DOCSIS, definerer grensesnittet mellom termineringsenhet (CMTS) og modem (CM, ofte kalt kabelmodem) som brukes til dataoverføring over kabel-TV-systemer for å kunne tilby f.eks. bredbånds Internett-tilgang.

Utvikling av DOCSIS-standardene startet som et initiativ fra de amerikanske kabel-TV-operatørenes bransjeorganisasjon CableLabs på midten av 1990-tallet. Utgangspunkt var da det amerikanske TV-distribusjonssystemets 6 MHz kanalavstand. Allerede fra DOCSIS 1.0 ble europeiske (8 MHz) og asiatiske (6 MHz) varianter tatt inn som tillegg i DOCSIS-standardene.

Tidligere systemer for kabel-TV hadde kringkastingsstruktur (en-til-mange) med signaloverføring kun i retning fra tjenesteleverandør ut til kunden. Forsterkere underveis i nettet var derfor av enveis type. Nettstrukturen var av serietypen, dvs. at en koaksialkabel var strukket gjennom flere boenheter der man monterte på antennekontakter. Tjenestene var kun analog TV- og radiodistribusjon. Fra starten av var tilgjengelig båndbredde begrenset, for eksempel var 300 MHz lenge vanlig, mens nyere konsesjoner utover 1990-tallet krevde at nettene skulle kunne overføre signal over stadig bredere frekvensbånd.

På 1990-tallet var mange ulike prosjekter og arbeidsgrupper i gang med utvikling av nye digitale tjenester, og mye av det de utviklet ble brukt som innspill til arbeidet med DOCSIS.

Med utviklingen av digital-TV (DVB) og MPEG-2-koding så man fort at analog distribusjon var en storforbruker av båndbredde mens modulasjon av digitale signaler på samme frekvensplassen som analoge bærefrekvenser benyttet kunne øke kapasiteten mange ganger. Fra starten av kunne man modulere en nyttekapasitet på 38 Mbit/s på plassen til hver analoge kanal (med 64 QAM) og denne kunne for eksempel utnyttes til distribusjon av 6 – 7 parallelle MPEG-2-komprimerte TV-kanaler i digitalt format. DVB ble først utviklet for distribusjon via satellitter og samme teknikker ble brukt for kabel-TV-nettene som ofte var en forlengelse av satellittdistribusjonen. Senere, på slutten av 90 tallet ble nettkvaliteten såpass bra at man på plassen til en analog TV kanal kunne overføre netto 51 Mbit/s (256 QAM).

Denne utviklingen åpnet også for å distribuere andre digitale tjenester på samme måte, dvs. å multiplekse flere digitale signaler inn på plassen til hver analoge kanal. Til å begynne med var slike systemer proprietære (ikke-standardiserte) og DOCSIS startet som et initiativ til å få laget omforente standarder som ga mulighet for blanding av utstyr og systemer fra flere leverandører.

Før introduksjonen av bredbånds datatilknytning over kabel-TV-nett ble nettstrukturen i kabel-TV-nettene endret fra serie- til stjernestruktur, dvs. at hver abonnent fikk en dedikert kabel inn i boenheten i stedet for en gjennomgående "felleskabel". Dette ble gjort av hensyn til sårbarheten med de eldre serienettene der kabelen gikk gjennom flere leiligheter. Dette gjorde samtidige nettene bedre egnet for fremtidige tjenester. I dag er dette ett av kravene i Ekomforskriftenstrukturen. Samtidig måtte kabel-TV-nettene gjøre returdyktige for å tillate toveis kommunikasjon, noe som bl.a. medførte at alle forsterkere måtte byttes/oppgraderes.

Med bruk av DOCSIS kan netteierne utnytte den koaksialkabelinfrastrukturen som allerede ligger inn i mange boliger til mange typer teletjenester, slik at man unngår de høye kostnadene med å trekke nye kabler inn til hver abonnent. Incitamentet her er det samme som for DSL-teknologiene; et ønske om å utnytte allerede eksisterende aksessnettinfrastruktur i stedet for trekke nye kabler. På den tiden var kravene til bredbåndsaksesser fortsatt moderate og få hjemmebrukere så behov for fiberkabler for å dekke dette.

I følge Nkoms markedsrapport for 2015 var det ved siste årsskifte om lag 630 000 bredbåndsaksesser over kabel-TV-nett i Norge, så DOCSIS er et konsept som må sies å være en suksess til tross for spådommer om at fiberkabler måtte til for å dekke disse behovene.

I de nettene som en gang ble bygget for å tilby enveis distribusjon av analoge radio- og TV-kanaler kan man ved bruk av DOCSIS i dag tilby et bredt spekter av toveis tjenester som TV-distribusjon i analogt og digitalt format (DVB), samt en rekke IP-baserte tjenester som videokonferanser, generell bredbåndsaksess, IP-telefoni / bredbåndstelefoni og IPTV. Bredbåndsaksessene har utviklet seg etter behovet i markedet og har vært drivende for DOCSIS-utviklingen med stadig høyere bitrater (båndbredder) ut til abonnentene. I 2016 leverer begge de to største kabel-TV-operatørene i Norge et bredt spekter av bredbåndsaksesser opp til 500 Mbit/s nedstrøms basert på DOCSIS 3.0, mens DOCSIS 3.1 allerede neste år  skal kunne tilby hele 10 Gbit/s nedstrøms. Dette tilsier at de færreste av oss vil ha behov for å bytte ut koaksialkablene med nye fiberkabler for å få tilfredsstillende kapasitet på bredbåndsaksessene.

For å kunne dekke brukernes behov jobber alle HFC-netteierne med segmentering av nettene, dvs. å dele inn nettene i stadig mindre segmenter med færre brukere, i hvert segment, for å kunne dekke behovet for kapasitet til hver bruker.

---

Standarden for f.eks. Telenor/Canal Digital kabel og Multinett er i dag 2 x 150 tilknytninger (HC, Homes Connected) per nodeområde. Ved overgang til Docsis 3.1 planlegger man rene 150 HC-noder. Ved ytterligere kapasitetsbehov er segmentering ned til 64 HC også aktuelt

---

DOCSIS har vært gjennom flere oppdateringer siden starten, med stadig bedre kodeteknikker, modulasjonsteknikker, nye tjenestetyper, bedre kvalitet og høyere kapasitet. Frem til versjon 3.0 var DOCSIS basert på den tradisjonelle kanalstrukturen for kabel-TV-nett (6 MHz for Nordamerika og 8 MHz for Europa) for oppstrøms og nedstrøms dataoverføring. Fra og med versjon 3.1 (5. generasjon) har man gått bort fra denne rigide kanalstrukturen og håndterer nå hele kabelens frekvensbånd i store frekvensblokker, og det gjør en europeisk variant overflødig. Det er fortsatt definerte frekvensbånd som brukes for nedstrøms og oppstrøms transmisjon i det europeiske frekvensspekteret fra 5 til 862 MHz, men bredden på de ulike frekvensblokkene er fleksible og kan bedre tilpasses behovet for ulike tjenester.

Et viktig prinsipp er at de nye DOCSIS-variantene skal være bakoverkompatible, dvs. at nye systemer skal kunne brukes i samme kabel-TV-nett som forrige versjon systemer.

Systemer basert på DOCSIS 3.1 kan bruke hele kabelsystemets frekvensområde på 862 MHz til overføring av digitale signaler, og analoge TV-kanaler blir det etterhvert slutt på.

For å ivareta kapasitetsbehovet leveres nå DOCSIS alltid over HFC-nett (hybrid fibre/coax) hvor grensesnittet mellom fiber- og koaksnett flyttes stadig nærmere abonnentene slik at færre abonnenter deler på samlet kapasitet i den stadig kortere koakskabeldelen.

DOCSIS benytter i dag en lang rekke ulike teknikker for ting som kompresjon, multipleksing, modulasjon, kvalitetssikring, osv. og dette er beskrevet i en omfattende mengde standarder og andre dokumenter fra mange aktører. Her følger en kort forklaring på noen av de tekniske løsningene som bruker.

Utgangspunktet for DOCSIS var bruk av kanalplassen fra analog TV-distribusjon og modulasjonsteknikker (fellesnevneren i dag er 256 QAM – Qadrature Amplitude Modulation som gir netto 51 Mbit/s) laget bl.a. for DVB-konseptet for digital-TV over satellitt og kabel-TV-nett, der kapasitet for det digitale nyttesignalet blir brukt enten for digital-TV eller ulike former for bredbåndsaksess. Siden Digital-TV var basert på kringkastingsstruktur (en-til-mange) måtte DOCSIS også ha tilgjengelig returkanal fra hver bruker inn til operatørens sentral (CMTS).

Prinsippet brukt i DOCSIS er at man har et antall definerte frekvensbånd med bredde 8 MHz (Europa) som opprinnelig var laget for bruk til distribusjon av TV-kanaler over bakke-, satellitt- eller koakskabelnett. For å kunne etablere digital transmisjon av bredbåndsaksesser velger man ut et antall av disse 8 MHz kanalene der man i stedet for analogt TV-signal modulerer bærebølgen med det digitale nyttesignalet med bruk av Quadrature Amplitude Modulation (QAM).

Modulering/demodulering skjer i Cable Modem Termination System (CMTS) i leverandørens hovednode og Cable Modem (CM) hos kunden, over et såkalt Hybrid Fiber/Coax-nett (HFC). Gjennom utviklingen fra starten på 1990-tallet og frem til i dag har man tatt i bruk stadig mer effektive varianter av modulasjonsteknikkene.

Med DOCSIS 3.1 har man tatt i bruk et helt nytt konsept for bruk av frekvensbåndene. Man bruker nå frekvensblokker på 24 - 192 MHz nedstrøms. På disse modulerer man et stort antall smale sub-bærebølger på 25 eller 50 kHz ved bruk av frekvensmultipleksing (OFDM, Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). Hver av sub-bærebølgende moduleres med opptil 4096 QAM som gir en 50 % kapasitetsøkning i forhold til dagens 256 QAM. Denne høye modulasjonsraten er  mulig fordi de smale sub-bærebølgene er lite følsomme for støy  f.eks. i form av ekko samtidig som feilkorreksjonssystemet (LDPC, low-density parity-check) er svært effektivt. I tillegg er systemet adaptivt; dvs. at hvis støyen øker vil modulasjonsraten automatisk gå ned f.eks. fra 4096 QAM til 1024 QAM og fortsatt kunne overføre ganske stor kapasitet. Hvis støyen reduseres økes modulasjonsraten igjen automatisk. Dette gjelder både opp- og nestrøms transmisjon.

Samtidig har man introdusert annen funksjonalitet som tjenestekvalitet (QoS, Quality of Service) for å sikre tilstrekkelig kvalitet med tanke på for eksempel forsinkelser og kapasitet som er viktig for sanntidskommunikasjon som IP-basert telefoni og videokonferanser Feilkorreksjonskoder (FEC, Forward Error Correction) og sikring av kommunikasjonen (kryptering) har også blitt en del av DOCSIS-standardene.

DVB som altså er ett av utgangspunktene for DOCSIS var til fra starten laget for distribusjon gjennom enten satellitt- eller kabel-TV-nett. Et kabel-TV-nett var i utgangspunktet basert på koaksialkabler hele veien fra CMTS til CM, men etter hvert som behovet for økt kapasitet og nye tjenester utviklet seg ble det etablert et nytt konsept kalt Hybrid Fibre/Coax (HFC) der det brukes fiberkabler frem til en abonnentnode og det eksisterende koaksialkabelnettet derfra inn til kundene. Siden alle moderne kabel-TV-nett i dag er at HFC-typen er det dette vi omtaler videre her, men alle DOCSIS-standardene kan også brukes på mindre, rene koakskabelnett.

Ett av hovedmålene med DOCSIS var å utvikle systemer basert på åpne, internasjonale standarder.

Flere standardiseringsorganisasjoner har være med på utviklingen av DOCSIS og EuroDOCSIS, og ulike initiativer og løsninger har blitt spilt frem og tilbake mellom disse. Alle CableLabs-, ITU-T- og ETSI-standarder kan lastes ned gratis fra organisasjonenes nettsteder for den som ønsker detaljert teknisk informasjon.

Det er svært mange dokumenter som omhandler de ulike variantene av DOCSIS og mange av disse har kryssreferanser til hverandre. Et utgangspunkt for de som vil lese mer om dette kan være listene gjengitt nedenfor.

Den amerikanske non-profit bransjeorganisasjonen CableLabs startet DOCSIS-arbeidet og har standardisert de ulike variantene av DOCSIS (1.0, 1.1, 2.0, 3.0 og 3.1). Disse er i utgangspunktet laget for amerikanske kabel-TV-nett med sin 6 MHz kanalstruktur men har også definert europeiske og asiatiske varianter pga ulikheter mellom kanalkonsepter i disse regionene. Aktuelle dokumenter for videre lesing er:

  • CM-SP-PHYv3.0-I12-150305: DOCSIS 3.0;

  • CM-SP-PHYv3.1-I09-160602: DOCSIS 3.1;

som kan lastes ned fra CableLabs.

De ulike standardene fra CableLabs har blitt spilt inn til ITU-T og adoptert som formelle globale standarder, fortsatt med ulike tillegg (Annexes) for regionale varianter. Disse standardene er definert i J-serien med Recommendation fra ITU-T. Aktuelle dokumenter for de som vil lese mer er:

  • ITU-T Rec. J.83: Generelt om kabel-TV-distribusjon;

  • ITU-T Rec. J.112: Transmisjon for interaktive kabel-TV-tjenester;

  • ITU-T Rec. J.122: 2. generasjon IP kabelmodem (ref til DOCSIS 2.0);

  • ITU-T Rec. J.222-serien: 3. generasjon IP kabelmodemer (ref. til DOCSIS 3.0);

som kan lastes ned fra ITU-T.

European Telecommunications Standards Institute (ETSI) har laget formelle europeiske telekommunikasjonsstandarder for DOCSIS som del av det europeiske DVB-konseptet og som nå i dagligtale kalles EuroDOCSIS (DVB var et eget prosjekt fra starten men blir nå videreført i regi av ETSI). ETSI lager ETSI Technical Standards (ETS) som ofte får status som European Norm (EN). ETSI har også gitt regionale innspill som har blitt del av ITU-T-standardene. Aktuelle dokumenter for videre lesing her er:

  • EN 300 421: DVB for satellittdistribusjon

  • EN 300 429 og ETS 300 800: DVB for kabel-TV-systemer

  • EN 302 878-serien: DOCSIS 3.0

som kan lastes ned fra ETSI.

De første generasjonene av DOCSIS (1.0 og 1.1) hadde som mål å standardisere datakommunikasjon over kabel-TV-nett som erstatning for ulike proprietære (ikke-standardiserte) løsninger som da var i bruk. Dette var et klart ønske fra amerikanske kabel-TV-operatører som ønsket å fritt kunne velge utstyr fra ulike leverandører og samtidig vite at de kunne brukes sammen. Her ble grunnlaget for en enkel DOCSIS lagt og det ble definert en egen EuroDOCSIS basert på det europeiske kanalkonseptet brukt i PAL og SECAM med sine 8 MHz kanaler og bruk av frekvensbåndet opp til 862 MHz.

Det digitale signalet ble modulert på bærefrekvensene med QAM-modulasjon, hver 8 MHz bærebølge kunne transportere en nyttebitrate på inntil 38 Mbit/s ved bruk av 64-QAM

Versjon 2.0 bygger på 1.0 og endringene handlet først og fremst om at frekvensbåndet for oppstrøms transmisjon ble øket som følge av behov for stadig mer symmetriske bredbåndstjenester. Bedre modulasjonsteknikker muliggjør høyere spektraleffektivitet (bit/Hz) og dermed økt overføringskapasitet gjennom HFC-nettet. Bruk av modulasjonsteknikken 256-QAM (51 Mbit/s) ble introdusert her. Oppstrøms ble 3,2- og 6,4 MHz-signaler med modulasjonen 16-QAM benyttet. Hvert av disse leverte mellom 8,5- og 17 Mbit/s netto fra modemene. Det ble også lagt til rette for IP-kommunikasjon ende-til-ende, basert på IP v4, som grunnlag for eksisterende og nye tjenester.

Her begynte man å omtale HFC-nettet som et bredbånds aksessnett i stedet for som tidligere en variant av et tradisjonelt kabel-TV-nett, og det generelle navnet på utstyret er nå ”IP Cable Modems”.

I denne versjonen ble det åpnet for en sammenkjeding av flere kanaler (channel bonding) for å kunne tilby minimum opptil 100 Mbit/s bitrater til kundene. Standarden her var tidligere sammenkjeding av 8 kanaler (408 Mbit/s) nedstrøms og 4 kanaler (107 Mbit/s) oppstrøms. Dagens systemer bruker 16 kanaler nedstrøms, noe som gir en overføringskapasitet på 816 Mbit/s om kan tilbys hvert enkelt modem. Dette vil kunne økes til 24 eller 32 kanaler ved behov.

DOCSI 3.0 er i bruk i flere HFC-nett i Norge i dag og begge de to største tjenesteleverandørene (Get og Canal Digital) tilbyr bredbåndsaksesser på opptil 500 Mbit/s nedstrøms, basert på denne standarden.

Her ble også støtte for IP v6 introdusert som alternativ til IP v4 med hvert sitt nettverkslag i protokollmodellen.

DOCSIS 3.1

Dette er 5. generasjon av DOCSIS-standarden og ble frigitt i 2013 mens utbygging av kabel-TV-nett basert på denne versjonen startet i 2015. I Norge forventes slike systemer å være i bruk fra 2017.

Til forskjell fra versjon 3.0 er det nå to viktige endringer; den tradisjonelle 6 eller 8 MHz analoge kanalstrukturen er borte, man overfører ikke lenger TV på analogt format, og man bruker bedre modulasjonsteknikker med opptil 4096-QAM som gir bedre spektraleffektivitet og høyere bitrater til abonnentene. Som erstatning for den tidligere kanalstrukturen har man nå definert et ett av ulike frekvensblokker på 24 til 192 kHz (nedstrøms) og 6,4 til 96 MHz (oppstrøms). For å ivareta behovet for transmisjon av ulike bitstrømmer bruker man nå underkanaler (subcarriers) og Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Dette gir en helt ny og fleksibel struktur tilpasset behovet for mange ulike tjenester.

I DOCSIS-standarden er nå båndbredden for bruk utvidet til 1218 MHz med mulighet for opptil 1794 MHz. Standarden for oppstrøms transmisjon er nå 5 - 204 MHz som gir en formidabel kapasitetsøkning fra dagens 5 - 65 MHz. Alle de store leverandørene av HFC-systemer tilbyr nå utstyr basert på denne standarden.

Over DOCSIS 3.1 skal det kunne tilbys bredbåndsaksesser på opptil 10 Gbit/s nedstrøms og 1 - 2 Gbit/s oppstrøms.

CableLabs jobber allerede med en neste generasjon DOCSIS med full dupleks transmisjon der man vil utnytte hele frekvensbåndet til både oppstrøms- og nedstrøms transmisjon samtidig og dermed øke transmisjonskapasiteten vesentlig, ikke minst for symmetriske bredbåndsaksesser.

Norske HFC-netteiere og tjenesteleverandører er nå i gang med planlegging av overgang fra DOCSIS 3.0 til DOCSIS 3.1. Samtidig fortsetter den pågående segmenteringen av HFC-nettene for å få stadig færre brukere i hvert segment som må dele på kapasiteten.

Se også artikkel om kabelmodem-IT.

 

 

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål til artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.