Úvod > Články > DOCSIS a kabelové širokopásmové přípojky

DOCSIS a kabelové širokopásmové přípojky

V době, kdy se začaly zavádět kabelové modemy do kabelových sítích, v 90. letech, byla veškerá technologie firemní. Zakončovací systém (CMTS) a kabelový modem jednoho výrobce nespolupracovaly se systémy jiných výrobců. Vzájemnou spolupráci zajistila až specifikace DOCSIS. Díky ní lze dnes běžně kombinovat nejrůznější typy modemů v kabelových sítích.

DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) je specifikace vyvinutá v CableLabs a konsorciem provozovatelů MCNS (Multimedia Cable Network System) a následně přijatá jako norma SCTE (Society of Cable Telecommunication Engineering). Proto lze dnes běžně kombinovat nejrůznější typy modemů (slučitelných s DOCSIS) v kabelových sítích, které přinášejí zákazníkům širokopásmové datové služby, včetně rychlého přístupu k Internetu. Možnost nezávislého výběru zařízení do sítí je jednou ze dvou výhod otevřené specifikace a certifikace slučitelnosti s ní, tou druhou, neméně významnou, jsou výsledné nižší ceny kabelových zařízení.

DOCSIS v kostce

DOCSIS je důležité pro koncové uživatele jako specifikace pro rozhraní kabelových modemů, zpracovávajících příchozí a odchozí data mezi kabelovou sítí a počítačem nebo TV.

Technicky vzato je DOCSIS překryvný systém sítě kabelové televize, používající kmitočtový multiplex (FDM, Frequency Division Multiplex) pro jeden nebo více dopředných kanálů a jeden nebo více zpětných kanálů. Provoz v dopředném směru (směrem k uživateli) se vysílá na vyšších kmitočtech než kmitočty přidělené pro analogové kanály kabelové televize (50 MHz-1 GHz) a ve zpětném směru (od uživatele do sítě) se používají kmitočty nižší než pro TV kanály (5-45 MHz). Pro dopředný směr se používají kanály s šířkou pásma 6 MHz a kvadraturní amplitudovou modulací 64-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) nebo 256-QAM. Pro zpětný směr se používají kanály s šířkou pásma 0,2, 0,4, 0,8, 1,6 nebo 3,2 MHz a kvadraturní modulace fázovým posuvem QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) nebo 16-QAM. V obou směrech se používá oprava chyb FEC (Forward Error Correction) pro minimalizaci chybovosti.

Data vyslaná dopředně se fyzicky vysílají všem kabelovým modemům (mnohabodová komunikace), které daný kanál přijímají. Každý modem si pak vybere pakety, které jsou určeny pro něj. Během normální činnosti kabelový modem naslouchá pouze jednomu dopřednému kanálu a vysílá na jednom zpětném kanálu. Pro zpětný směr se používá přístup ke kanálu založený na kombinaci FDMA/TDMA (Frequency/Time Division Multiple Access).

Kabelové modemy nemohou komunikovat přímo mezi sebou, protože veškerá komunikace od uživatele jde od kabelového modemu k zakončovacímu zařízení CMTS (Cable Modem Termination System), které typicky obsluhuje 500-2000 kabelových modemů.

Specifikace DOCSIS definuje dvě nejnižší vrstvy architektury, fyzickou a spojovou (viz obrázek). Nad fyzickou vrstvou je podvrstva konvergence, která se používá výhradně pro dopředný směr. Data se zapouzdřují do rámce MPEG-2. Tato podvrstva také podporuje digitální televizní vysílání v síti HFC (Hybrid Fibre Coax) vedle analogových TV signálů.

Obrázek: Architektura DOCSIS

DOCSIS 2.0

Dodnes byly specifikovány tři verze DOCSIS - 1.0 (1997), 1.1 (1999) a 2.0 (2002). Specifikace DOCSIS 1.0 byla v roce 1998 přijata jako oficiální dokument, doporučení, Mezinárodní telekomunikační unií (ITU-T). Zařízení se v CableLabs testují na slučitelnost s DOCSIS: modemy se certifikují (CableLabs Certified Cable Modems) a CMTS kvalifikují.

Kabelové modemy podle DOCSIS se integrují do přídavných zařízení STB (Set-Top Box) pro propojení s TV přijímačem. DOCSIS se proto také musí „srovnat“ se specifikací pro televizi s vysokým rozlišením (HDTV, High Definition TV). STB má svoji specifikaci označenou jako OpenCable.

V současnosti jsou v sítích implementována zařízení především podle první verze DOCSIS, případně verze 1.1. Přechod na vyšší verze specifikace lze u kabelových modemů řešit přeprogramováním jejich paměti EEPROM, případně výměnou karet nebo modulů. Verze 2.0 se zatím opatrně zkouší nasazovat, protože i když by implementace v masovém měřítku neměla být pro provozovatele příliš nákladnou záležitostí, musí být pro ni opravdu dobrý důvod.

Specifikace DOCSIS 2.0ovšem přináší významné zlepšení v zacházení s rušením na zpětném kanálu a výrazné zvýšení kapacity sítě. Pro kvalitnější kanál směrem od uživatele lze použít dvě možné metody přístupu, SCDMA (Synchronous Code-Division Multiple Access) a ATDMA (Advanced Frequency Agile Time-Division Multiple Access), které zvládají různé typy rušení. A-TDMA přiděluje jednotlivým modemům časové úseky pro jejich vysílání, zatímco S-CDMA jako technologie rozprostřeného spektra umožňuje modemům vysílat současně.

Důvodem pro nasazení nové verze je v současnosti tolik prosazovaná podpora VoIP v kabelových sítích, kde právě rušení a chybovost mohou negativně ovlivňovat kvalitní hlasovou komunikací. DOCSIS 2.0 nabízí také vyšší kapacitu na stávající infrastruktuře, zejména ve zpětném směru, až do 10 Mbit/s směrem od uživatele.

DOCSIS 2.0 je tak stále blíže symetrické kapacitě (poměr v šířce pásma vyhrazené pro dopředný směr k uživateli vůči zpětnému směru se snižuje z 20:1 u DOCSIS 1.0 na 3:1), což je především výhodné pro podnikové zákazníky a pro P2P (Peer-to-Peer) služby. Flexibilnější struktura portů je výhodná pro různorodost hustoty uživatelů připojených k různým uzlům. CMTS jsou odolnější vůči výpadkům, takže spolehlivost je garantovaná. Proto lze garantovat i QoS.

VoIP je symetrická služba a symetričnost lze očekávat i u dalších moderních služeb (pro domácí uživatele: hry, videokonference; pro podnikové uživatele: videkonference, telemetrie, zabezpečení). Jedná se o služby s vysokou hodnotou pro zákazníky (ale i s vysokými příjmy pro provozovatele), takže ti očekávají vysokou spolehlivost a dostupnost služby. Běžné systémy CMTS, pokud nepodporují symetrické služby, budou omezovat využití těchto služeb, protože budou úzkým místem celé sítě.

Využití DOCSIS 2.0:

podnikoví uživatelé: T1 přes DOCSIS, služby typu CIR (Constant Information Rate), VoIP, širokopásmové služby;
domácí uživatelé: aplikace vyžadující značnou kapacitu v obou směrech, PacketCable Multimedia (viz článek Hlas po kabelu: mýty a realita).

Možnosti nasazení DOCSIS 2.0

Nasazení DOCSIS 2.0 je globálně zatím v kabelových sítích minimální, zatím spíše v testovacím provozu. Ne všichni provozovatelé už využívají výhody modulace DOCSIS 1.1, tj. 16-QAM a 3,2 MHz pro zpětný kanál. Někde se ještě používají i prapůvodní (non-DOCSIS) modemy, což samozřejmě představuje značný problém. Jinak náklady na přechod na 2.0 nejsou významné.

DOCSIS 2.0 lze implementovat ve smíšeném režimu pro koexistenci s využitím logického kanálu (SCDMA/ATDMA). Kanály 3,2 MHz mohou používat smíšený režim: DOCSIS 1.x a TDMA/SCDMA, s vyrovnáváním zátěže.

Informace o certifikovaných a klasifikovaných zařízeních podle specifikace DOCSIS (případně PacketCable nebo CableHome) lze získat na stránkách CableLabs). Pro DOCSIS 2.0 byla zatím kvalifikovaná tři zařízení CMTS od společností Arris a Terayon.

Migrace není samozřejmě bez problémů. Jednak provozovatelé musí počítat se záležitostmi vzájemné spolupráce zařízení. Musí také mít prostředky pro dynamickou optimalizaci kanálu. Zatím ovšem chybí prostředky pro dynamickou konfiguraci kanálu založenou na skutečné směsi modemů, typu provozu a typu rušení.

Důvodem, proč zatím není DOCSIS 2.0 ve větší míře zaváděn do kabelových sítí, mohou být právě nejasnosti kolem jeho skutečných přínosů a aktuálnosti v dnešní době. Někteří provozovatelé totiž možná budou raději čekat až na specifikaci DOCSIS 3.0, na níž se zatím v CableLabs pracuje (všechny požadavky na novou specifikaci budou jasné teprve konce tohoto roku). Zatím nejsou známy všechny parametry nové specifikace: zajímavá je samozřejmě pravděpodobná propustnost asi 100 Mbit/s na uživatele. Na první produkty bude ovšem třeba nejméně 1,5-2 roky čekat.

Pokud se provozovatelé rozhodnout na nic nečekat a nasadit v kabelových sítích moderní verzi DOCSIS 2.0, pak největší výhodou bude lepší reakce na šum a zrychlení kanálu směrem od uživatele. Tím se umožní mnohem lepší podpora moderních širokopásmových služeb, které vyžadují určité garance nejen kapacity, ale i spolehlivosti sítě. I když tedy není zatím nutný přechod na vyšší generaci DOCSIS, lze ji nasazovat postupně a kombinovat se stávajícím vybavením, instalovaným v sítích.