C-DOCSIS系统测试评估研究
孙黎丽 李忠炤 秦龙
（国家广播电影电视总局广播电视规划院）
摘要 2012年8月，国家广播电影电视总局正式发布GY/T 266-2012《NGB宽带接入系统 C-DOCSIS技术规范》。为充分评估C-DOCSIS系统，了解C-DOCSIS技术及产品成熟度，国家广播电影电视总局广播电视规划院搭建了C-DOCSIS测试评估平台，组织开展C-DOCSIS系统评估测试和标准符合性测试工作。本文详细介绍了C-DOCSIS系统的实验室评估测试环境和主要测试内容，并结合评估测试结果，进行总结分析。 关键词 有线电视 C-DOCSIS CMC 测试评估 1 概述 随着三网融合业务的规模运营，有线电视接入网络需要满足大带宽业务承载、具有多业务QoS保障、可运营、可管理的运营要求，有线电视网络运营商迫切需要符合中国国情的边缘同轴宽带接入技术。为规范边缘同轴宽带接入技术，2011年7月国家广播电影电视总局科技司下达C-DOCSIS标准制定任务。在广电总局科技司领导下，深圳天威视讯牵头，组织广播电视规划院、歌华有线、华数传媒、博通、华为、数码视讯、中兴、思科、摩托罗拉、中广电设计院、广科院、元申广电等单位成立了标准起草组，负责C-DOCSIS标准的起草制订工作。经过一年多的工作努力，2012年8月，GY/T 266-2012《NGB宽带接入系统 C-DOCSIS技术规范》正式发布。 为充分评估C-DOCSIS系统的物理层和数据链路层性能，系统组网能力和管理能力，系统对增值业务的支持能力，了解C-DOCSIS技术成熟度和产品成熟度，广播电视规划院搭建了C-DOCSIS测试评估平台，制订了C-DOCSIS系统测试评估方案，组织开展了C-DOCSIS系统评估测试和标准符合性测试工作，对数个厂家提供的C-DOCSIS系统设备进行了全面的系统功能和性能测试，同时对标准中自主创新的系统功能模块接口和MAC层通信机制及消息进行了标准验证测试。通过对现有C-DOCSIS系统设备的全面评估测试，为有线电视网络双向改造技术选型提供试验依据，为相关技术政策和标准的制定提供参考信息，为推动三网融合提供技术支持。 2 测试评估环境 根据C-DOCSIS系统物理层性能、数据链路层性能、业务承载能力、QoS功能、网管等功能和性能的验证测试需求，结合C-DOCSIS系统的组网模式和典型应用场景，搭建了C-DOCSIS系统测试框图。 在C-DOCSIS测试框图中，C-DOCSIS系统可以是集成式、分布式或者PHY子层和MAC子层分离式实现。被测C-DOCSIS系统包含的Cable Modem数量可以根据运营商网络应用需求或者C-DOCSIS系统设计目标进行调整。在所搭建的典型环境中，一个C-DOCSIS系统头端所带Cable Modem数量为32、64或96个。同时，为验证C-DOCSIS系统的兼容性，Cable Modem为符合DOCSIS2.0或者DOCSIS3.0规范的终端。 3 测试评估项目 根据系统评估测试的要求，对C-DOCSIS系统的评估测试项目如下： 3.1. 物理层测试 主要包括被测设备的射频指标（输出电平、工作频带、带外杂散电平）、链路工作的动态接收范围、网络衰减离散性对信号传输速率的影响、上下行通道物理层参数配置、系统的抗干扰能力（高斯噪声性能、抗脉冲噪声能力、抗单频干扰能力等）、设备的插损和反损测试。 3.2. 数据链路层测试 主要包括“1对N”条件下典型包长（64、128、256、512、1024、1280、1518字节）的吞吐率、时延、丢包率、时延抖动测试，N根据网络组网的需求，可以32、64、96或其它。 3.3. 业务类测试 主要包括被测系统DHCP授权管理体系支持、不同IP地址转发DHCP请求功能、组播业务、通道流量负载均衡控制功能、业务流分类及优先级功能、业务流QoS参数、用户隔离、多种业务支持（IP电话、VOD视频点播、PPPoE拨号接入、DHCP方式接入、FTP上传下载、Email收发等）、宽带接入能力、上下行带宽对称的视频业务支持能力、对有线电视系统基本业务的影响。 3.4. MAC层消息验证测试 MAC层消息验证测试主要是为了验证C-DOCSIS系统设备的标准符合度，包括被测系统的下行消息参数、UCD消息、Ranging消息、注册消息、动态服务流消息和DCC消息验证测试。 3.5. 系统功能模块接口测试 系统功能模块接口测试主要是为了验证C-DOCSIS系统设备的标准符合度，包括测试系统分类转发模块与射频接口模块之间是否以CDT格式来标识不同的业务流，测试系统控制模块与射频接口模块之间的控制消息和消息格式是否符合CDMM格式的要求，测试NSI接口，验证系统的VLAN划分和管理功能。 3.6. 安全性测试 主要包括被测系统防DOS攻击、电缆线路加密、CM溯源、用户终端IP地址安全性、静态IP业务支持、CPE接入数量控制、广播包/未知包抑制和IP地址过滤等功能测试。 3.7. 网络管理测试 主要包括系统网管的设备管理、告警管理、性能管理、报表管理和系统管理功能，设备管理信息库（MIB）支持能力测试。 3.8. 工作环境试验 主要包括设备供电方式、功耗和高低温环境测试。 4 实验室测试结果及分析 为验证C-DOCSIS设备是否满足标准要求，评估C-DOCSIS系统的功能和性能，我们对设备厂家提供的C-DOCSIS设备进行了评估测试，其中被测C-DOCSIS头端主要有CMC-I型、CMC-II型及分离式头端，网络侧的接口为PON接口或GE接口，线路侧为射频同轴接口， C-DOCSIS终端为符合DOCSIS 2.0或3.0规范的 Cable Modem。具体实验室测试评估结果及分析见下。 4.1. 物理层性能测试 C-DOCSIS系统采用频分双工技术，上下行使用不同的频段，上行工作在5～65MHz，下行工作在87MHz～1GHz，上行支持QPSK～256QAM调制，下行支持64QAM～1024QAM调制。目前各设备厂商开发的设备均在标准规定的频段范围支持改变信道工作频段，绑定不同的信道数。但目前由于设备芯片的限制，调制方式仅支持上行QPSK～64QAM调制及下行支持64QAM～256QAM调制。各厂家设备的-3dB带宽和-40dB带宽差别不大，工作频道的单频道功率多在96～106dBμV，部分厂家实测值与标准建议值不符。绑定的工作频道内功率大小分布较为平坦，满足下行非相邻频道功率差异在2dB的标准要求。但从111MHz～1GHz范围来看，个别厂家设备在不同频段的工作频道的单频道功率存在较大差异，同一设备的各个工作频道的单频道功率差异从1dB到8dB不等。 C-DOCSIS系统的头端设备，在16信道工作频道的频带内，带外抑制基本都可以达到50dB左右，个别厂家甚至可达到60dB以上。在测试过程中，各厂家设备带外杂散的区别比较大，尤其在工作频带的邻频段，有些厂家的设备输出噪声偏高，将测试仪表的底噪明显抬高，带外杂散的峰值湮没在噪声中，无法准确读出。 C-DOCSIS系统的链路动态范围普遍不大，大概在50～60dB之间，当链路衰减超出可调节的范围之外，上下行吞吐量急剧下降，当上行链路中断，在老化时间之后，下行吞吐量即降为0，同时测试表明，当不同链路衰减在15dB及以下时，对上下行吞吐量影响不大。这表明C-DOCSIS系统能够很好地完成自动测距和电平调整。 C-DOCSIS系统抗干扰能力相对较差，各厂家设备能力也不尽相同。在工作信道加入高斯噪声超过50dB时，吞吐量有明显下降，在接近60dB时，链路中断，甚至有些厂家在链路超过50dB时，链路中断；在工作信道加入单频干扰时，单频干扰信号电平达到65 dBμV时，吞吐量开始明显下降，在超过90dBμV时，吞吐量降低为0，链路中断，个别厂家的极限情况可达到100dBμV左右；在上行工作信道加入脉冲噪声时，各厂家表现差异性较大：当脉冲间隔为100ms时，脉冲宽度对吞吐量影响不大，但个别厂家也会设备掉线，无法正常工作；当脉冲间隔为10ms时，各厂家设备表现不一，有些厂家的吞吐量随着脉冲宽度的增加降低，有些厂家吞吐量基本无影响；当脉冲间隔为1ms时，各厂家吞吐量均下降明显。 各厂家局端设备的反射损耗，均能够满足标准规定的要求。 4.2. 数据链路层性能测试 在1对96的测试环境下，以及下行采用256QAM调制、16信道绑定和上行采用64QAM调制、4信道绑定的条件下，实测MAC层吞吐量能够达到下行800Mbps，上行100Mbps以上，同时小包能力优于大包性能。下行时延在1ms左右，时延抖动在1ms以内，上行时延在10～20ms之间，时延抖动在10ms以下，丢包率也在10e-7以下。这主要是由于C-DOCSIS采用频分双工，不会因下行数据大而影响上行，也不会因上行突发而影响下行，同时还可以保证更低的时延，故C-DOCSIS可以同时保证低时延、高吞吐量，这样高带宽就可以保证高速数据业务的开展，低时延可充分保证未来语音业务的开通。这是其他同轴接入技术无法比拟的优势。 4.3. MAC协议及接口验证测试 根据标准规定的内容，验证MAC层消息的正确性。通过修改上下行信道的频率、调制方式及工作频宽等参数，调节可变衰减器的数值，编写不同CM配置文件中有关分类器和服务流的注册信息，创建、改变、删除动态服务流，开启关闭动态负载均衡，通过MIB浏览器读取设备的配置信息，验证MAC层通信交互消息的正确性。 构造不同业务流，通过管理口抓包分析，验证C-DOCSIS系统控制模块与射频接口模块之间的控制消息和消息格式符合CDMM格式的要求，以及C-DOCSIS系统分类转发模块与射频接口模块之间是否以CDT格式来标识，判断NSI接口业务流映射业务流到VLAN和优先级的映射是否满足NSI接口业务流映射规则。 测试表明，被测厂家可按照标准规定的协议及接口进行交互通信和业务承载。 4.4. 业务功能及网管测试 被测C-DOCSIS系统支持基于信道连接的终端数量、流量负载的负载均衡，支持二者组合策略的负载均衡，被测C-DOCSIS系统支持负载均衡组的创建和维护，终端CM在组内能够做负载均衡，同时不影响其他组。 被测C-DOCSIS系统支持按照TCP、UDP、IP方式对业务流进行分类，能够实现服务流识别，进行基于服务流的优先级设置，同时支持能够支持配置各种QoS参数，包括限速、保证带宽、峰值带宽等等，可做到单台CM限速，按照用户对带宽的不同需求，对每台CM的上下行带宽的最大值及突发带宽做一定的限制，从而提高整个系统的带宽利用率。被测C-DOCSIS系统支持端到端优先级调度，将C-DOCSIS的服务流与EPON系统的逻辑链路标识一一对应，将C-DOCSIS的QoS方案与EPON的QoS方案结合在一起，保证端到端的QoS。 被测C-DOCSIS系统头端支持IGMP Snooping功能，系统头端支持IGMP V2（RFC 2236）和MLD V1（RFC 2710）组播协议，系统头端支持的并发组播组数不小于128个。 被测C-DOCSIS系统支持option60和option82，支持识别不同终端（PC或CM），能够将地址请求转发到不同的DHCP服务器。 被测C-DOCSIS系统支持良好的安全性，CM溯源能力很强，CM正常上线后，PC获取IP地址，能够通过指令显示PC IP与CM IP及MAC的对应关系，同时具备CPE接入数量控制功能，支持测试系统用户终端IP检查，防止私自设置静态IP，同时支持大客户的静态IP业务，头端设备支持检测CM用户发送ARP/DHCP/IGMP/ICMP等协议报文的数量，当CM用户每秒钟发送这些协议报文数量超过一定门限时，认为该用户存在DOS攻击行为而进行抑制。支持用户隔离，支持电缆线路加密功能的打开和关闭。 被测C-DOCSIS系统设备均能很好地支持数据透传功能、FTP上传下载功能和上下行带宽对称业务。宽带接入能力通过FTP上传下载的数据进行评估，大部分厂家上传下载速率与系统吞吐量测试数据略微偏低，但个别厂家测试结果偏低，1对32终端同时上传下载的速率仅达到200Mbps左右，单向下载速率和单向上传速率分别都只有200Mbps和80Mbps左右。 在测试系统工作对有线电视信号影响时，C-DOCSIS系统工作在734～862MHz，有线电视仿真网中传输6路模拟电视信号和80路数字电视信号，在加入C-DOCSIS系统后，模拟电视信号的CTB、CSO和C/N无明显劣化，数字信号的MER和C/N也无明显劣化。 网管功能测试中测试了网管软件设备配置管理、设备故障管理、安全管理、系统管理、设备性能管理和设备对MIB库的支持，共六个大项，每个大项中包含若干子项。被测各厂家的网管均不完善，过于简单。虽然C-DOCSIS标准继承了DOCSIS规范强大而通用的管理信息库，但各厂家没有充分实现所有规定的MIB库。 5 总结 C-DOCSIS技术在继承传统DOCSIS技术优势的基础上，创新了系统架构及业务逻辑和信令协议，使用MAC层与PHY层集中或分离的灵活架构以及相应业务逻辑、QoS映射和业务管理信令协议，突破了NGB发展的宽带接入瓶颈。实验室测试表明，被测C-DOCSIS设备符合GY/T 266-2012标准，利用信道绑定技术，实现下行800Mbps、上行100Mbps以上的接入速率，终端利用DOCSIS 3.0 CM可获得超过百兆的接入带宽，DOCSIS 2.0 CM也完全能够实现40Mbps的接入速率，能够满足千兆到楼、百兆到户的NGB需求，同时C-DOCSIS技术基于流的多业务QoS保障，能够满足视频、语音和数据等多种业务的灵活承载，同时具备齐全的安全策略，网络可靠性高，且兼容性的优势还能够保护原有接入设备的投入，在不进行大规模网络改造的条件下，实现灵活组网，能够满足网络平滑升级的需求。 目前C-DOCSIS技术已完成技术产业化，形成了从芯片、产品到应用的完整成熟产业链，深圳天威、北京歌华、华数集团等国内多家运营商已开始进行现网测试和应用部署。随着C-DOCSIS技术现网部署及应用的逐步推进，我们发现在以下几个方面还需要加强结合现网应用的验证测试。 1）各设备厂家对C-DOCSIS系统的设备网管、自动发现及管理信息库的实现均不完备，应进一步规范该内容并进行测试评估。 2）针对现网应用中CMC设备集成IPQAM或集成光站功能的应用模式，以及有线电视信号内混合的实现方式，应进行测试评估。 3）随着NGB业务数量的增多，应评估CMC下行SID数量支持能力是否能够满足现网需求。 4）实验室条件下仅验证了对各种业务的承载能力，应针对关于CMC设备多种组网模式及全网多业务承载方案进行测试评估，验证基于全网络、多业务的全网QoS保证。 参考文献 [1] GY/T 266-2012 NGB宽带接入系统 C-DOCSIS技术规范
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