1 ký hiệu Đối với truyền dẫn MPEG-2 luồng tín hiệu được mã hoá khối R-S bao gồm 122 ký hiệu thông tin và 6 ký hiệu chẵn lẻ. Do vậy có khả năng sửa được 3 lỗi trong mỗi khối R-S. Mã R-S cấu trúc giống như vậy được dùng cho cả 64-QAM và 256-QAM. Cấu trúc khung FEC đối với mỗi loại điều chế là khác nhau. Không có mối liên hệ về đồng bộ nào giữa khối R-S phát và gói dữ liệu được chuyển. Do vậy đồng bộ MPEG-2 phải độc lập với đồng bộ khung R-S. Điều này giữ cho lớp FEC và các lớp vận chuyển tách rời và độc lập. Hình 3-15 mô tả cấu trúc khung FEC đối với điều chế 64-QAM gồm: 6 ký hiệu đồng bộ (ở cuối khung), 60 khối R-S, mỗi khối chứa 128 ký hiệu. Còn trong điều chế 256-QAM, mỗi khung FEC gồm 40 bit đồng bộ ( ở cuối khung) và 88 khối R-S. * Đan xen xoắn và giải đan xen Đan xen ký hiệu trước khi truyền và giải đan xen sau khi thu cho phép bộ thu QAM phân tán lỗi cụm và xử lý nếu chúng là lỗi ngẫu nhiên. Do vậy các đầu thu QAM biến đổi một kênh nhớ thành một kênh không nhớ, cho phép các mã sửa lỗi ngẫu nhiên như R-S được dùng hiệu quả. Nhiễu cụm trong một kênh có thể gây ra các lỗi ký hiệu hoặc nhân lỗi trong mỗi ký hiệu. Các lỗi này được phân tán trong các khối R-S bởi giải đan xen như vậy số lượng các lỗi ký hiệu tương đương trong mỗi khối ở trong dải khả năng sửa lỗi của bộ giải mã R-S. Đan xen xoắn được dùng trong cả điều chế 64-QAM và 256-QAM. * Điều chế và mã hóa lưới TCM : Phương thức điều chế và mã hóa lưới TCM sử dụng cho thông tin số để nhận được khả năng chống tạp âm tốt hơn mà vẫn giữ nguyên tốc độ số liệu. TCM là phương thức điều chế và mã hóa kết hợp nhằm cải thiện độ tin cậy của hệ thống truyền dẫn số mà không cần thiết phải tăng công suất phát và độ rộng băng thông cần thiết. Phương pháp mã hóa lưới kết hợp lựa chọn sơ đồ điều chế tốc độ cao cùng với mã hóa xoắn, đồng thời máy thu thay cho việc giải điều chế và mã hóa ở hai bước riêng biệt sẽ kết hợp hai bước trên thành một. 3.2 Cấu trúc và hoạt động của modem cáp và CMTS 3.2.1 Cấu trúc của modem cáp Trong các phần trước đã trình bày sơ qua về khái niệm modem cáp, các loại modem cáp và các kiểu kết nối phía ngoài. Sau đây sẽ trình bày sơ đồ các khối bên trong. Mặc dù các modem cáp là rất khác nhau nhưng kiến trúc cơ bản thì có thể được mô tả như hình 3-16: * Bộ thu sóng (Tunner): Khối này kết nối trực tiếp với đầu đến của mạng CATV, thông thường một Tunner có tích hợp bên trong một bộ lọc phân hướng( diplexer) cho phép cung cấp cả tín hiệu đường lên và đường xuống thông qua cùng một tunner với một độ cách ly cần thiết ( >65 dB) giữa đường lên và đường xuống. Bộ thu sóng này còn chứa một bộ khuếch đại đường xuống do khối MAC điều khiển. Bộ khuếch đại này sẽ gửi các tín hiệu đường lên ở mức độ mà modem cáp và bộ phân phối trung tâm thoả thuận. Nhiệm vụ chính của khối này là: + Có chất lượng đủ tốt để “ bắt” các tín hiệu được điều chế QAM + Hạ tần trong đường xuống và nâng tần trong đường lên. Một số công ty cung cấp sản phẩm này trên thị trường như: ALPS, Sharp, Temic, Panasonic,... * Khối giải điều chế : Đây là khối thu tín hiệu trung tần IF trong đường xuống. Khối này thường chứa: + Một bộ chuyển đổi A/D + Giải điều chế QAM 64/256 + Đồng bộ hoá khung MPEG + Sửa lỗi Reed-Solomon Chi tiết về cơ chế điều chế và sửa lỗi xin xem ở phần 3.1.5 và phần 3.1.6 Trên thị trường, Broadcom cung cấp khối này ở dạng chip đơn còn các công ty khác như Standford Telecom, SGS Thomson, VLSI Technologies,....thì cung cấp ở dạng kết hợp với các khối khác. * Khối điều chế cụm( Burst Modulator) Là khối cung cấp tín hiệu đầu vào cho Tunner để phát vào mạng cáp đến Headend. Khối này làm nhiệm vụ: + Mã hoá R-S từng cụm + Điều chế QPSK/16 QAM trên tần số đã chọn + Chuyển đổi D/A. Tín hiệu đầu ra đưa qua một bộ điều chỉnh có mức đầu ra có thể thay đổi được để thực hiện điều chỉnh bù cho những suy hao cáp không biết trước. Khối này chỉ có trong CM và một số STB hai chiều vì vậy việc sản xuất khối này hiện có rất ít công ty cung cấp như: Broadcom, Standford Telecom, SGS Thomson... * Khối MAC: Cơ chế điều khiển truy nhập phương tiện- MAC có thể được thực hiện bởi phần cứng hoàn toàn hoặc kết hợp giữa phần cứng và phần mềm. Cơ chế MAC này phức tạp hơn khi đem so sánh với MAC của Ethernet và thực sự khối này không thể xử lý được hết các chức năng của lớp MAC mà không có sự trợ giúp của khối vi xử lý. Chi tiết các chức năng lớp MAC đa trình bày ở phần 3.1.1 và phần 3.1.2 . * Khối giao diện: Khối này bao gồm một số các giao diện giữa thiết bị ngoại vi và modem cáp như: Ethernet, USB, PCI,.... * Các khối khác: Đối với các loại modem cáp cắm ngoài thì cần có thêm một số khối như khối CPU, khối nhớ, khối nguồn và ngoài ra có thể có các khối hiển thị như màn hình LCD, các đèn LED.... Khối CPU có chức năng điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động của modem cáp thường có dạng khối hoàn chỉnh như là các chip. Khối nhớ bao gồm các loại bộ nhớ như: + Boot ROM chứa các thông số bảng Boot trong quá trình khởi động. + Flash ROM chứa các thông số hệ thống. + DRAM có chức năng như một không gian làm việc để tải các file cần thiết trong quá trình làm việc. Khối nguồn có chức năng cơ bản là biến đổi mức điện áp lưới xoay chiều 220V thành các mức điện áp khác nhau phù hợp để cung cấp cho các khối vi mạch trong modem ví dụ như +12V, +5V, +3,3V, +1,8V.... 3.2.2 Cấu trỳc của CMTS CMTS cú thể được mụ tả sơ lược như hỡnh 3-17: Hình 3-17: Cấu trúc của CMTS CMTS có cấu trúc về nguyên lý giống như CM song được đặt ở Headend và phục vụ chung cho một mạng lưới các CM cùng kết nối đến nó. Do vậy, chức năng của nó phức tạp hơn nhiều so với một CM đặt tại thuê bao. Ngoài các chức năng kết cuối modem cáp thông thường, CMTS còn phải hỗ trợ : + Độ trong suốt đối với dòng IP ở lớp mạng + Các mặt nạ mạng con có độ dài thay đổi + Định địa chỉ không theo lớp + Định địa chỉ phát đa phương và chuyển tiếp, + Giao thức quản lý nhóm Internet + Giao thức phân giải địa chỉ CMTS chịu trách nhiệm về phần kích hoạt, điều chỉnh phạm vi và bảo trì toàn mạng lưới modem cáp. 3.2.3 Hoạt động của modem cáp và CMTS * Giai đoạn khởi động modem: Liên lạc bằng modem cáp được thực hiện qua một số các bước thiết lập được minh hoạ như hình 3-18 : Hình 3-18: Quá trình khởi động modem cáp * Sau khi bật nguồn, modem sẽ quét để tìm một kênh đường xuống có thể đồng bộ được( Các CM cần được đồng bộ hoá và sắp xếp để biết được khi nào thì bắt đầu truyền dẫn). + CMTS gửi các gói đồng bộ hoá để tạo ra tham chiếu thời gian . + CMTS điều khiển sự truy nhập vào các khe bằng cách gán ‘cơ hội truyền dẫn’ cụ thể cho các dải khe mini để mỗi CM có thể lọt vào được một khe mini xác định nào đó do head-end cung cấp. Một cơ hội truyền dẫn có thể là dựa trên một khe tranh chấp hay dùng riêng. Trong đó khe dùng riêng là khe thời gian được dùng cho một modem xác định, có nghĩa không CM khác nào có thể truyền dẫn trên khe thời gian đó. Các khe dùng riêng nhìn chung thường thích hợp cho việc truyền dẫn dữ liệu kéo dài. Và CMTS sẽ phân bổ các khe thời gian bằng thuật toán phân bổ băng thông. Thuật toán này có thể khác nhau tuỳ từng nhà cung cấp. Còn các khe tranh chấp thì được mở cho tất cả các CM sử dụng truyền dẫn. Do vậy với loại khe này có thể xảy ra việc nhiều CM đồng thời truyền tín hiệu lúc đó xảy ra va chạm dẫn đến mất số liệu. CMTS sẽ không có kí tự báo nhận ACK dương ( tức là không nhận được dữ liệu) lúc này các CM sẽ phải truyền dẫn lại vào một thời điểm tuỳ chọn khác. Các khe tranh chấp thường được dùng cho truyền dẫn dữ liệu cực ngắn . * Sau khi quá trình đồng bộ hoá hoàn thành, CM nhận các tham số đường lên mà nó cần có để thông báo cho CMTS về sự có mặt của nó trên mạng lưới, thông qua ba bản tin lớp MAC là: SYNC, UCD và MAP( chi tiết trong phần 3.1.2 ). Ví dụ bản tin UCD để mô tả kênh đường lên phù hợp với khả năng của chính CM đó: có sự giới hạn về khả năng phát tốc độ bit, có sự giới hạn dải tần số hoạt động, kiểu điều chế và có một số loại kênh đặc biệt mà CM đó không được phép phát vào. Cuối cùng, CM sẽ nhận được các thông tin( sẽ sử dụng cho quá trình điều chỉnh phạm vi ): + Tham chiếu thời gian thô. + Thông tin chi tiết về một kênh phát đường lên. + Thông tin về các cơ hội phát duy trì cho các CM vừa mới kết nối vào mạng. * Điều chỉnh phạm vi: Việc đăng ký điều chỉnh phạm vi cho phép CM tự xác nhận với CMTS. Đồng thời cũng cho phép HE: gán các tần số cho đường lên và đường xuống; đặt mức độ công suất; phân bổ các thông tin quản lý khác cần cho việc quản lý mạng. Do có khoảng cách vật lý khác nhau giữa bộ phân phối trung tâm và các modem cáp, mỗi CM sẽ có sự thiết lập riêng cho các tham số: tham chiếu thời gian, công suất phát, tần số phát. Sau khi nhận được yêu cầu điều chỉnh phạm vi, CMTS thông báo cho CM về độ trễ truyền dẫn. Các tần số được gán cho đường lên có thể thay đổi bất cứ lúc nào. HE phải đảm bảo rằng CM nhận được tần số gán mới trước khi nhận thấy tín hiệu truyền dẫn của CM trên dải tần mới. * Thiết lập kết nối IP: Sau khi quá trình điều chỉnh phạm vi hoàn thành, CM phải sử dụng các cơ chế giao thức DHCP để có được một địa chỉ IP, rồi tiếp tục quá trình đăng ký/định cấu hình (quá trình dự phòng). Máy chủ DHCP sẽ đáp lại các địa chỉ IP, tên của file cấu hình và địa chỉ máy chủ. Chỉ cần CM được kích hoạt thì nó sẽ được “ mượn ” một địa chỉ IP để sử dụng. Sau một thời gian không kích hoạt địa chỉ này sẽ bị đòi lại và cấp cho một CM khác đang được kích hoạt do đó bảo toàn được không gian địa chỉ IP. * Sau dó, CM tải xuống file có các tham số cấu hình từ máy chủ cấu hình( bằng phương thức TFTP). Các file cấu hình này bao gồm các thông số mà CM dùng để hoạt động như là: Bao nhiêu băng tần được sử dụng và dịch vụ nào được cung cấp. Cuối cùng, CM sẽ gửi bản tin đăng kí đến CMTS để CMTS xác nhận file cấu hình mà CM vừa nhận là từ máy chủ có hợp lệ hay không . CMTS sẽ truy vấn một bản sao của file cấu hình từ máy chủ đúng và so sánh với bản từ thuê bao để đảm bảo rằng CM đó sẽ chỉ sử dụng các dịch vụ được phép. Chỉ sau khi kiểm tra xong file cấu hình, CM mới bắt đầu gửi dữ liệu thực sự vào mạng và chính lúc này đèn LED xanh báo hiệu “sẵn sàng” trên một số loại CM sẽ bật sáng. (Mỗi CM cần có một địa chỉ MAC 48 bit duy nhất (theo IEEE 802) được gán trong quá trình chế tạo, cũng như các thông tin bảo mật mạng cần thiết để xác thực CM đó). Sau khi quá trình thiết lập hoàn thành, thiết bị khách hàng có thể truyền thông với thế giới bên ngoài bằng hệ thống CATV. Sự truyền thông này là hai chiều và được trình bày ngay sau đây. * Truyền tải lưu lượng đường lên Thuật ngữ ‘đường lên’dùng để chỉ tín hiệu do CM truyền . Lưu lượng đường lên luôn xuất hiện ở dạng các cụm rời rạc, do đó nhiều CM có thể truyền tín hiệu đi trên cùng một tần số. Khi một gói Ethernet đi từ thiết bị khách hàng đến modem cáp, nó sẽ được gói trong một gói MAC với tiêu đề PDU. CM sẽ xác định vị trí băng thông cho các cơ hội truyền dẫn và gửi khung MAC đi khi được phép. Các cơ hội truyền dẫn có 2 cấu thành chính: số lượng các khe nhỏ (mini) và các đặc tính của lớp vật lý. Truyền dẫn ở đường lên được đặc trưng bởi: + Tính linh hoạt và khả năng lập trình được của CM. + Tần số linh hoạt. + Đa truy nhập phân chia theo thời gian. + Định dạng điều chế QPSK hay 16 QAM. + Hỗ trợ các định dạng đơn vị dữ liệu gói (PDU) có khung cố định hay độ dài thay đổi. + Nhiều tốc độ ký hiệu. + Mã hoá khối Reed-Solomon có thể lập trình được. + Đồng bộ ở trạng thái khởi đầu (preamble) có thể lập trình được Trong hai phương thức điều chế QPSK và 16 QAM(4 bit trên một ký hiệu) với ánh xạ được mô tả như hình 3-19 thì 16 QAM có tốc độ nhanh hơn, nhưng lại đễ bị ảnh hưởng bởi tạp âm đầu vào nhất. Hình 3-19 a): Ánh xạ ký hiệu QPSK Hình 3-19 b): Ánh xạ ký hiệu 16 QAM Với hướng đường lên, tín hiệu số được mã hoá bằng QPSK hoặc 16 QAM, chuyển thành tín hiệu analog và sau đó được gửi đến Tunner để được truyền đi trong dải tần đường lên (5-65 MHz). * Truyền tải lưu lượng đường xuống Sau khi CM được đăng kí, lưu lượng thông tin truyền dẫn xuống sẽ chứa các dữ liệu tải xuống và các thông tin quản trị mà CM yêu cầu hoặc những thông tin mà CMTS cần để phân bổ. Mỗi CM có thể nghe các tín hiệu quảng bá từ CMTS, nhưng chỉ có CM nào có địa chỉ đích chính xác mới có thể truy nhập vào những thông tin chứa trong phần tải tin của gói. Thông thường, một kênh đường xuống thường tương ứng với nhiều kênh đường lên để đạt được độ cân bằng cần thiết trong băng tần dữ liệu. Với hướng đường xuống, tín hiệu RF từ CMTS đến