An Efficient DOCSIS Upstream Equalizer

The advancement in the CATV industry has been remarkable. In the beginning, CATV provided a few television channels. Now it provides a variety of advanced services such as video on demand (VOD), Internet access, Pay-Per-View on demand and interactive TV. These advances have increased the popularity of CATV manyfold. Current improvements focus on interactive services with high quality. These interactive services require more upstream (transmission from customer premises to cable operator premises) channel bandwidth. The flow of data through the CATV network in both the upstream and downstream directions is governed by a standard referred to as the Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS) standard. The latest version is DOCSIS 3.1, which was released in January 2014. The previous version, DOCSIS 3.0, was released in 2006. One component of the upstream communication link is the QAM demodulator. An important component in the QAM demodulator is the equalizer, whose purpose is to remove distortion caused by the imperfect upstream channel as well as the residual timing offset and frequency offset. Most of the timing and frequency offset are corrected by timing and frequency recovery circuits; what remains is referred to as offset. A DOCSIS receiver, and hence the equalizer within, can be implemented with ASIC or FPGA technology. Implementing an equalizer in an ASIC has a large nonrecurring engineering cost, but relatively small per chip production cost. Implementing equalizer in an FPGA has very low non-recurring cost, but a relatively high per chip cost. If the choice technology was based on cost, one would think it would depends only on the volume, but in practice that is not the case. The dominant factor when it comes to profit, is the time-to-market, which makes FPGA technology the only choice. The goal of this thesis is to design a cost optimized equalizer for DOCSIS upstream demodulator and implement in an FPGA. With this in mind, an important objective is to establish a relationship between the equalizer’s critical parameters and its performance. The parameter-performance relationship that has been established in this study revealed that equalizer step size and length parameters should be 1/64 and approximately 20 to yield a near optimum equalizer when considering the MER-convergence time trade-off. In the pursuit of the objective another relationship was established that is useful in determining the accuracy of the timing recovery circuit. That relationship establishes the sensitivity both of the MER and convergence time to timing offset. The equalizer algorithm was implemented in a cost effective manner using DSP Builder. The effort to minimize cost was focused on minimizing the number of multipliers. It is shown that the equalizer can be constructed with 8 multipliers when the proposed time sharing algorithm is implemented

Design and Performance Analysis of Functional Split in Virtualized Access Networks

abstract: Emerging modular cable network architectures distribute some cable headend functions to remote nodes that are located close to the broadcast cable links reaching the cable modems (CMs) in the subscriber homes and businesses. In the Remote- PHY (R-PHY) architecture, a Remote PHY Device (RPD) conducts the physical layer processing for the analog cable transmissions, while the headend runs the DOCSIS medium access control (MAC) for the upstream transmissions of the distributed CMs over the shared cable link. In contrast, in the Remote MACPHY (R-MACPHY) ar- chitecture, a Remote MACPHY Device (RMD) conducts both the physical and MAC layer processing. The dissertation objective is to conduct a comprehensive perfor- mance comparison of the R-PHY and R-MACPHY architectures. Also, development of analytical delay models for the polling-based MAC with Gated bandwidth alloca- tion of Poisson traffic in the R-PHY and R-MACPHY architectures and conducting extensive simulations to assess the accuracy of the analytical model and to evaluate the delay-throughput performance of the R-PHY and R-MACPHY architectures for a wide range of deployment and operating scenarios. Performance evaluations ex- tend to the use of Ethernet Passive Optical Network (EPON) as transport network between remote nodes and headend. The results show that for long CIN distances above 100 miles, the R-MACPHY architecture achieves significantly shorter mean up- stream packet delays than the R-PHY architecture, especially for bursty traffic. The extensive comparative R-PHY and R-MACPHY comparative evaluation can serve as a basis for the planning of modular broadcast cable based access networks.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Topics in access, storage, and sensor networks

In the first part of this dissertation, Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS) and IEEE 802.3ah Ethernet Passive Optical Network (ETON), two access networking standards, are studied. We study the impact of two parameters of the DOCSIS protocol and derive the probability of message collision in the 802.3ah device discovery scheme. We survey existing bandwidth allocation schemes for EPONs, derive the average grant size in one such scheme, and study the performance of the shortest-job-first heuristic. In the second part of this dissertation, we study networks of mobile sensors. We make progress towards an architecture for disconnected collections of mobile sensors. We propose a new design abstraction called tours which facilitates the combination of mobility and communication into a single design primitive and enables the system of sensors to reorganize into desirable topologies alter failures. We also initiate a study of computation in mobile sensor networks. We study the relationship between two distributed computational models of mobile sensor networks: population protocols and self-similar functions. We define the notion of a self-similar predicate and show when it is computable by a population protocol. Transition graphs of population protocols lead its to the consideration of graph powers. We consider the direct product of graphs and its new variant which we call the lexicographic direct product (or the clique product). We show that invariants concerning transposable walks in direct graph powers and transposable independent sets in graph families generated by the lexicographic direct product are uncomputable. The last part of this dissertation makes contributions to the area of storage systems. We propose a sequential access detect ion and prefetching scheme and a dynamic cache sizing scheme for large storage systems. We evaluate the cache sizing scheme theoretically and through simulations. We compute the expected hit ratio of our and competing schemes and bound the expected size of our dynamic cache sufficient to obtain an optimal hit ratio. We also develop a stand-alone simulator for studying our proposed scheme and integrate it with an empirically validated disk simulator

Convergence and next generation networks

Convergence and next generation networks and their potential impact on policies and regulations is the subject of this report, covering issues of competition in the new fibre environment, convergence of video, voice and data services, the rapid growth of new technologies, such as HDTV and mobile television, and the related demand for spectrum, as well as new possible "divides" between urban and rural areas created by the uneven development of high-speed fibre networks

Resource management in cable access networks

Een kabelnetwerk is tegenwoordig niet meer alleen een medium waarover analoge TV-signalen vanuit een centraal punt, kopstation genaamd, naar de aangesloten huizen worden gestuurd. Sinds enkele jaren is het mogelijk om thuis data digitaal te versturen en te ontvangen. Deze data gaat via een kabelmodem thuis en het kopstation, dat in verbinding staat met andere netwerken. Op deze wijze zijn kabelnetwerken onderdeel geworden van het wereldwijde Internet en kunnen computers thuis hier mee verbonden worden. Door aan zo’n kopstation een digitaal videosysteem met duizenden films te koppelen, ontstaat er de mogelijkheid een video-op-verzoek dienst aan te bieden: Via de computer of zelfs de TV thuis kunnen films worden besteld en direct bekeken, of worden opgeslagen in de computer. Om dit te bewerkstelligen is meer nodig dan alleen een netwerk: Voor de transmissie van video data dient er zorg voor te worden gedragen dat deze zonder hinderende interrupties kan geschieden, omdat dergelijke gebeurtenissen door de gebruiker direct te zien zijn in de vorm van een stilstaand of zwart beeld. Verder is ook de reactiesnelheid van het systeem van belang voor het ondersteunen van operaties door de gebruiker, zoals het bestellen van een film, maar ook het vooruit- of terugspoelen, pauzeren, enzovoorts. Binnen deze context beschrijven en analyseren we in dit proefschrift zes problemen. Vier daarvan houden verband met de transmissie van data over het kabelnetwerk en de overige twee houden verband met het opslaan van video data op een harde schijf. In twee van de vier problemen uit de eerste categorie analyseren we de vertraging die data ondervindt wanneer die vanuit een modem wordt gestuurd naar het kopstation. Deze vertraging bepaalt met name de reactiesnelheid van het systeem. Karakteristiek voor dataverkeer in deze richting is dat pakketten van verschillende modems tegelijkertijd mogen worden verstuurd en daardoor verloren gaan. Met name de vereiste hertransmissies zorgen voor vertraging. Meer concreet beschouwen we een variant op het bekende ALOHA protocol, waarbij we uitgaan van een kanaalmodel dat afwijkt van het conventionele model. Het afwijkende model is van toepassing wanneer een modem een eerste contact probeert te leggen met het kopstation na te zijn opgestart. Met name na een stroomuitval, wanneer een groot aantal modems tegelijkertijd opnieuw opstart, kunnen de vertragingen aanzienlijk zijn. Daarnaast beschouwen we modems tijdens normale operatie en analyseren wij de verbetering in vertraging wanneer pakketten die vanuit ´e´en modem moeten worden verstuurd, worden verpakt in een groter pakket. In beide studies worden wiskundige resultaten vergeleken met simulaties die re¨ele situaties nabootsen. In de andere twee van de vier problemen richten wij ons op de transmissie van video data in de andere richting, namelijk van het kopstation naar de modems. Hierbij spelen stringente tijdsrestricties een voorname rol, zoals hierboven reeds is beschreven. Meer specifiek presenteren we een planningsalgoritme dat pakketten voor een aantal gebruikers op een kanaal zodanig na elkaar verstuurt dat de variatie in de vertraging die de verschillende pakketten ondervinden, minimaal is. Op deze wijze wordt zo goed mogelijk een continue stroom van data gerealiseerd die van belang is voor het probleemloos kunnen bekijken van een film. Daarnaast analyseren we een bestaand algoritme om een film via een aantal kanalen periodiek naar de aangesloten huizen te versturen. In dit geval ligt de nadruk op de wachttijd die een gebruiker ondervindt na het bestellen van een film. In deze analyse onderbouwen we een in het algoritme gebruikte heuristiek en brengen hierin verdere verbeteringen aan. Daarnaast bewijzen we dat het algoritme asymptotisch optimaal is, iets dat reeds langer werd aangenomen, maar nooit rigoreus bewezen was. Bij de laatste twee problemen, die verband houden met het opslaan van video data op een harde schijf, analyseren we hoe deze data zodanig kan worden opgeslagen dat die er nadien efficient van kan worden teruggelezen. In het ene probleem beschouwen we een bestaand planningsalgoritme om pakketten van verschillende videostromen naar een harde schijf te schrijven en passen dit aan om ervoor te zorgen dat het teruglezen van de stroom met bijvoorbeeld een andere pakketgrootte mogelijk wordt zonder daarbij de schijf onnodig te belasten. In het andere probleem analyseren we hoe we effectief gebruik kunnen maken van het gegeven dat data aan de buitenkant van de schijf sneller gelezen kan worden dan aan de binnenkant. We bewijzen dat het probleem van het zo efficient mogelijk opslaan van een gegeven aantal video files NPlastig is en presenteren een eenvoudige heuristiek die, hoewel voor bijzondere instanties een bewijsbaar slechte prestatie levert, in de praktijk in het algemeen goede prestaties levert. Hierbij maken we met name gebruik van het verschil in populariteit van de verschillende films

Ontwerp en evaluatie van content distributie netwerken voor multimediale streaming diensten.

Traditionele Internetgebaseerde diensten voor het verspreiden van bestanden, zoals Web browsen en het versturen van e-mails, worden aangeboden via één centrale server. Meer recente netwerkdiensten zoals interactieve digitale televisie of video-op-aanvraag vereisen echter hoge kwaliteitsgaranties (QoS), zoals een lage en constante netwerkvertraging, en verbruiken een aanzienlijke hoeveelheid bandbreedte op het netwerk. Architecturen met één centrale server kunnen deze garanties moeilijk bieden en voldoen daarom niet meer aan de hoge eisen van de volgende generatie multimediatoepassingen. In dit onderzoek worden daarom nieuwe netwerkarchitecturen bestudeerd, die een dergelijke dienstkwaliteit kunnen ondersteunen. Zowel peer-to-peer mechanismes, zoals bij het uitwisselen van muziekbestanden tussen eindgebruikers, als servergebaseerde oplossingen, zoals gedistribueerde caches en content distributie netwerken (CDN's), komen aan bod. Afhankelijk van de bestudeerde dienst en de gebruikte netwerktechnologieën en -architectuur, worden gecentraliseerde algoritmen voor netwerkontwerp voorgesteld. Deze algoritmen optimaliseren de plaatsing van de servers of netwerkcaches en bepalen de nodige capaciteit van de servers en netwerklinks. De dynamische plaatsing van de aangeboden bestanden in de verschillende netwerkelementen wordt aangepast aan de heersende staat van het netwerk en aan de variërende aanvraagpatronen van de eindgebruikers. Serverselectie, herroutering van aanvragen en het verspreiden van de belasting over het hele netwerk komen hierbij ook aan bod

Data-Driven Methods for Distribution Modeling and Sensing

The electric power industry has set critical renewable energy targets to promote low-emission growth in power supply. However, the integration of variable and uncertain renewable energy sources into the power grid adds complexity to its operations. This complexity is further amplified by the emergence of &ldquo;grid-edge&rdquo; technologies such as home battery storage, electric vehicles, and behind-the-meter renewables like rooftop solar. Collectively referred to as distributed energy resources (DERs), these clean energy technologies emphasize the importance of modernizing grid operations to ensure reliability and quality of power supply, particularly at the grid edge. But with inadequate tools to cope with limited distribution grid visibility, modernizing its operating practices is a challenge. This calls for the development of specialized tools that can operate effectively despite the lack of reliable network models and abundant measured data. This dissertation focuses on the design and study of data-driven algorithms that enable the realization of such tools, thereby contributing to data-driven methods for distribution modeling and sensing. The dissertation is divided into two distinct parts, each targeting a specific challenge related to distribution voltage determination. The first part (Chapter 2 through Chapter 4) considers data-driven approaches for enhancing present and look-ahead situational awareness of distribution gridvoltages to effectively manage the increasing presence of DERs. Previous efforts to improve visibility into distribution system states frequently assume that the system model is fully known. In reality, however, electric distribution utilities usually lack confidence in the accuracy of these models, which limits the practicality of such solutions. In response to this, Part I of the thesis explores alternative methods that do not require knowledge of the network model. Two promising data-driven methods have been identified: machine learning (ML) and matrix completion techniques. The thesis studies both methods, focusing on their applications to model-free voltage estimation under low observability conditions (Chapter 2 and Chapter 3) and model-free voltage prediction with uncertainty estimates (Chapter 4). The second part of the thesis (Chapter 5) shifts its focus from model-free approaches to power flow modeling for high-fidelity calculation of voltage profiles in radial distribution configurations. Motivation lies in increasing the accuracy of voltage solutions over a wider range of operating points while preserving the mathematical simplicity of the linear power flow model. To accomplish this, Part II of the thesis introduces a distribution power flow linearization that combines elements of both the underlying network model and the ML methodology. Gaussian process (GP) regression is chosen as the methodology for its capacity to generate closed-form predictions with quantified uncertainties while requiring minimal data (as also explored in Chapter 4). Within this framework, a new model is proposed and evaluated, which uses a GP-based parameterization to establish a linear relationship between squared voltages and net-load (load minus renewable generation) power injections. This new model is therefore coined as a parameterized linear power flow model.</p