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Walter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 – Technischer Überblick DOCSIS = Data over Cable Service Interface Specification Vortrag anlässlich der Cabletech 2017, Spielberg, März 2017 Cable modem RF IP Phone 16.3.2017

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Walter FischerRohde&Schwarz Trainingszentrum München

DOCSIS 3.1 – Technischer Überblick

DOCSIS = Data over Cable Service Interface Specification

Vortrag anlässlich der Cabletech 2017, Spielberg, März 2017

Cablemodem

RF

IP

Phone

16.3.2017

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Referent

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 2

Dipl. Ing. (FH) Walter FischerRohde&Schwarz

[email protected]

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AgendaDOCSIS Intro and Principle

Single Carrier Modulation Principle

Time Domain and Spectrum Domain

QAM and SNR Requirement

OFDM in CATV

DOCSIS 3.1 Physical Layer Parameters

DOCSIS 3.1 Demo Transmission

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 3

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DOCSIS Intro and PrincipleDOCSIS Intro and Principle

Single Carrier Modulation Principle

Time Domain and Spectrum Domain

QAM and SNR Requirement

OFDM in CATV

DOCSIS 3.1 Physical Layer Parameters

DOCSIS 3.1 Demo Transmission

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 4

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Broadband Internet & Telephone via CATV

CMTSCable

modemtermination

systemIP RF

RF

Cablemodem

RF

Coax/HFC

IP

Phone

DOCSIS

Return channel

Downstream

Upstream

DOCSIS – Data-over-Cable Service Interface Specification

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 5

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DOCSIS – Data over Cable Service Interface Specification

DOCSIS 1.0 1997 Cable Labs, ITU-T spec. ITU-T J.112DOCSIS 1.1 1999 QoS capabilitiesDOCSIS 2.0 2001 enhanced upstream speeds ITU-T J.122DOCSIS 3.0 2006 increase of both up and downstream speed, IPv6 ITU-T J.222DOCSIS 3.1 2013 10Gbit/s downstream, 1Gbit/s upstream, OFDM, 4096QAM

DOCSIS standard =bidirectional transmission of high-speed data over broadband cable networks using hybrid fiber-coaxial infrastructure

all DOCSIS standards are backward compatible

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 6

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DOCSIS Physical Layer

DOCSIS 1.0 ... 3.0:Downstream = ITU-T J83B [US] Single Carrier 64QAM/256QAMor ITU-T J83A (DVB-C) [EURO-DOCSIS] Single Carrier 64QAM/256QAM

Upstream = Single Carrier, QPSK ... 64QAM, TDMA, CDMA

DOCSIS 3.1:Downstream = OFDM, 4096 (4K) QAM and higher (16K QAM)4K/8K OFDM, 50/25 kHz carrier distance

Upstream = OFDM, minislots in time and frequency domainup to 4096 (4K) QAM, 2K/4K OFDM, 50/25 kHz carrier distance

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 7

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DOCSIS 1.0 ... 3.0 Downstream Data Rates

Standard Data rate per down stream channel

DOCSIS, J83B, 64QAM, 6 MHz 26.97 Mbit/s

DOCSIS, J83B, 256QAM, 6 MHz 38.81 Mbit/s

EURO-DOCSIS, DVB-C, 64QAM, 8 MHz 38.15 Mbit/s

EURO-DOCSIS, DVB-C, 256QAM, 8 MHz 51 Mbit/s

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 8

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Single Carrier Modulatin PrincipleDOCSIS Intro and Principle

Single Carrier Modulation Principle

Time Domain and Spectrum Domain

QAM and SNR Requirement

OFDM in CATV

DOCSIS 3.1 Physical Layer Parameters

DOCSIS 3.1 Demo Transmission

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IQ Modulator / Single Carrier Modulation

+ iqmod(t)data(t) Mapper

90°

q(t)

i(t)

I

Q

Carrier lo(t)

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 10

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Single Carrier Modulation … very short Symbols

Example: DVB-C, 6.9 MS/s; Symbol duration = 1/6.9 µs = 144 ns

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 11

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Constellations QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM

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DVB-C FEC

ScramblerReed-

Solomonencoder

Inter-leaver

MPEG-2TransportStream

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Time Domain and Spectrum DomainDOCSIS Intro and Principle

Single Carrier Modulation Principle

Time Domain and Spectrum Domain

QAM and SNR Requirement

OFDM in CATV

DOCSIS 3.1 Physical Layer Parameters

DOCSIS 3.1 Demo Transmission

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 14

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Continuous Streams and Bursted Streams

Downstream

Upstream

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 15

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Spectral Rolloff Filtering in DVB-C (r=0.15)

f

∆f

∆f

∆f

∆f2BN = BS

2cos2cos

2cos 2cos

r=∆f/BN

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 16

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Spectrum, CATV Network

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RF Characteristics

Frequency

Leve

l PAL system level-12 dB -6 dB -4…-6 dB0…2 dB

DVB-C64QAM

DVB-C256QAM

DVB-C21024QAM

DVB-C24096QAM

ATV

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 18

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QAM and SNR RequirementDOCSIS Intro and Principle

Single Carrier Modulation Principle

Time Domain and Spectrum Domain

QAM and SNR Requirement

OFDM in CATV

DOCSIS 3.1 Physical Layer Parameters

DOCSIS 3.1 Demo Transmission

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Required SNR(QAM Order)

SNR4+6dB SNR16+6dB SNR64+6dB SNR256+6dB

4QAM, 16QAM, 64QAM, 256QAM, 1024QAM, 4096QAM, ...

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Mainly used Modulation in Cable: 64QAM, 256QAM

64QAM 256QAM

SNR64+6dB = SNR256

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 21

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OFDM Basics, OFDM in CATVDOCSIS Intro and Principle

Single Carrier Modulation Principle

Time Domain and Spectrum Domain

QAM and SNR Requirement

OFDM in CATV

DOCSIS 3.1 Physical Layer Parameters

DOCSIS 3.1 Demo Transmission

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Interferences in a CATV Network

• Linear distortions (amplitude response, group delay)• Non-linear distortions (... amplifiers ...)• Intermodulation (multi-channel load and non-linearity)• Short echos (micro-reflections)• Noise (AWGN)• Noise, frequency selective interferer• Ingress noise• Leakage (in both directions ...)• ...

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Amplitude Response in CATV - Tilt

A(f)

f

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Interferer in CATV (Ingress, DVB-T/T2 Interferer, ...)

A(f)

f

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Unused, ... Forbidden Frequencies ... in CATV („Notches“)

A(f)

f

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 26

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OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplex

COFDM

Coded Orthogonal Frequency DivisionMultiplex

FEC

Forwarderror

correction(Channel coding)

Distribution of data tomany subcarriers

No crosstalkbetween

subcarriers

∆f = 1/∆t

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 27

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COFDM Principle

X

XMap

per

+

X

XMap

per

+

..... COFDM

symbolΣ

Data+

FEC

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 28

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Mapping of OFDM carrier

Data stream: 0110 1110 0001 1010 1111 0011 0000 1010 0101

Forming of

groups of

4 bit

at 16QAMcarrer no. 0 1 2 3 4 5 6 7 8

mapped

carrier vector

each carrier is described via a (I,Q) pair

in the frequency domain

each carrier corresponds to a narrow-band modulated transmission channel

∆f∆f = 1/∆t = carrier spacing

at DVB-T: 6817 or 1705 carriers in a distance of approx. 1kHz or 4kHz

6817 or 1705 carrier plus guard band = 2 N carrier = 8192 or 2048 carrier

IFFT = Inverse Fast Fourier Transformation

OFDM symbol in time domain

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 29

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IFFT and I/Q Modulator

+ ofdm(t)

Re(f)

Im(f)

IFFT

90

im(t)

re(t)

I

Q

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 30

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OFDM Symbols with Guard Interval

Symbol n Symbol n+1

Guard interval

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OFDM Symbols with Guard Interval

Symbol n+1Symbol n

Guard interval (CP = cyclical prefix)

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 32

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Guard Interval – Cyclical Prefix

OFDM Symbol

Copy of end of symbol Guard Interval

= protection against intersymbol interference

in OFDM systems

Guard interval = „quasi-break“ =

Mechanism against problems in time domain at multipath reception

DVB-T

2K

∆f ~ 4kHz

∆t~250us

8K

∆f ~ 1kHz

∆t~1ms

∆t

Symbol

duration

∆t=1/∆f

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 33

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Intersymbol Interference (ISI)

Symboln+5

Symboln+2

Symboln+3

Symboln+4

Symboln

Symboln+1

Symboln+5

Symboln+2

Symboln+3

Symboln+4

Symboln

Symboln+1

∆t

∆t = Echo delay timeIntersymbol interference

+

=

Path1

Path2

Path1+2

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 34

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(Only) Micro Reflections in CATV

Time Attenuation

≤0.5 µs -20 dBc

≤1.0 µs -25 dBc

≤1.5µs -30 dBc

>2.0 µs -35 dBc

>3.0 µs -40 dBc

>4.5 µs -45 dBc

>5.0 µs -50 dBc

Micro-reflections in downstream(DOCSIS 3.1)

Time Attenuation

≤0.5 µs -16 dBc

≤1.0 µs -22 dBc

≤1.5µs -29 dBc

>2.0 µs -35 dBc

>3.0 µs -40 dBc

>4.5 µs -42 dBc

>5.0 µs -51 dBc

Micro-reflections in upstream(DOCSIS 3.1)

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 35

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OFDM Spectrum

∆f

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 36

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Orthogonality

∆t

∆f

tf

A(f)

sin(x)/xFouriertransform

∆f = 1/∆t

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 37

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OFDM Spectrum

∆f

Shoulder Shoulder

sin(x)/x functions

Carriers

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 38

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OFDM Spectrum

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 39

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OFDM – Edge Carriers switched off

2N carrier, but edge carriers are switched off: guard bandto attenuate the shoulders of the OFDM spectrum

Shoulders of OFDM spectrum

Channel M-1 Channel M Channel M+1

„Guard band“

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 40

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OFDM-Symbol

OFDMsymbol

duration ∆t

modulated OFDM carriers in time domain,discrete carriers ...

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 41

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OFDM SymbolOFDM carriers, in time domain, overlayed

OFDMsymbolduration ∆t

„noise-like“signal with highcrest factor

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 42

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Guard Interval / CP before and behind of the Symbol

OFDM Symbol

∆t

DOCSIS 3.1

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 43

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Guard Interval & Windowing

OFDM Symbol

∆t

DOCSIS 3.1

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 44

Page 45: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

Forward Error Correction (FEC)

Forward Error CorrectionFEC

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 45

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Transmission Channel – Channel Capacity

Channel bandwidth [Hz]

Cha

nnel

qua

lity

(SN

R [d

B])

Channel capacitydatarate

„Shannon“

CATV 6, 7, 8 MHz

Coax ... 32 dB .... HFC ... 40 dB ... 43 dB

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 46

);1(log 2 N

SBC +⋅=

);log(10][

;3

1

N

SdBSNR

SNRBC

⋅=

⋅⋅≈

S/N>>1:

Example: B = 1GHz, SNR = 40 dBC = 13.3 Gbit/s;

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Channel codingChannel coding

Block codes

Convolutional codes

(1955: Elias,1967: Andrew Viterbi)

Concatenatedcodes

(1966: David Forney)

BCH(1960)

Reed-Solomon(1963)

Hamming(1950)

Turbocodes(1993:concat.convol. codes)

LDPC(1963: Gallager)

usinggroup/fieldtheoryof linearalgebra

Data Code

++

++ ++

in

out1

out2

Block code+interleaver+block code

Block code+interleaver+

Convol. code

Cyclicalgroup code

Generalblock code

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 47

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Block Code

Data

Algorithm(linear algebra)

Code

k lm

m = k + l

Example: DVB Reed-Solomon code:k = 188 byte, l = 16 byte, m = 204 byte

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 48

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Convolutional Coding

+

+ +

in

out1

out2

Shift registers

code rate =data rate in /data rate out;

EXOR

EXOR

Example: GSM, UMTS, DVB inner coder

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 49

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Typical FEC Structure

Basebandscrambler

FEC-1 Interleaver FEC-2Data

inDataout

FEC-1FEC-2

... brakes upones and zerossequences

... distributesinformation overtime ...

... adds dataoverhead tothe data stream

... adds dataoverhead tothe data stream

code ratecode rate

data rate in data

rat

e ou

t

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 50

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DVB-T FEC Structure

Basebandscrambler

Reed-Solomon188, 204

Forneyinterleaver

Convol.coder &

puncturing

Datain

Dataout

FEC-1FEC-2

... brakes upones and zerossequences

... distributesinformation overtime ...

... adds dataoverhead tothe data stream

... adds dataoverhead tothe data stream

188/204code rate

data rate in data

rat

e ou

t

„squeeze“puncturing

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 51

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DVB-T2 & DOCSIS3.1 FEC Structure

Basebandscrambler

BCHcoder

LDPCcoder

Bitinterleaver

Datain

Dataout

FEC-1FEC-2

... brakes upones and zerossequences

... distributesinformation overtime ...

... adds dataoverhead tothe data stream

... adds dataoverhead tothe data stream„Low Density ParityCheck Coding“

code ratedata rate in da

ta r

ate

out

BCH=Bose-Chaudhuri-HocquenghemLDPC=Low Density Parity Check Code

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 52

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OFDM Subcarriers

f

Channel bandwidth

∆f

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 53

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Orthongonality

∆f

Orthogonality condition: ∆f = 1/∆t

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 54

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OFDM ... Pilots ... (Example: DVB-T)

TPS=TransmissionParameterSignalling;BPSK modulated;signalling ofDVB-T transmissionparameters

Scattered pilots =„sweep signal“(channel estimation andcorrection)

Continual Pilots,fixed position inspectrum andin constellationdiagram(AFC =AutomaticFrequencyControl)

Rotating constellationsin the receiver in case of afrequency deviation;� frequency correction (AFC)using continual pilots

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 55

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Constellations Diagram, showing Pilot Signals

Example: DVB-T

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 56

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Pilot Pattern

….

….

0 i

Frequency (carrier no.)

….

….

d1

d2

d3

d1 = distance between scattered pilot carrier positionsd2 = distance between scattered pilots in one symbold3 = symbols forming one scattered pilot sequence

Time

Edgepilot

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 57

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Bulding OFDM Frames ... (1)

OFDMsymbol

duration ∆t

Modulated OFDM carrier signals in time domain,discrete carriers shown ...

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 58

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Building OFDM Frames ... (2)OFDM carriers, in time domain, overlayed

OFDMsymbolduration ∆t

„noise-like“signal with high„crest factor“

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 59

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Building OFDM Frames ... (3)

Symbol n+1Symbol n

Guard intervalcyclical prefix (CP)

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 60

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From a OFDM Symbol to a OFDM Frame (4) ...

....

OFDMframe

S1 SnS2

S1 ... Sn = OFDM symbols incl. guard interval

n symbols = 1 frame

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 61

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From a OFDM symbol to a OFDM Frame ... (5)

....

DVB-TOFDMframe

S1 S68S2

....

DABOFDMframe

S1 S76S2TFPR

67 TPS bits, scattered pilots ...

Nullsymbol

....

DVB-T2OFDMframe

S1 SnS2P1 P2 Payload symbols

Preamble symbols

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 62

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OFDM in Time and Frequency Domain (6)

„Slot“

Time

Frequency

n OFDMcarriers

m OFDM symbols

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 63

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DOCSIS 3.1 Upstream

DOCSIS3.1Upstream

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 64

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From DVB-C2 to DOCSIS 3.1DOCSIS Intro and Principle

Single Carrier Modulation Principle

Time Domain and Spectrum Domain

QAM and SNR Requirement

OFDM Basics, OFDM in CATV

DOCSIS 3.1 Physical Layer Parameters

DOCSIS 3.1 Demo Transmission

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 65

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From DVB-C2 ... to ... DOCSIS 3.1

DVB-C2 based on DVB-T2• narrow-band channel design (6, 8 MHz) with wide-band channel-bonding option• Long interleaver design for broadcast applications• Narrow OFDM subcarrier distance 1.7/2.2 kHz (4K mode in 6, 8 MHz)• Only downstream, no upstream defined

DOCSIS 3.1 design• wideband-band channel design (192 MHz) with narrow band option ( ... 24 MHz)• Optimized for short response time ... 1 ms• Wide OFDM subcarrier distance 25/50 kHz (4K / 8K mode in 192 MHz)• Downstream and upstream

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 66

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DOCSIS 3.1 Downstream, Upstream

CMTSCable

modemtermination

systemIP RF

RF

Cablemodem

RF

Coax/HFC

IP

Phone

DOCSIS

Return channel

Downstream

Upstream

DOCSIS – Data-over-Cable Service Interface Specification

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 67

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DOCSIS 3.1 Downstream

Parameter DOCSIS 3.1 DOCSIS 3.0

Type of modulation OFDM4K and 8 K FFT

single carrier(J.83/B, DVB-C)

Frequency range 108 MHz to 1218 MHz(1794 MHz)

45 MHz to1002 MHz

Channel bandwidth up to 192 MHz 6 MHz / 8 MHz

QAM constellations up to 4096, 8k, 16k up to 256

Cyclic prefix length 0.9375 µs to 5 µs n/a

Pilots scattered and continuous n/a

Forward Error Correction BCH-LDPC Reed-Solomon

DS capacity (bps) 8 G (10 G) 300 M (1 G)

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 68

25 kHz / 50 kHz carrier spacing7680 / 3840 carriers in 192 MHz bandwidth

up to 16384QAM

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DOCSIS 3.1 Upstream

Parameter DOCSIS 3.1 DOCSIS 3.0

Type of modulation OFDM2K and 4 K FFT

single carrierTDMA, S-CDMA

Frequency range 5 MHz to 204 MHz 5 MHz to 85 MHz

Channel bandwidth up to 96 MHz up to 6.4 MHz

QAM constellations up to 4096 QPSK to 64

Cyclic prefix length 0.9375 µs to 6.25 µs n/a

Pilots complimentary and continuous

n/a

Forward Error Correction LDPC Reed-Solomon

DS capacity (bps) 400 M (1 G to 2.5 G) 100 M (300 M)

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 69

25 kHz / 50 kHz carrier spacing3840 / 1920 carriers in 96 MHz bandwidth

up to 4096QAM

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DOCSIS 3.1 Frequency Plan

FM

sou

nd b

road

cast

88.5

...10

8 M

Hz

DOCSIS1.0...3.0Upstream5...65 MHz

f/MHz

f/MHz

Band I 47...68 MHzBand II 87.5...108 MHzS 104...174 MHz (Midband)Band III 174...230 MHzS 174...300 MHz (Superband)S 302...470 MHz (Hyperband)Band IV 470 ...582 MHzBand V 582...862 MHz

DOCSIS 3.1Upstream

5...204 MHz(42/65/85/117/204 MHz)

Air

traf

fic c

ontr

ol 1

18...

136

MH

z

ATV/DTV Broadcast108...862 MHz

862 MHz600 MHz

DOCSIS1.0..3.0Downstream450...862 MHz

DOCSIS 3.1Downstream

258 (108)...1218 (1794) MHz

Current CATV frequency occupation

DOCSIS 3.1 frequency plan

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 70

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DOCSIS 3.1 Channel Occupation

f/MHz

f/MHz

Current CATV frequency occupation

DOCSIS 3.1

FM

sou

nd b

road

cast

88.5

...10

8 M

Hz

DOCSIS 3.1Upstream

5...204 MHz(42/65/85/117/204 MHz)

DOCSIS 3.1Downstream

258...1218 (1794) MHz

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 71

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DOCSIS 3.1 Upstream Structure

Minislot Minislot Minislot

Minislot Minislot Minislot

Minislot Minislot Minislot

Minislot Minislot Minislot

Time

Frequency

n OFDMcarriers

m OFDM symbols

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 72

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DOCSIS 3.1 Downstream Spectrum

Center carriercarrier # m

Channelbandwidth

IFFTbandwidth

Signalband width

Carrier # e Carrier # w

4K/8K mode

max. 190 MHz 7600 or 3800 active

carriers)

Channel bandwidth192 MHz (7680 or

3840 totalno. of carriers)

25 kHz / 50 kHz carrier spacing7680 / 3840 carriers

configurabledownstream

channelspacing

from24 ... 192 MHz

downstreamoperating

frequency range54 ... 1002 MHz

(1218/1794 MHz)

204.8 MHz

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 73

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DOCSIS 3.1 Upstream Spectrum

Center carriercarrier # m

Channelbandwidth

IFFTbandwidth

Signalband width

Carrier # e Carrier # w

25 kHz / 50 kHz carrier spacing3840 / 1920 carriers

Channel bandwidthmax. 96 MHz (3840 or

1920 totalno. of carriers)

max. 95 MHz 3800/1900 active

carriers)

configurableupstreamchannelspacing

up96 MHz

upstreamoperating

frequency range5 ... 204MHz

2K/4K mode102.4 MHz

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 74

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Single Carrier Spectrum versus OFDM Spectrum

Typical single carrier spectrumwith roll-off

Typical OFDM spectrum

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 75

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Single Carrier Spectrum versus OFDM Spectrum

Typical single carrier spectrumwith roll-off

Wide-band DOCSIS OFDM „channel“

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 76

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Pilots in DOCSIS 3.1DOCSIS 3.1 spectrum contains

• data subcarriers, different modulation parameters due to profiles• continous pilots (fix position, for AFC)• scattered pilots (var. position for measurement purposes)• PLC subcarriers• exluded carriers that are set to zero

guard bandguard band

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 77

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Pilots in DOCSIS 3.1

guard bandguard band

f frequency

t time

Symbols

cont

inou

s pi

lots

PLC

car

riers

Sca

ttere

d pi

lots

preamble

NC

P n

ext c

odew

ord

poin

ter

excl

uded

car

riers

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 78

PLC = physical layer link channel

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PLC – Physical Layer Link Channel

FFT size Subcarrier spacing Number of PLCsubcarriers per symbol

4096 50 kHz 8

8192 25 kHz 16

PLC contains physical layer parameters for the cable modem (CM)

PLC constists of preamble and PLC data

Modulation of PLC carriers is BPSK for preamble and 16QAM for PLC data

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 79

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Profiles

NCP = Next Codeword Pointer = lowest layer; QPSK, 16QAM, 64QAMNCP points to the beginning of the codewords of the profiles in a symbol

16 profiles (QPSK, ... 16KQAM)

Profile data are interleaved (interleaver depth 1...32)

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 80

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Profiles in DOCSIS 3.1 ...

CMTS

Headend

CM CM CM CM

CM CM CM CM

CM CM CM CM

different SNRup to 16profiles usingdifferent QAM

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 81

Page 82: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

DOCSIS 3.1 Downstream Spectrum

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 82

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DOCSIS 3.1 Modulation ParameterModulationmodedownstream

min CNR(AWGN)(... 1GHz)

min CNR(AWGN)(...1.2GHz)

16QAM 15.0 dB 15.0 dB

64QAM 21.0 dB 21.0 dB

128QAM 24.0 dB 24.0 dB

256QAM 27.0 dB 27.0 dB

512QAM 30.5 dB 30.5 dB

1024QAM 34.0 dB 34.0 dB

2048QAM 37.0 dB 37.5 dB

4096QAM 41.0 dB 41.5 dB

8192QAM

16384QAM

Modulationmodeupstream

min CNR(AWGN)

QPSK 11.0 dB

8QAM 14.0 dB

16QAM 17.0 dB

32QAM 20.0 dB

64QAM 23.0 dB

128QAM 26.0 dB

256QAM 29.0 dB

512QAM 32.5 dB

1024QAM 35.5 dB

2048QAM 39.0 dB

4096QAM 43.0 dB

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 83

Page 84: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

DOCSIS 3.1 Constellation Diagram, No Payload,only PLC and Pilots

PLC = physical layer link channel

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 84

Page 85: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

DOCSIS 3.1 Downstream, Pilots, Signalling and 64QAM Payload Profile

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 85

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DOCSIS 3.1 Downstream, Pilots, Signalling, 64QAM, 256QAM Payload Profile

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 86

Page 87: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

DOCSIS 3.1, ... 1024QAM

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 87

Page 88: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

DOCSIS 3.1 Downstream, ... 4096QAM

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 88

Page 89: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

DOCSIS 3.1, ... 16KQAM

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 89

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Guard Interval / CP before and behind of the Symbol

OFDM Symbol

∆t

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 90

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Guard Interval & Windowing

OFDM Symbol

∆t

Tukey-rised cosine windowingin DOCSIS 3.1

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 91

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DOCSIS 3.1 Cyclic PrefixCP lengthupstream2K / 4K mode

CP length in elementary periodes

0.9376 µs 96 • TSU

1.25 µs 128 • TSU

1.5625 µs 160 • TSU

1.875 µs 192 • TSU

2.1875 µs 224 • TSU

2.5 µs 256 • TSU

2.8125 µs 288 • TSU

3.125 µs 320 • TSU

3.75 µs 384 • TSU

5.0 µs 512 • TSU

6.25 µs 640 • TSU

CP lengthdownstream4K / 8K

CP length in elementary periodes

0.9376 µs 192 • TSD

1.25 µs 256 • TSD

2.5 µs 512 • TSD

3.75 µs 768 • TSD

5 µs 1024 • TSD

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 92

Page 93: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

DOCSIS 3.1 Cyclic PrefixCP lengthdownstream4K / 8K

CP length in elementary periodes

0.9376 µs 192 • TSD

1.25 µs 256 • TSD

2.5 µs 512 • TSD

3.75 µs 768 • TSD

5 µs 1024 • TSD

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 93

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DOCSIS 3.1 FEC – Forward Error Correction

BCH InterleaverLDPCin out

Downstream - FEC

LDPCin out

Upstream - FEC

Interleaver depth 0...32

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 94

Page 95: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

FSW DOCSIS 3.1 Analysis

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 95

Page 96: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

From DVB-C2 to DOCSIS 3.1DOCSIS Intro and Principle

Single Carrier Modulation Principle

Time Domain and Spectrum Domain

QAM and SNR Requirement

OFDM Basics, OFDM in CATV

DOCSIS 3.1 Physical Layer Parameters

DOCSIS 3.1 Demo Transmission

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 96

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CLGD … Simulating Multichannel CATV Load

ATVDVB-CDOCSIS

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 97

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SFD … Single Channel DOCSIS 3.0/3.1/ARBGenerator

15.03.2017 DOCSIS3.1 - Technischer Überblick 98

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R&S FSW-K192 DOCSIS 3.1 Downstream Measurement ApplicationR&S FSW-K193 DOCSIS 3.1 Upstream Measurement Application

DOCSIS 3.1 Signal Analysis … using R&S FSW

9912-2016 DOCSIS 3.1 Signal Analysis

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CATV Demo Transmission Link

DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 10015.03.2017

Demo setup in Teisnach, Germany, June 2016

Source„CATV“ Headend

signal source:SFD

CLDGBTC

Sink„CATV“

enduser equipmentanalyzer:

ETLFSWOptical link

3 CATV amplifier pluscoax cable simulation

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CATV Demo Transmission Link

DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 10115.03.2017

Optical fibre link

Laser Optical node

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CATV Demo Transmission Link

DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 10215.03.2017

3 CATV amplifier pluscoax cable simulation

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DOCSIS3.1 – Signal from CLGD, measured with FSW

15.03.2017 DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 103

Page 104: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

CLGD Signal (DVB-C Multi-Channel and DOCSIS3.1)

15.03.2017 DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 104

Page 105: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

Single DVB-C Signal from SFU

15.03.2017 DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 105

Page 106: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

Signal before Optical Link at Network Input

15.03.2017 DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 106

Page 107: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

DOCSIS at Network Input

15.03.2017 DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 107

MER = 48 dB

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DOCSIS - 1024QAM at the Input of the Cascade(CLGD Output)

15.03.2017 DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 108

Page 109: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

DOCSIS - 4kQAM at CLGD Output (Begin ofCascade)

15.03.2017 DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 109

Page 110: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

DOCSIS - 16kQAM at CLGD Output (Begin ofCascade)

15.03.2017 DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 110

Page 111: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

Spectrum, after Optical Link

15.03.2017 DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 111

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Spectrum after 3rd Amplifier

15.03.2017 DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 112

Page 113: DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick - · PDF fileWalter Fischer Rohde&Schwarz Trainingszentrum München DOCSIS 3.1 –Technischer Überblick DOCSIS = Data overCable Service Interface

DOCSIS3.1 after Optical Link

15.03.2017 DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 113

MER = 43 dB

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DVB-C at the End of the Cascade

15.03.2017 DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 114

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DOCSIS3.1 at the End of the Cascade

15.03.2017 DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 115

MER = 37 dB

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1024QAM at the End of the Cascade

15.03.2017 DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 116

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4096QAM at the End of the Cascade

15.03.2017 DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 117

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16384QAM (16kQAM) at the End of the Cascade

15.03.2017 DOCSIS 3.1 / DVB-C CATV lab network 118

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Walter FischerRohde&Schwarz

Training Center MunichEmail: [email protected]

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16.3.2017