Vývoj standardů pro kabelové modemy
Autor: J. Hájek <hajekj3(at)fel.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: CATV a IPTV, Vydáno dne: 04. 12. 2005Cable modems standards
Abstract
Cable modem is one of equipment design to connect computer to cable network, which primary implementation is to distribute television signal (CATV). As the times change new standards are being developed, which has found theirs apply in different parts of the world and in different applications.Kabelové modemy pracují na první a druhé vrstvě modelu RM/OSI, nad kterou pak fungují protokoly IP, TCP, UDP atd. Většina kabelových modemů jsou externí zařízení, ale existují již kabelové modemy ve formě PCI karet a softwarových emulací. Jednou z hlavních otázek u kabelových modemů je otázka standardizace. Do poloviny devadesátých let nedokázaly příslušné orgány (v tomto případě ITU-T a jím určená pracovní skupina) dostatečně rychle reagovat na rozvíjející se požadavky trhu a sdružení podnikatelů předběhlo tvorbu oficiálních norem a vypracovalo průmyslový standard DOCSIS a EuroDOCSIS.
Funkce kabelových modemů
Kabelové modemy používají několik typů modulací, nejpoužívanější je však QAM (kvadraturní amplitudová modulace) a QPSK (kvadraturní klíčování fázovým posuvem). QPSK modulace je ve své podstatě více odolná proti vnějším rušením, která se objevují na přenosové trase. Ze zkušenosti plyne, že nejvíce se uplatňuje rušení vzniklé blízko modemu, protože tato rušení se špatně kompenzují. Vysílací frekvence kabelových modemů je možno nastavit v krocích po 250 kHz v rozmezí 5 MHz až 42 MHz (zpětný kanál, tzv. upstream) a přijímací frekvence v rozsahu 54 MHz až 750 MHz (dopředný kanál, tzv. downstream) v krocích po 250 kHz. Šířka přenosového kanálu v dopředném směru je 6 MHz, tedy stejně jako je šířka jednoho TV kanálu. Viz též článek Využití systému CATV pro přenos dat .
Připojení k počítači je obvykle realizováno přesstandardní rozhraní Ethernet . Množství dat, které je možno v 6 MHz kanálu přenést, závisí na použitém druhu modulace. Přesné hodnoty jsou různé a nejsou snadno přepočitatelné mezi modulační rychlostí, počtem stavů a přenosovou rychlostí. Ve vícestavových modulacích se obvykle uplatňují redundance (konvoluční kódování, dopředná oprava chyb - FEC). Záleží na efektivitě využití rámců, na velikosti záhlaví, které se k užitečným datům připojují. Upstream provoz, který se musí spokojit s úzkým pásmem 5-42 MHz, bývá extrémně zarušen ( vinou elektromagnetického rušení od bezdrátových uživatelů těchto frekvencí). Proto se používají modulační schémata s vyšší odolností proti rušení (a tedy menší dosažitelnou rychlostí), nejčastěji QPSK, případně 16-QAM.
Přenosová rychlost, která je k dispozici koncovým uživatelům, může být od 0,5 do 10 Mbit/s, v praxi je ovšem podstatně nižší. Jelikož síť (nebo jen její segment) má stromovou strukturu a přenosové médium je sdílené všemi aktivními uživateli pomocí časového multiplexu musí se o celkovou přenosovou rychlost podělit více uživatelů., Reálnou průchodnost zpětného kanálu snižuje fakt, že tento směr je kolizní, i když použitím vhodného MAC protokolu lze kolize omezit na minimum. Dalším způsobem, jak problém s kolizemi eliminovat je, že operátor přidělí pro přenos další 6MHz kanál nebo sníží počet uživatelů v segmentu.
Modemy se vyrábějí se symetrickými rychlostmi (stejné rychlosti v obou směrech přenosu) i nesymetrickými rychlostmi. Modemy se symetrickými rychlostmi se používají k přístupu a k vzájemnému propojování sítí LAN. Modemy s nesymetrickými rychlostmi se používají pouze pro distribuci dat.
Doporučení pro kabelové modemy
V rámci Mezinárodní telekomunikační unie (ITU) vznikla v roce 1994 skupina s názvem „802.14 Cable TV Media Access Control and Physical Protocol Working Group“, jež měla do konce roku 1995 vypracovat příslušný standard. Princip měl být založen na ATM technologii s pevnou délkou paketů a se zaručenou kvalitou přenosu (QoS - Quality of Service), který by vyhovoval pro přenos multimediálních dat. Přijetí standardu se stále oddalovalo, až v roce 1998 ITU schválilo doporuční ITU-T J.112, které však prakticky znamenalo pouze vylepšení již existujícího průmyslového standardu DOCSIS. Následovalo vylepšené doporučení ITU-T J.122, které se však opět opíralo o průmyslový standard DOCSIS, tentokrát vyšší verze.
MCNS DOCSIS
Tento průmyslový standard vyvinuly americké kabelové společnosti, které chtěly přes rozvody kabelových televizí začít poskytovat připojení k Internetu. V lednu 1996 se provozovatelé CATV sdružili pod názvem Multimedia Cable Network Systems Partners (MCNS), aby vytvořili neoficiální průmyslový standard. Cílem tohoto standardu bylo rychle získat jednoduché a levné řešení pro připojení k Internetu přes sítě CATV. Tento průmyslový standard dostal název Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS) verze 1.0 a byl k dispozici v dubnu 1997. Nevýhodou, vzniklou rychlým vývojem tohoto standardu je, že nejsou implementovány funkce pro zajištění QoS. Ty jsou ale nezbytné, pokud chce provozovatel poskytovat další typy služeb jako např. video na přání, IP-telefonii aj. S novými verzemi doporučení byly implementovány další funkce, které již QoS zajišťují.
DOCSIS 1.0 – dopředný kanál má šířku 6 MHz, což odpovídá jednomu televiznímu kanálu, a poskytovatel jej může „umístit“ kamkoliv do frekvenčního rozsahu 91 až 857 MHz. Někdy se uvádí odlišné hodnoty ,zejména u horní frekvence pásma.Zde záleží na parametrech sítě a použitých zařízení. Je zřejmé, že maximální přenosová rychlost dopředného kanálu závisí na šířce pásma a typu použité modulace. Nejvíce používané varianty jsou 64-QAM s maximální rychlostí 27,9 Mbit/s nebo 256-QAM s rychlostí 39,4 Mbit/s.
Zpětný kanál leží v rozsahu frekvencí 5 až 42 MHz a pro jeho sdílení je použito časového multiplexu (TDMA – Time division multiple acess), přičemž použitá šířka pásma může být 200, 400, 800, 1600 nebo 3200 kHz. Používají se modulace QPSK nebo 16-QAM; existuje tak 10 možných kombinací přenosových rychlostí ve zpětném kanálu. Při použití modulace QPSK a šířce pásma 3,2 MHz činí přenosová rychlost 5,12 Mbit/s.,Modulace QPSK se používá častěji, neboť je odolnější proti rušení. Právě zpětný kanál je na vnější rušení citlivý, což je dáno jeho frekvenčním rozsahem.
DOCSIS 1.1 – vylepšená verze standardu DOCSIS 1.0 se týká především kvality služeb a vylepšení vlastností zpětného kanálu. Standard DOCSIS 1.1 je schopný spolupracovat v obou směrech se standardem DOCSIS 1.0, je zvětšená bezpečnost přenosu dat a možnost managementu sítě. DOCSIS 1.1 má na rozdíl od standardu DOCSIS 1.0 možnost různých profilů QoS v rámci jednoho modemu a je možné zavádět multimediální služby a VoIP. Zpětný kanál má podobné vlastnosti jako předchozí standard (pásmo 5 až 42 MHz, sdílení pomocí TDMA), ale použitá šířka pásma může být až 6400 kHz. Opět se používají modulace QPSK a 16-QAM a maximální přenosová rychlost činní 10,24 Mbit/s. Následující obrázek ukazuje vztah mezi doporučením DOCSIS a RM OSI modelem.
Obr. 1 Protokolový sloupec DOCSIS v porovnání s vrstvami RM-OSI
DOCSIS 2.0 – tento standard je opět plně kompatibilní s předchozími verzemi a po certifikaci v lednu 2003 dostal označení Q1 2002/Q4 2003. Má především vylepšen zpětný kanál, který je díky přístupovým metodám A-TDMA (Advanced TDMA) a S-CDMA (Synchronous CDMA) vhodný pro multimediální aplikace. DOCSIS 2.0 s přístupovou metodou A-TDMA používá ve zpětném kanálu pásma široká 200, 400, 800, 1600, 3200, 6400 kHz a použité modulace jsou QPSK, 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM. DOCSIS 2.0 s přístupovou metodou S-CDMA používá ve zpětném kanálu pásma široká 1600, 3200, 6400 kHz a použité modulace jsou QPSK, 8-QAM TCM, 8-QAM, 16-QAM TCM, 16-QAM, 32-QAM TCM, 32-QAM, 64-QAM TCM, 64-QAM, 128-QAM TCM (Trelis code modulation). Podle použité šířky pásma a typu modulace pak existuje 30 možných kombinací přenosových rychlostí. Maximální rychlost v upstream kanálu lze dosáhnout 30,72 Mbit/s.
Další vývoj – v současné době se v rámci CableLabs pracuje na dalších verzích, z nichž ta nejbližší má pracovní označení DOCSIS 2.x. Tento standard by měl přinést ještě lepší podporu multimediálních IP služeb (VoIP a IP video) a dalších neinternetových aplikací, jako je například online video gaming, home power management a digital audio. CableLabs již oslovily jednotlivé výrobce, aby poskytli informace o současných i plánovaných vylepšeních svých řešení. Právě nyní se finalizuje rámcová podoba DOCSIS 2.x, která by ještě do konce roku 2005 měla dostat podobu standardu. Přechod na novou verzi 2.x je plánován evoluční cestou (upgrade software/firmware), takže nebude vyžadovat výměnu stávajících CMTS a kabelových modemů.
Je možné, že se řada doporučení označovaná jako DOCSIS 2.x přeskočí, jelikož se již nějaký čas hovoří o budoucí verzi DOCSIS 3.0, která bude naopak založena na zcela nových čipových sadách a bude s ní tedy spojena nutnost výměny aktivních prvků CATV sítě. Výsledkem bude výrazné navýšení přenosových rychlostí, a to opět zvláště ve zpětném kanálu. Pro uživatele tak bude dostupný tok až 200 Mbit/s v přímém směru a 100 Mbit/s ve zpětném směru. Zatím není zcela jasno v tom, jak bude vyšších rychlostí dosaženo, ale horkým kandidátem jsou ultrawideband technologie, což je zjednodušeně řečeno spojování přenosových kanálů do jednoho širokého přenosového pásma. Časový harmonogram přechodu na DOCSIS 3.0 je zatím nejasný a bude se odvíjet především od reálného zájmu ze strany poskytovatelů služeb. Následující tabulka uvádí krátký přehled a srovnání jednotlivých verzí standardů DOCSIS. Jsou zde uvedeny přenosové rychlosti v přímém i zpětném směru, služby a zařízení, která jsou podporovány jednotlivými standardy.
Tab. 1 Porovnání verzí standardu DOCSIS
EuroDOCSIS
European Cable Modem Consortium vzniklo koncem roku 1998. Toto sdružení pro evropské kabelové modemy si jako budoucí standard zvolilo doporučení ITU J.112 a standard dostal přívětivější název EuroDOCSIS. EuroDOCSIS vychází ve svém principu z ITU J.112 , takže je velmi blízkým příbuzným amerického MCNS DOCSIS, i když má v některých charakteristikách (např. maximální přenosová rychlost) poněkud lepší parametry. EuroDOCSIS má kromě verze 1.0 také novější, vylepšenou verzi 1.1 s podporou QoS.
EuroDOCSIS 1.0 – dopředný kanál je realizován na frekvencích 96-864 MHz a má oproti standardu MCNS DOCSIS 1.0 frekvenční rozsah jednoho kanálu zvětšen na 8 MHz. To vše se velmi pozitivně, jak bylo již výše uvedeno, odráží na maximální přenosové rychlosti. Např. při použité modulaci 64-QAM je maximální přenosová rychlostí 42 Mbit/s a při modulaci 256-QAM je maximální přenosová rychlostí 56 Mbit/s. Zpětný kanál má podle tohoto doporučení zvětšený frekvenční rozsah, který zde činí 5 až 65 MHz. Díky tomu lze zpětný kanál „posadit“ na vyšší frekvence. Z výše uvedeného je patrno, že EuroDOCSIS nabízí lepší parametry než MCNS DOCSIS.
EuroDOCSIS 1.1 – verze standardu EuroDOCSIS, která má již implementovánu kvalitu služeb (QoS – Quality of Service). Ve standardu EuroDOCSIS 1.1 jsou zaváděny multimediální aplikace a IP telefonie (VoIP). Verze 1.1. používá stejně jako verze předchozí modulace 16-QAM a QPSK při maximální rychlosti zpětného kanálu 10,24 Mbit/s.
DVB/DAVIC EuroModem
Tento standard působí jako protiklad ke standardu DOCSIS a vychází ze standardů DVB 2.0 (Digital Video Broadcast) a DAVIC 1.5 (Digital Audio Video Council), přičemž z hlediska oficiálních norem ETSI (European Telecommunications Standards Institute) jde o doporučení ETSI 300800. Takto koncipovaný standard je přizpůsoben především pro distribuci digitálního televizního signálu. Přístup k Internetu není hlavní aplikací.
Standard IEEE 802.14
Skupina IEEE 802.14 byla vytvořena v květnu 1984 a jejím cílem bylo vytvoření standardů pro přenos dat po sítích kabelové televize. Skupina vytváří standardy pro vrstvy PHY (Fyzickou) a MAC (Medium Access Control), které odpovídají spodním dvěma vrstvám referenčního modelu ISO/OSI – fyzické a spojové. Skupina měla za úkol definovat služby poskytované sítí kabelové televize, podporovanou topologii, klíčové předpoklady, omezení a parametry a kriteria k jejich měření. Pokud jde o fyzickou vrstvu, specifikace podporuje standardy normy J.83 ITU-T obsažené v doložkách A, B a C. Jedná se o normy pro modulaci 64/256 QAM, v doložce A je obsažen evropský standard, v doložce B americký a v doložce C standard pro Japonsko. Ve vrstvě MAC určuje IEEE jako standardní řešení ATM (Asynchronous Transfer Mode). Jsou tu specifikovány buňky o velikosti 53 bytů. Pokud chceme použít protokol IP, musíme každý IP paket rozdělit do buněk a po přenesení jej znovu složit. Každá stanice je identifikována pomocí adresy o délce 12 bitů. Tato adresa se používá jak ve směru z centra k uživateli (DSID – Destination Station ID), tak od uživatele do centra (SUID – Station Unique ID). ATM je považováno za dlouhodobě perspektivní řešení, které zaručuje kvalitní přenos dat, obrazu, zvuku a videa.
Způsob navazování spojení pro přenos dat
Datové přenosy podle doporučení DOCSIS a EuroDOCSIS jsou určeny pro zajištění obousměrného transparentního přenosu IP mezi kabelovým modemem a CMTS (CMTS - Cable Modem Termination System). Toto zařízení je na jedné straně připojeno do metalické nebo optické IP sítě a na druhé straně je připojeno na HFC síť, která vede až do jednotlivých domů a poté ke každému kabelovému modemu. Kabelové modemy jsou koncipovány tak, aby nevyžadovaly žádnou konfiguraci ze strany uživatele. Veškeré potřebné parametry si automaticky stahují ze sítě (včetně maximální povolené rychlosti) pomocí protokolu TFTP. Stejným způsobem je možné provést rovněž upgrade software/firmware.
Přidělování IP adres zajišťuje DHCP server a management může být založen na SNMP. Je snaha, aby se spojová vrstva chovala vůči síťové vrstvě (tj. IP) podobně jako Ethernet, který byl v mnoha ohledech inspirací. DOCSIS/EuroDOCSIS proto používá obdobný sytém MAC adres, jaký známe z Ethernetu. Každý kabelový modem dostane už ve výrobě svou unikátní MAC adresu (stejně jako třeba Ethernet síťové karty), která mimo adresování zároveň slouží pro identifikační a autorizační procedury. Kromě individuálního adresování je v dopředném kanálu možný rovněž broadcast (souhrn informací vysílaných z jednoho zdroje většímu množství adresátů) i multicast (způsob poslání zprávy z jedné stanice vybrané skupině stanic).
Dopředný kanál – downstream:Při inicializaci kabelového modemu (většinou po zapojení do sítě CATV nebo zapnutí napájení) dochází ke spojení s CMTS nejprve v dopředném kanálu. Každý kabelový modem zapojený v síti CATV má v paměti uloženy informace o naposledy použitém dopředném kanálu, na který se pokusí opět napojit. Pokud tak neučiní, provádí hledáni v celém frekvenčním pásmu (scanování kmitočtového pásma) vyhrazené pro dopředný kanál, dokud není dopředný kanál nnalezen. CMTS periodicky posílá kromě samotných dat do dopředného kanálu také služební pakety, jež slouží k navazování a řízení spojení. Jedním z takovýchto paketů je UCD (Upstream Channel Descriptor), ze kterého si modem zjistí pro něj potřebné údaje pro navázání spojení ve zpětném (upstream) kanálu. Dopředný kanál je jednoduchý, tvoří ho nepřetržitý tok MPEG-2 (podle ITU-T H.222) paketů, přesněji pakety PDU (Protocol Data Unit) o pevné délce 188 bytů, které CMTS posílá do sítě. V záhlaví těchto paketů (4 byte) je specifikován typ dat, která se přenášejí. Může to být například digitální video nebo další služby, takže tímto způsobem lze do MPEG-2 streamu multiplexovat více datových služeb, které CMTS umí poskytovat prostřednictvím MPEG.
Zpětný kanál – upstream:Zpětný kanál je komplikovanější, neboť do něj může posílat data mnoho zařízení (kabelových modemů) a je tedy důležité zajistit jeho sdílení. Potřebné údaje o zpětném kanálu (frekvenční pásmo, typ modulace atd.) získá kabelový modem z výše zmíněného UCD. Sdílení zpětného kanálu je založeno na principu časového multiplexu TDMA (u doporučení DOCSIS 2.0 se používá i kódový multiplex CDMA), kde nejmenší používanou jednotkou jsou úseky o délce 6,25 mikrosekundy nazývané time-tick. Z toho vyplývá, že mezi CMTS a kabelovým modemem musí být velmi přesně synchronizováno sdílení zpětného kanálu. Jednotkou pro přenos dat jsou tzv. minisloty. Počet byte, které se vejdou do jednoho minislotumůže být různý , závisí na šířce pásma a použitém typu modulace. V současnosti se minislot skládá ze čtyř time-ticks a má délku 16 byte. PDU pak v závislosti na své velikosti zabírají příslušný počet minislotů (v mocninách 2 až 128) a je tedy možné ve zpětném kanálu přenášet PDU různé délkya lépe tak využít jeho kapacitu.
Závěr
Ve většině sítí CATV v České republice se ze začátku prosazoval standard DOCSIS, ale operátoři, díky některým vlastnostem standardu EuroDOCSIS, převážně větší šířkou přenosového kanálu a tím i zvětšení přenosové rychlosti, postupně ve svých sítích zavádějí právě tento standard. V praxi to znamená výměnu zařízení, což může být dost finančně náročné. Samozřejmě existují i zařízení, které podporují oba dva standardy. Chce-li operátor navyšovat přenosové rychlosti a koncepčně zlepšovat svoje služby, je nutno provést upgrade zařízení dle příslušného doporučení. Praxe dosud ukazuje, že zmiňované standardy budou existovat vedle sebe a nebude tedy mezi nimi jednoznačný vítěz. Proto výrobci nabízejí čipové sady, které podporují současně např. DOCSIS 1.0, DOCSIS 1.1 a EuroDOCSIS. Důsledkem je ochrana investic, protože přechod na jiný standard nenutí operátora měnit hardwarovou konfiguraci, ale pouze provede upgrade software nebo firmware v zařízeních.
Tento příspěvek vznikl za podpory grantu GAČR "Omezující faktory při širokopásmovém přenosu signálů po metalických párech a vzájemná koexistence s dalšími systémy" s registrační číslem GA102/03/0434.
Literatura
[1] Merunka, Mirek. ISDN server [online] c2001, Článek v rubrice: Jak
funguje Internet po kabelovce. 19.6.2001 [cit. 2002-08-15].
[2] LANcity Cable Modem Family
[online], poslední revize 29.5.1999 [cit.2002-08-25].
[3] ITU-T J.112 (Transmission systems for interactive cable television services). INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION,
03-2001
[4] ITU-T J.83 (Digital multi-programme systems for television, sound and data services for cable
distribution).INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION, 04-1997
[5] ITU-T J.122 (Second generation transmission systems for interactive cable television services – IP cable modems)
INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION, 12-2002
[6] ITU-T H.222 (Frame structure for 384-1920 kbit/s channels in audiovisual teleservices). INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION
UNION, 04-1996)