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5G时代有线的定位和升级
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有线委/广科院
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在政策支持和技术日趋成熟的背景下,5G发展日新月异,广电不仅拥有5G牌照、700MHz黄金频点与3.3GHz室内覆盖共享频点,还拥有覆盖2亿多用户的同轴网络,如何基于既有的资源和优势,实质性参与到5G建设和运营中来?

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1.5G时代有线的定位和升级 杜百川 原国家广播电视总局 副总工

2.有线发展选项 • 单独投入5G,建设5G网络,扩展移动业务,有线保持不变; • 分别投入5G和有线升级,但不融合; • 有线发展5G需要有计划投入有线升级并和5G融合发展;

3.广电有线/5G和未来业务的关系 未 未 来 未 ¥¥ ¥¥¥ 来 未 业 DOCSIS 4.0 业 来 务 来 务 有线 融合运营商 ¥ 5G 业 业 现 务 现 务 有 DOCSIS 有 业 4G 业 3.0 务 务

4.5G为未来新业务发展划出新指标 有线要相应升级和融合: 提升容量 减少延时 统一QoS 提升同步精度

5.提升容量

6.DOCSIS升级到4.0 • 速度升级: DOCSIS 4.0规范最初于2019年发布,并于今年初进行 了更新,将两项新的重要要求纳入了该技术:一是FDX,二是1.8 GHz的下行,将支持10 G下行和6 G的上行。 • 降低延迟:较低的延迟将为消费者在沉浸式应用、在线游戏和多 媒体应用等方面提供更好的体验。 • 提高安全性:每个新的DOCSIS版本都提供更高的安全性,安全专 家不断侦测对网络的威胁,并采取措施提高通信的机密性,完整 性和可用性。 • 提高可靠性:通过包括在消费者尚未意识到之前主动识别和解决 网络问题的方法,将可靠性提升到一个新的水平。

7.1.全双工FDX • FDX增强了DOCSIS上行对称 交叉区 服务能力 DS 频谱 • 带宽:DS10G+ 和US5G+ ; 频率 • 上行从目前的42MHz扩展 RPD Remote PHY Device 到684 MHz是原来的16倍; CCAP Converged Cable Access Platform • 对具有远端PHY节点深度 DS 频谱 光纤(Node+0)进行了优化; 交叉区 • FDX RPD节点,CCAP核心 US 频谱 网和CM更复杂,在FDX 频率 RPD和FDX CM中都需要回 波消除。 频段

8.FDX节点回波消除简化图 远端物理层设备 远端物理层节点 反射的下行信号 “噪波”回波 无下行“噪波” 上行信号 上行信号 有下行“噪波” 回波 上行信号 抵消器 RF分配支线 下行信号 定向 耦合器 “反转”的 下行信号 Access Network Evolution for the Next Decade,SCTE Goldengate,Stephen Kraiman, Distinguished Systems Engineer, CTO Office, Network Solutions, Commscope,2019.8

9.2.频谱扩展(ESD) 每100m电缆衰减 ESD extended spectrum DOCSIS 以前 衰减dB/100m 不久前 频率 MHz 目前 上行 马上 不久 下行

10.XSD容量依赖于光纤深度和电缆长度 FTTLA系统容量 FTTLA系统频谱效率 电缆长度 电缆长度 频谱宽度(GHz) 频谱宽度(GHz) FTTT系统容量 FTTT系统频谱效率 电缆长度 电缆长度 频谱宽度(GHz) 频谱宽度(GHz)

11.3.相干光传输 • 相干光学已在远程环境中使用了30多年。远程环境是一种恶劣的环境,包括很长的 距离,有时甚至长达3000公里。在长途环境中,采用大量的信道补偿来纠正与长途 相关的损伤,从而使长途解决方案变得昂贵。 • 接入网环境在一个关键方面与远程网络有很大不同,接入网中的光链路通常不超过 30公里。这比长传低两个数量级,复杂而昂贵的系统实现不再适用于接入实现。较 短的光纤长度导致光信号的色散很小,也不需要在线放大,可以大大减少非线性失 真和噪声,增加链路余量和大大降低成本,并非原来的相干传输。CableLabs重新 设计了相干链路,以满足接入网的特殊条件,与长传或城域环境相比,更高的性能 和更低的成本。 • 目前已经在80 km的单波长上以最少的色散补偿实现了256 Gbps的传输速,这是1.2 GHz DOCSIS 3.1全信号在模拟光载波上实现的容量的26倍,实现了使用32 G Baud(32 GHz)的符号率,在2个极化上使用16QAM调制(每个符号4bit),32 * 4 * 2 = 256 Gbps。 此外,复用了8个波长,以实现2048 Gbps。 这是4个模拟光载波所能 实现的50倍,每个模拟光学载波都具有10 Gbps的DOCSIS 3.1有效负载!

12.三种光纤传输比较 • 相干技术可以实现更高的 波长 速度。相干光中,光的振 幅和相位调制均可用于信 模拟载波 息载体,可以使用QPSK和 QAM。还可以利用光的偏 振特性,每个极化可以独 数字载波 立地携带上述二维星座。 相干系统中使用的信号处 理有助于信号频谱整形, 波长 以避免与相邻光学载波发 Y偏振 相干光载波 生干扰。除了更低的功率 外,相干技术还可以在光 纤的波长谱内实现高效的 光载波复用。 X偏振

13.工作中心频率和中心波长 200G QPSK DWDM工作频率表 通道编号 中心频率(GHz) 中心波长(nm) … … …

14.降低延时

15.低延迟DOCSIS • 低延迟DOCSIS:2019年1月低延迟DOCSIS(LLD)成为DOCSIS规范 的一部分,对于典型峰值时间负载下的有线网,LLD会将平均延 迟降低到1-5毫秒之间(接入网往返时间),并将非队列构建应用的 延迟变化降低到0.5到3毫秒之间,从而改善了广泛使用的实时应 用程序(如视频通话,游戏)的性能,并可启用延迟性能要求更低, 更一致的新应用。并非所有互联网流量都具有同等的网络需求。 一些应用需要更多的带宽,但可以容忍延迟,而另外的应用则相 反。 LLD将这两种类型的流量分为两个逻辑队列,极大地改善了 非队列构建应用程序(其中许多可能对延迟敏感) 的延迟,而对队 列构建应用程序没有任何影响, LLD为受益于较低延迟的应用优 化了接入网性能。

16.传统和LLD业务配置例 • CMTS将强制执行“会聚最大持 下行 SF 续流量率”(AMSR Aggregate Max Sustained Traffic Rate), 最终用户的应用程序将确定消 耗了多少总带宽,而与使用哪 上行 SF 个SF无关。 a)传统业务流安排 • 服务间流调度被安排为使ASF 下行 SF 用作单个带宽池。 低延时 ASF aggregated service flow 传统 低延时 传统 上行 SF b)LLD业务流安排

17.不同DOCSIS标准的延时 CM-CMTS间RTT(ms) 空闲时 使用时 百分位 早期设备 有缓存控制 主动队列管理 低延时 “空闲时(When Idle)”指宽带连接没有被用户使用时; “使用时(Under Load)”指当用户使用业务(如流媒体视频) 的平均延时;“第99百分位(99th Percentile)” 给出了实际使用环境普通体验的最大延时指标。表中的数字是数 量级,随DOCSIS通道配置和实际应用使用模型改变,对延时敏感应用,第99百分位值对用户体验影响最大。

18.低延迟Wi-Fi和低延迟xhaul • 低延迟Wi-Fi:家庭网络尤其是用户Wi-Fi连接,可能是网络延迟和延迟变化 的重要来源。平均延迟和延迟变化都会破坏在线体验。 CableLabs将低延迟 技术应用于Wi-Fi接入点,通过流量标记技术和改进的延迟测量工具,减少 延迟和Wi-Fi上数据流量延迟的变化,以便更好地识别和改进整个供应链中 的设备能力。 • 低延迟Xhaul:为了准备增加5G部署,移动运营商已在小蜂窝投入了大量资 金,以实现下一代高速低延迟的移动体验。这些小蜂窝接收到的数据通过有 线网络路由回移动运营商的交换中心。在当前的LTE/4G环境中称为移动 xhaul。而且,由于有线业务广泛可用,其强大的网络构成了一种经济高效 的xhaul解决方案,可继续满足LTE/4G/5G及更高版本的延迟和速度要求。低 延迟xhual技术旨在适用于各种部署模型,包括DOCSIS和PON网络上的回传 和前传,CableLabs已发布了低延时xhual规范。

19.低延时Xhaul (LLX) • 原有的DOCSIS用多种调度机制尽力而为调度程序可以提供大约10到15ms的 延迟,取决于信道负载条件。低延时DOCSIS还采用实时轮询(RTPS Real Time Polling Service)和主动授予服务(PGS proactive grant service),旨在减少 任何点对多点的调度系统中常见的请求授予延迟。但仅有这些措施还不够, 还无法实现移动xhaul所需的低延迟,或者会产生过多的带宽开销。 • 为了解决这些缺点并更好地支持DOCSIS网络上的移动xhaul,LLX技术可对 移动设备和DOCSIS系统的调度程序操作进行流水线处理。LLX使用移动调 度程序做出的决策来通知CMTS调度程序将要发生什么,这样为移动流量创 建了低延迟传输。该技术已由CableLabs标准化。 • 移动和DOCSIS系统都是点对多点调度系统,这意味着由于上游的请求授予 延迟,两个系统都有固有延迟。在LLX中,该延迟在移动系统中发生一次。 然后,以带宽报告BWR消息的形式将请求授予过程的结果传递到DOCSIS系 统,以便CMTS可以直接授予CM,而无需等待本地第2层DOCSIS请求。

20.具有带宽报告(BWR)的编排器流水线化 状态 BWR客户端 BWR服务器 带宽报告 编排器 请求 编排器 请求 授予 授予 分级器 网络 请求 空口 以太网 接口 接口 移动系统 DOCSIS系统

21.共同的QoS管理

22.统一的QoS管理 • 接入环境通常将包含多个终端和多个连接方案,通过eNB/gNB,Wi-Fi和以 太网所有终端的所有本地接入的所有流量都通用DOCSIS网络传输。 由于来 自所有设备的所有流量都在一个CM处汇聚,但不同的接入需要遵循不同的 QoS规则,必须对哪些数据包在哪个DOCSIS服务流上做出相同的策略选择 并进行统一管理。 SF service flow DSCP DiffServ code point AC Access Class LCG Logical Channel Group Low Latency Mobile Xhaul over DOCSIS® Technology,CableLabs,2020.6.23

23.有线/移动共同QoS框架 • DOCSIS网络并非始终致力于满足峰值容量,而是旨在满足大多数时间的带 宽需求。流量分为多个流,在拥塞期间,信令或5G超可靠低延迟通信 (URLLC)流量等对延迟敏感的流被分类到单独的队列中,并且通常在容忍延 迟的流之前得到服务。移动也是点对多点系统,资源也在用户间共享,有自 己的QoS规则和队列配置,可能与DOCSIS不同。为了确保流量在移动网络 和DOCSIS网络间移动时得到一致处理,需要支持通用QoS框架。 • 有线如何实现有很多方法,但从根本上传送系统应该是: 1. 使用与移动系统中相同数量的队列; 2. 使用与移动系统相同的分类器机制; 3. 使用与移动系统相同的策略/队列加权机制;

24.MBH over DOCSIS的共同QoS框架 MBN: Moble Backhal

25.DOCSIS时钟/同步DTP 与5G的PTP的对接

26.同步的不同要求 • 移动网络RAN各单元之间需要时间同步。同步分为频率,相位和时间同步, 下图描述了三者间的差异。 频率同步是指两个单元以相同的频率工作,但 不一定对齐。 相位同步是指两个单元以相同的频率工作,并在相位上对齐。 但时间不一定相同。 时间同步是指两个单元以相同的频率,相位对齐工作, 并且它们在每次跳动报告的时间是相同的。 频率同步 周期相等 相位同步 周期对齐 时间同步 时间对齐

27.4G/5G网络需要相位和时间同步 • 许多以前的移动网络只需要频率同步,但4G和5G网络需要相位和时间同步: a)在使用时分双工(TDD)时:在TDD模式下,基站将相同的频率用于上行 和下行传输。单个基站将在发送和接收数据之间及时切换。由于基站具有 重叠的覆盖范围,尤其是在HetNet中,因此需要根据何时处于发送模式或 处于接收模式来对齐这些基站。否则,它们将彼此干扰。下图中的基站信 号未完全对准,使小区边缘用户设备之间以及基站之间造成干扰。 b)在使用先进的基站协调技术时:在4G/5G系统中,引入了新的技术来减 轻相同频带内工作的基站间的潜在干扰,如增强小区间干扰消除(eICIC enhanced intercell interference cancellation);或改善UE在多个基站的覆盖 范围内可实现的吞吐量,如协同多点工作(CoMP Coordinated Multi Point operation)。为了使这些技术有效地工作,需要使基站准确同步。

28.在UE和eNB间的干扰 在基站 的干扰 在用户设备 的干扰

29.4G/LTE和5G空口的同步需求 • 下表概括了4G LTEFDD,4G LTE TDD, 和5G TDD同步需求。 类型 频率精度 相位精度 标准 4G LTE FDD ± 50 ppb 无 3GPP TS 36.104 §6.5.1 4G LTE TDD ± 50 ppb (广域) 10 μs (广域: 小区半径 >3 km) 相位: ± 100 ppb (局域) 3 μs (局域: 小区半径 <3 km) 3GPP TS 36.133 §7.4.2 ± 250 ppb (家庭) 1.33 μs + Tprop (家庭eNB半径 >500 m) 频率: 3 μs (家庭eNB半径 <500 m) 3GPP TS 36.922 §6.4.1.2 5G TDD ± 50 ppb (广域) ≤ 3 μs 3GPP TS 38.104 Table ± 100 ppb (局域) 6.5.1.2.1

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