新兴的基于全双工通信技术的双向有线电视宽带网络

1、引言

最新一代的DOCSIS技术（DOCSIS 3.1）极大程度地提高了双向有线电视宽带接入网络的系统容量——非对称的DOCSIS 3.1可达下行10 Gbps/上行1 Gbps，对称的DOCSIS 3.1可达下行10 Gbps/上行10 Gbps。

为了支撑通过双向有线电视网络向用户提供上行/下行对称的Gbps接入速率，就需要增大上行网络的系统容量。而"全双工DOCSIS通信技术"（基于DOCSIS 3.1接入技术）可以在不"牺牲"（这是该技术的最大亮点）下行网络系统容量的情况下来提高上行网络的系统容量，并将从2016年7月起进入标准化阶段（该标准被称为DOCSIS 3.1标准的"incremental evolution（增量式演进）"）。

Nokia已于2016年5月末首次演示全双工DOCSIS 3.1技术的概念验证（相关原型解决方案的名称为"XG-CABLE"），实现了在具有100米长度同轴电缆的双向有线电视宽带接入网络（其上限截至频率为1.2 GHz）上/下行对称10 Gbps速率。目前，Nokia正联合北美及欧洲的一些主流的双向有线电视宽带网络运营商研究于现网部署全双工通信技术的可行性。另外，Cisco（思科）公司也在2016年5月发布首份相关的白皮书。

本文就介绍基于双向有线电视网络的全双工DOCSIS技术及其所能带来的潜在的容量增益——相关全双工通信解决方案综合考虑了双向有线电视宽带接入网络在技术不断向前演进背景之下的后向兼容性问题、性能问题、可扩展性问题、终端设备实现的复杂度问题。

2、新兴的全双工通信技术

无论是有线通信技术还是无线通信技术，均使用FDD（频分复用）或TDD（时分复用）机制来打造双向的通信系统。

采取FDD时，可用的频谱资源被分成US（上行）信道及DS（下行）信道（在无线通信中分别为上行链路与下行链路信道），且相互间不重叠或通过设置保护带来防止上行信号与下行信号相互干扰。于是，下行信道与上行信道的频段分割比就成为决定下行系统与上行系统容量比的主要因素。从而，要增大上行网络的系统容量，就必定要以"牺牲"下行网络系统容量为代价，反之亦然。

采取TDD时，上行信道与下行信道使用相同的频谱资源，但在不同的时间段发送信号以避免上行信号与下行信号的相互干扰。于是，下行信道与上行信道的时间分割比就成为决定下行系统与上行系统容量比的主要因素。从而，要增大上行网络的系统容量，就必定要以"牺牲"下行网络系统容量为代价，反之亦然。

实现双向有线电视网络所采取的经典DOCSIS技术所用的是FDD这种双工机制：上行信道所在的频段有3种配置（5~42 MHz、5~65 MHz、5~85 MHz），下行信道与电视/视频广播共享使用高端部分的物理频频段（最高可达1 GHz频点）。

如果要提高DOCSIS接入网络容量，要么增大频谱资源利用效率（比如将DOCSIS 3.0技术升级为DOCSIS 3.1技术），要么为DOCSIS指配/分配更多的可用物理频段。但是，双向有线电视网络的频谱资源是有限的（无法延伸最高频点），从而，增大DOCSIS上行信道的容量就必然要"牺牲"一部分下行信道的系统容量。

根据上述部分的讨论，TDD或FDD这两种双工机制的应用目标在于通过防止上行频谱与下行频谱在时域或频域的重叠来防止上行信号与下行信号产生相互干扰。最近，无线通信技术研发所取得的最新进展显示，高级干扰消除技术使得FDX（全双工通信）成为可能。

在全双工通信系统之中，上行与下行采取相同的物理频段进行并发数据传输，而上行信号与下行信号之间的干扰则在接收机侧消除（采取高级的干扰消除技术），且需要消除自干扰，由于接收机的信号发射端口与信号接收端口的电平隔离度是有限的，处于高电平状态的发射信号就会干扰处于低电平状态的所接收到的信号。理想情况是，组合电路应由一个端口隔离度无限大的环形器组成，以防止信号发射端口与信号接收端口之间出现交叉耦合。

此外，目前，接收机侧的自干扰消除可在RF（射频）域实现，也可在数字域实现，还可在射频/数字混合域来实现。

3、新兴的全双工DOCSIS接入网络

目前基于DOCSIS标准的双向有线电视网络，可用的上行信道频段资源极其有限。这样，如果于其中部署了全双工通信技术，就可以为上行信道提供额外的物理带宽，同时保证下行信道具有足够多的可用物理带宽。

而为了在现有的双向有线电视网络中部署全双工通信技术，需要重点考虑的包括与前面各代DOCSIS的后向兼容性、性能、可扩展性、设备实现的复杂度。相关技术的研发进展要快于预先设定的目标。下面进行详细介绍。

（1）后向兼容性问题。如果一个全双工通信DOCSIS终端要与采取此前各代DOCSIS标准的双向有线电视终端实现兼容，其就必须能在达