cable modem测试技术的研究

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CableModem测试技术的研究上海大学通信与信息工程学院现代通信工程研究中心【摘要】本文对电缆调制解调器及其前端系统的兼容性测试的测试内容、测试过程及测试软件进行了详细的分析，并对自动测试方案进行了讨论。分析了部分测试结果。最后对中国的CM测试平台建设给出了一些建议。　　由北美有线电视运营公司（MSOS）及研究机构CableLabs等组成的行业组织MCNS提出的HFC网电缆数据业务接口标准DOCSISI[1]（DataOverCableServiceInterfaceSpecification）已经被世人广泛接受。由于DOCSIS协议比较复杂，生产电缆调制解调器和前端设备的厂家很多，能否实现各厂家的电缆调制解调器与前端设备的互通和兼容是一个关键问题。为此CableLabs进行了DOCSIS综合认证测试，先后于1998年10月和2000年8月颁布了CableModem的认可测试规范ATP10和ATP11[2]。该认可测试计划仍在发展之中。　　由于该测试所需的测试设备较多且价格昂贵，测试的指标较多，在测试过程中需要反复改变测试设备和待测设备的工作参数（如不同工作频率、包长等），进行CableLabs的认证需要生产厂家先自行测试，再把数据和待测产品一起交给CableLabs进行验证测试。无论通过与否均需交纳巨额的认证费用。目前国外已经有整套的测试设备出售，但是价格昂贵。上海大学通信与信息工程学院现代通信工程研究中心在1999年研制出CableModem后，又建立了宽带接入设备测试平台，进行了CMTS、CM的测试。鉴于目前中国的CableModem的测试标准还未出现，我们采用的是CableLabs的AcceptanceTestPlan（ATP）测试方案。本文分析了测试的内容、过程、所需设备及测试结果，还提出了建立标准的自动测试平台的设想，让程序控制众多设备自动工作，分析测试结果，达到检验CM和CMTS的性能、互通性和兼容性的目的，并能发现产品的不足和必须改进的地方。　　1　ATP测试内容及方法 　　ATP测试是一种“黑箱”测试方法，它不要求将产品打开以对某一点进行测试，或将CM／CMTS设置在某种测试状态。在对CM进行ATP测试时，为验证CM的兼容性能要求CMTS是符合DOCSIS标准的；反之，在测试CMTS时，为验证CMTS与CM的兼容性能要求CM是符合DOCSIS标准的，否则测试无效。ATP测试涉及到CMTS和CM的各个方面，包括物理层、MAC层、网络和用户侧管理接口、加密子层等。CableModem作为网桥设备，其物理电气特性和介质访问控制最为重要，是能否兼容的首要条件，限于篇幅，本文仅参照ATP10对物理层测试、MAC层／物理层测试、MAC层测试三个部分进行介绍。　　1.1　物理层测试　　物理层测试主要验证CM（用户端）与CMTS（前端）的电气性能是否符合DOCSIS标准。共有20个测试项目：（1）对下行传输会聚子层性能的测试。主要验证CMTS能否支持将机顶盒视频流与DOCSIS数据流复用在下行MPEG－2传输会聚子层通过下行信道传送。（2）CMTS输出频率和CM输入功率、频率变化范围的测试。（3）CMTS噪声和激励。验证CMTS产生的噪声符合RF物理层规范的范围。（4）CMTS纠错与ITU－TJ83附录B的一致性。（5）CMTS和CMITU－TJ83附录B交织子集测试。（6）CMTS三个不同的下行通道的输出频谱。（7）CMTS下行通道误码率（BER）和误字率（CER）。（8）上行流频率范围、符号率、调制方式、频率偏移校准和频率精确度。（9）上行信道发送功率。（10）CMTS输入功率运行范围测试。（11）载波相位噪声。（12）载波功率平坦度。（13）CM上行扰码。（14）在高功率时，上行频谱和带外噪声及突发干扰的测试。（15）在低功率时，上行频谱和带外噪声及突发干扰的测试。（16）上行频谱和带外噪声及激励的测试。（17）预均衡器测试。（18）CM接收功率测试。（19）上行信道的误包率测试。（20）符号率改变测试。测试符号率不断改变时DOCSIS系统连续工作的能力。物理层测试的主要物理连接图如图1。 　　通过SNMP控制器来读取或设置CM和CMTS的MIB中的上行、下行物理参数，让CMTS和CM按照设定条件正常工作，Cable系统下行、上行存在数据流。利用分支器选取下行或上行分路（视测试目的而定）输入到HP89441A矢量信号分析仪。通过设置解调模式、调制方式、符号率、滤波器因子、载波频率、频率间隔等参数将信号解调下来，这时可用多种方式来分析解调所得的信号，有常用的眼图、星座图、频谱图，还可以有解调下来的符号表、IQ误差、IQ偏移、误差矢量幅度（EVM）、误差矢量频谱、信噪比等，并且可以用几个图堆叠以不同的显示方式来显示，以便分析具体点的工作情况。将实际测试得到的结果与期望的结果或通过MIB读到的数值进行比较，从而达到验证和测试的目的。　　1.2　MAC/物理层测试　　主要是测试CMTS和CM的MAC层在通信过程中对物理层参数的优化设置的性能。它涉及MAC层又涉及物理层，因此CableLabs把它单独归为一部分。共有7个测试项目：（1）上行流发送功率测试；（2）上行发送功率周期变化的测试；（3）上行流前向纠错的测试；（4）上行流频道改变测试；（5）下行流频道改变测试；（6）频率过载时测距响应的测试；（7）基站维护的测试。主要的测试连接如图1。测试方法与物理层测试方法类似。　　1.3　MAC测试 　　由于CM是以共享方式接入HFC网络，需要MAC层对CM接入进行控制和仲裁。对MAC层的测试有14个项目：（1）标准初始化测试；（2）数据传输测试；（3）传输规则测试；（4）标准配置测试；（5）配置和注册测试；（6）退避算法验证；（7）同步时序测试；（8）非标准的上行信道描述（UCD）信息测试；（9）坏信头校验码测试；（10）保留域测试；（11）长／短请求测试；（12）上行流服务类别检查；（13）软件升级能力检查：（14）立即数据测试；（15）供货商特性测试。主要的测试物理连接如图2。　　CMTS和CM之间的上下行数据流由Smartbits数据网络性能分析仪产生，形成一个由SmartBits、CM、HFC网、CMTS构成的数据环路。在SmartBits控制器（通常是一台计算机）上的应用软件如SCMT（SmartbitsCableModemTest）、SmartApplication或SmartWindows控制SmartBits发送和接收数据包，分析环路的吞吐量、包延时等方面的网络性能。并具体分析信号的时序、长度、时间间隔等。对频谱分析仪采样的数据，通过逻辑分析仪分析其信号特性（突发的还是固定的），突发长度、包大小、包速度等突发信息来验证MAC层的数据传输、同步时序、上行流服务级别等方面的协议符合性。并采用数字计数器来记录突发脉冲个数。测试实际是对整个网络环路进行的，但当HFC网络配置正确，以太网连接不是瓶颈，如果CMTS是标准的，则测试是针对CM的，反之，如果CM是标准的，则测试是针对CMTS的。　　2　自动ATP测试 　　在测试过程中，人为直接地对测试设备的参数设置和读取，即为手工测试；由软件集中控制测试设备，自动地设置和读取测试设备的参数为自动测试。各测试设备和待测设备都有可编程接口，这使得用程序对各设备进行控制成为可能。控制软件与CM和CMTS之间的通信遵照Cable系统的运营支持系统接口规范（OSS）[3]，采用SNMP协议设置、读取CMTS和CM的工作参数。控制软件与SmartBit数据网络性能分析仪之间可以通过串口或以太网接口连接，直接调用SmartBit动态联结库的函数，可以控制SmartBit发送和接收数据包，得到统计数据。HP89441矢量信号分析仪等调制信号测试设备大多是Agilent公司的产品，可以用HP－IB命令远程控制，也可以通过HPBASIC编制程序进行自动测试。　　测试软件的功能应该模块化。厂家一般只测试自己的CM，或者只测试自己的CMTS的一个或几个项目。因为测试涉及的项目众多，各项目之间的联系较少，测试的物理连接不同，每一项目需要在多次改变某个或几个条件下测得结果。所以自动测试软件需要解决的问题是自动地更改测试的条件和得到测试的结果。其次测试软件需要逐项验证待测设备的指标。所以可以将测试软件分为CM物理层测试模块、CMMAC层／物理层测试模块、CMMAC层测试模块、CMTS物理层测试模块、CMTSMAC层/物理层测试模块和CMTSMAC层测试模块，并按照ATP测试的项目进行细分。测试软件的功能模块如图3。按模块化设计的测试软件便于调试；与测试目的一一对应，便于检查测试设备是否达到ATP要求；也便于在测试设备不足时，可以只实现部分测试功能，增减项目灵活方便。　　3　SNMP协议在ATP测试中的应用　　在DOCSIS标准中，运行支持系统接口规范（OperationsSupportSystemInterfaceSpecification）确定简单网络管理协议（SNMP）[4]为Cable设备的管理接口的标准协议。在测试CMTS和CM的物理层和MAC层特性时，主要通过RFC2669DOCSISCable设备MIB[5]和RFC2670射频接口（RadioFrequencyInterface）MIB[6]对CMTS和CM设置和读取MIB变量，从而达到设置和读取CMTS和CM的工作参数的目的，即控制CMTS和CM的工作通过SNMP协议来完成。只要知道Cable系统的MIB的意义，就能够管理支持SNMP的CMTS和CM。　　3.1　DOCSIS电缆设备MIB 　　该MIB提供必须由DOCSIS管理的适应于CM和CMTS的对象。共分为七个组。（1）docsDevBase组：由Cable设备系统管理所需的一些对象构成，可以认为是对MIB－Ⅱ′System′组的扩展。（2）docsDevNmAccess组：提供最低级别的SNMP接入安全。（3）DocsDevSoftware组：网络可下载软件升级的信息。软件升级主要是为了装载某些临时特殊的检测软件。升级不会被CM盲目地接受。当下载未完成、文件不完整或有损伤或软件不是专门为该硬件配置（包括当某一特征集未被用户购买的情况）时Cable设备不会完成软件升级。（4）docsDevServer组：提供CM／CMTS和各种提供服务的服务器之间互操作所需要的信息。（5）docsDevEvent组：提供对事件报告的控制和日志。（6）docsDevFilter组：用于配置处于链路层和IP层桥接数据流的过滤器。链路层的过滤器可以控制CM将数据包转发到受限制的网络层协议（如IP，IPX，NetBIOS和Appletalk）。IP协议过滤器可以基于源或目的IP地址、或传输层协议（UDP、TCP、ICMP）或源/目的UDP/TCP端口过滤上行或下行数据流。（7）DocsDevCpe组：控制哪一个IP地址由CM所服务的用户设备所使用。　　3.2　DOCSIS射频接口（RadioFrequencyInterface）MIB　　该组对象主要来自于DOCSIS射频接口规范。分为三组。（1）第一组是DocsIfBaseObjects组：包含与CM、CMTS都有关的管理信息，由四种表构成。下行信道表（DocsIfDownstreamChannelTable）对CMTS描述活动的下行信道，对CM描述接收到的下行信道。上行信道表（docsIfUpstreamChannelTable）对CMTS描述活动的上行信道，对CM描述目前的上行传输信道。服务质量表（docsIfQosProfileTable）描述Cable系统的有效服务质量。信号质量表（docsIfSignalQualityTable）用来监控接收到的射频信号的质量特征。（2）第二组是DocsIfCmObjects组，包含仅与CM有关的管理信息，有两个表。CM的MAC层表（docsIfCmMacTable）用来监视CM的MAC接口，可以视为ifEntry的扩展。CM的服务表（docsIf CmServiceTable）描述该CM可以获得的上行服务队列。在CMTS上有一个从CMTS角度描述的相对应的表docsIfCmtsServiceEntry。包含仅与CM有关的管理信息。（3）第三组是DocsIfCmtsObjects组，包含仅与CMTS有关的管理信息，有五个表。CMTS状态表（docsIfCmtsStatusTable）提供一组对发生在下层子接口的事件和值进行累加的计数器。CMTS／CM状态表（docsIfCmtsCmStatusTable）提供在该CMTS服务的系统上已注册的CM的信息。CMTS服务入口表（SrviceEntry）提供与上行服务队列相关的信息。CMTS调制表（tsModulationTable）控制与该CMTS相联系的射频信道调制参数。CMTS在MAC层与CM的对应表（docsIfCmtsMacToCmTable）允许CMTS通过CM的MAC地址快速地获取CM的docsIfCmtsCmTable表中仅与CMTS有关的管理信息。每组中的表均从功能（如按服务质量、信道特性、MAC层管理等）上进行划分。　　4　测试结果分析　　我们对自主开发的CM进行了测试，下面对一些测试结果进行分析。物理层的测试主要是用HP89441A矢量信号分析仪测试上行和下行信号的物理特征。上行比下行信号更难测试，主要是数据的获取比较困难。原因是上行流的数据是突发的，不象下行流数据那样连续，并且上行信道中的噪声干扰严重。矢量信号分析仪可以将一段突发数据的采样存储在它的寄存器里，通过快速傅立叶变换进行数字解调，用频谱图、星座图和取样解码后的符号误差表重新表现数据，从而可以直接读取物理信号的某些特征参数。本文绘出捕获的信号的三种方式。　　传统的信号表示方法如频谱图和眼图、星座图只能够表示信号的部分信息，用来直观地观察信号的好坏。图4的频谱图含有中心频率、带宽、幅度的信息。图516QAM的星座图是长时间信号在矢量平面上位置的积累表示，形象地表示了已调信号中的噪声情况。点越大表示调制信号偏离标准位置越多，因而噪声越严重。符号误差表将信号表示得最为详尽、精确、直观。矢量误差表包括解调下来的符号、矢量幅度误差、相位误差、频率误差（这个参数可由CMTS调整）和IQ偏移（以负dB数表示，绝对值越大，说明偏差越小，信号越好）。图中第一列值指的是平均值，后一列值是峰值，即瞬时值。所有这些值最后反映在一个主要的参数值上，即信噪比，在此测得的信噪比的值达到36dB以上，完全能满足DOCSIS协议中25dB的要求。 　　DOCSIS协议中数据包的格式是以太包的形式，故在吞吐量和环路时间延迟的测试当中，产生从最短包长到最长包长的数据包，并分别对几种典型长度的数据包的流测试环路的吞吐量和时间延迟特性。可以发现包长长的(例如1518字节的)和包长短的（64字节）其吞吐量是有所差别的，但包的通过数，并没有很大的区别，都是发出和接收一百多个包。这是因为CM是基于包处理的，对每个包处理时间差不多，当发送同样数量包时，对短包处理器工作较忙而容易出错，所以短包比长包的通过率反而低。因为长包的转发时间长，所以时间延迟较长。　　5　结　　论　　本文讨论了对电缆调制解调器和前端系统作ATP测试的测试方案。针对测试的复杂性及项目多、需反复设置设备参数的特点，提出了自动测试的方案，讨论了实施自动测试的必要性和可能性，并按照模块化的思想给出了测试软件的功能框图。最后讨论了用SNMP协议对CMTS和CM的控制在测试中的应用。随着接入市场的兴起和扩大，应当尽快建立起中国的CableModem接入技术标准，并建立一个完善的测试平台。这样不仅有利于接入设备的标准化，而且有利于提高我国接入网的质量。Cable宽带接入的两大技术标准是北美的DOCSIS和欧洲的DVB标准，本文建议采取DOCSIS标准，因为它已经实施多年，技术成熟，有完整的认证方案，且升级更新快，这有利于CableModem认证过程的实现。