Technologia kablowa (DOCSIS)

DOCSIS to standard transmisji danych, który obecnie umożliwia przesył danych w sieciach HFC, czyli hybrydowych – łączących światłowody i kable koncentryczne. Współczesne warianty pozwalają na osiągnięcie realnej prędkości przesyłania danych sięgającej powyżej 1 Gb/s. Jak działa tego typu połączenie i co warto o nim wiedzieć?

Krótki słowniczek niezbędnych pojęć

W celu pełnego zrozumienia, jak działa DOCSIS, warto najpierw zapoznać się z kilkoma terminami i skrótami, które będą pojawiać się w treści artykułu. Wiele z nich dotyczy również innych technologii i rodzajów infrastruktury sieciowej, wobec czego ich znajomość może przydać się także w innych kontekstach. Oto najważniejsze pojęcia związane ze standardem DOCSIS, które zdecydowanie warto przybliżyć:

  • Cable Modem (CM), model kablowy – jest to urządzenie znajdujące się u abonenta sieci, które służy do komunikacji pomiędzy stacją a użytkownikiem końcowym. Tego typu sprzęt pozwala na udostępnianie połączenia internetowego bez blokowania sygnału telewizji kablowej.
  • Cable Modem Termination System (CMTS) – system zakończenia modemu kablowego, znajdujący się w stacji czołowej lub węźle dystrybucyjnym systemu telewizji kablowej. Jest to urządzenie o kluczowym znaczeniu dla całej infrastruktury tego typu. Jego obecność jest niezbędna, by modemy kablowe mogły wymieniać dane z elementami sieci rozległej.
  • Sieć kablowa – instalacja telewizji kablowej, która dzięki standardowi DOCSIS może być używana także w celu oferowania usług internetowych. Transmisja odbywa się w zakresie od około 5 do około 900 MHz przy starszych wersjach; nowe implementacje rozszerzają dostępne pasmo aż do ~1 800 MHz.
  • HFC (ang. hybrid fiber-coaxial) – szerokopasmowy, dwukierunkowy system transmisji współdzielonych mediów. Między stacją czołową a węzłami wykorzystuje się światłowody, a za dostarczenie sygnału od węzła do klienta odpowiadają kable koncentryczne, zwykle wykonywane z miedzi.
  • Upstream – transmisja od klienta do stacji.
  • Downstream – transmisja od stacji do klienta.
  • QoS (ang. quality of service) – miara ogólnej jakości usług sieciowych z perspektywy użytkowników. W przypadku technologii sieciowych zwykle wiąże się z odpowiednią priorytetyzacją ruchu i rezerwacją zasobów.
  • TDMA (ang. Time Division Multiple Access – wielodostęp z podziałem czasowym) – metoda dzielenia dostępu do medium transmisyjnego pomiędzy użytkowników. W poszczególnych „okienkach” czasowych informacje mogą być przesyłane w danej częstotliwości tylko przez określonego klienta.
  • Modulacja QAM (ang. Quadrature Amplitude Modulation) – metoda przesyłania danych cyfrowych przez kanał radiowy, której działanie opiera się na zmianie amplitud różnych częstotliwości nośnych.

DOCSIS – co to jest?

Sam skrót „DOCSIS” rozwija się jako Data Over Cable Service Interface Specifications, czyli „specyfikacje interfejsu usług kablowego przesyłu danych”. Jest to standard transmisji danych z wykorzystaniem kabla koncentrycznego, który służy także do udostępniania sygnału telewizyjnego. Został on utworzony w 1997 roku, a za jego powstanie i utrzymanie odpowiada konsorcjum CableLabs we współpracy z licznymi producentami sprzętu sieciowego. Standard powstał z myślą o wykorzystaniu międzynarodowym z naciskiem na globalną zgodność, choć ze względu na różnice w alokacji pasm przez pewien czas kraje europejskie korzystały z jego zmodyfikowanej wersji.

Jakie prędkości przewiduje standard DOCSIS? Pierwsze wersje umożliwiały transfer downstream 40 Mb/s i upstream 10 Mb/s. W 2002 roku pojawił się nowy wariant, który zwiększył prędkość upstream do 30 Mb/s. Dalsza ewolucja technologii umożliwiła stały rozwój tego parametru, a najnowsza implementacja pozwala na przesył danych do abonenta z prędkością 10 Gb/s oraz 6 Gb/s w przeciwnym kierunku. Wcześniejsze wersje standardu mogły nieco różnić się pod względem możliwości w zależności od regionu, głównie przez inną szerokość kanałów telewizyjnych (6 MHz w Ameryce Północnej i 8 MHz w Europie). Od kilku lat, ze względu na zmienioną strukturę kanałów w DOCSIS, parametry połączenia są podobne na różnych kontynentach.

Szczegółowa historia DOCSIS

Pierwsze kable koncentryczne powstały jeszcze w XIX wieku, a ich przeznaczenie zmieniało się wraz z technologią. Głównym zastosowaniem tego typu przewodów jest zapewnienie linii transmisyjnej dla sygnałów radiowych, które są stosowane w wielu różnych rozwiązaniach telekomunikacyjnych. W efekcie kable koncentryczne mogą służyć do przekazywania zarówno radia i telewizji, jak i Internetu. W przypadku tego ostatniego prędkość transmisji nie jest w stanie dorównać światłowodom, które są preferowaną metodą przesyłania danych na długich dystansach. Z tego względu opracowano sieci HFC, które łączą kable miedziane i światłowodowe.

Infrastruktura HFC obejmuje światłowód w sieci rdzeniowej i kabel koncentryczny w dystrybucji, aby dotrzeć do domów użytkowników. Kluczową przewagą światłowodu jest możliwość przesyłu informacji na ponad 150 km bez potrzeby wzmacniania, co prowadzi do stopniowego zastępowania kabli koncentrycznych światłowodami. Wróćmy jednak do genezy standardu DOCSIS, który bezpośrednio wiąże się z ewolucją metod przekazywania sygnału telewizyjnego. W latach 50. rozpoczęto wdrażanie koncentrycznych sieci kablowych dla jednokierunkowych usług CATV (cable television – telewizja kablowa). Pod koniec XX wieku konsorcjum badawcze CableLabs stworzyło standardy dla zaawansowanych sieci kablowych, które umożliwiłyby połączenie usług telewizyjnych z usługami telefonicznymi i internetowymi.

Spore znaczenie na tym etapie odegrała potrzeba zapewnienia zgodności pomiędzy różnymi protokołami i rozwiązaniami sprzętowymi. Dzięki temu możliwe jest ponownie wykorzystanie sprzętu, obniżenie kosztów, a przy tym przyspieszenie rozwoju cyfrowych usług wideo oraz kablowych. Jako odpowiedź między innymi na tę potrzebę narodził się standard DOCSIS, który do dziś ewoluuje wraz ze zmieniającym się Internetem.

1997 – DOCSIS 1.0

W 1997 roku zaprezentowano pierwszą wersję standardu DOCSIS. Kluczowym elementem działania systemu zgodnego z DOCSIS jest komunikacja pomiędzy dwoma podstawowymi elementami – systemem CMTS oraz modemem kablowym. Początkowa wersja DOCSIS, podobnie jak wszystkie kolejne implementacje, oferowała asymetryczne prędkości downstreamu i upstreamu. W przypadku transmisji od CM do CMTS było to maksymalnie 10 Mb/s, a w przypadku transmisji od CMTS do CM – 40 Mb/s. Sposobem na regulowanie komunikacji przez kabel wszystkich podłączonych modemów było opisane wcześniej TDMA. Kanał odpowiedzialny za przydzielanie czasu był kontrolowany przez CMTS.

2001 – DOCSIS 1.1

Po kilku latach nadszedł czas na wdrożenie pewnych poprawek, które jednak nie wiązały się z całkowicie nową wersją standardu. Prędkość transferu pozostała bez zmian; dodano jednak mechanizmy QoS, dzięki czemu użytkownicy mogli korzystać ze stabilniejszego połączenia i cieszyć się mniejszymi opóźnieniami. Dodatkowo DOCSIS 1.1 wzbogaciło standard o obsługę usług VoIP.

2002 – DOCSIS 2.0 (D2)

Już rok później, wobec rosnącego zapotrzebowania na duże prędkości transferu, pojawił się nowy wariant standardu DOCSIS. Wersja 2.0 nie przyniosła wielkich zmian w samej infrastrukturze, jednak prędkość upstreamu wzrosła aż trzykrotnie, do 30 Mb/s. Zmniejszono zatem asymetrię w przesyle danych, co ma spore znaczenie w rozwiązaniach takich jak telefonia online. Dodatkowo zastosowano bardziej efektywne metody modulacji.

2006 – DOCSIS 3.0 (D3)

W roku 2006 standard DOCSIS rozszerzono o obsługę adresów w formacie IPv6, który znacznie zwiększa maksymalną liczbę sieci i urządzeń, a docelowo ma całkowicie zastąpić IPv4. Jest to także moment sporego zwiększenia prędkości transferu w DOCSIS – wersja D3 umożliwia nawet 1 Gb/s w przypadku downstreamu i 200 Mb/s dla upstreamu.

Nowością w przypadku standardu DOCSIS była również możliwość łączenia kanałów. Dzięki tej modyfikacji abonenci mogą jednocześnie korzystać z wielu kanałów downstreamu oraz upstreamu, co przekłada się na mniejsze ograniczenia w prędkości transferu.

2013 – DOCSIS 3.1

To przede wszystkim kolejny skok pod względem prędkości – tym razem już do 10 Gb/s downstreamu i 1 Gb/s upstreamu. Sieci w Polsce od kilku lat stopniowo przechodzą na tę wersję standardu. Całkowicie zmieniono także strukturę kanałów – zamiast stosowanych od lat szerokości 6 oraz 8 MHz postawiono na wykorzystanie znacznie węższych (25–50 kHz) częstotliwości podnośnych, które mogą łączyć się w większe spektrum. Wobec tej zmiany wyeliminowano również potrzebę osobnej specyfikacji dla Europy i Ameryki Północnej.

W DOCSIS 3.1 skorzystano ponadto z techniki LDPC (ang. Low Density Parity Check). Jest to liniowa korekcja błędów, która umożliwia transmisję danych w „zaszumionym” kanale. Stosowana jest również modulacja OFDMA, która dodatkowo poprawia jakość, wykrywa i koryguje sygnał, utrzymując stabilność usługi przy ewentualnych zakłóceniach i poprawiając efektywność wykorzystania dostępnego widma. DOCSIS 3.1 zapewnia także mniejsze opóźnienie w stosunku do CMTS oraz niższe zużycie energii w modemie kablowym.

2017 – DOCSIS 4.0

To najnowsza wersja standardu DOCSIS. W tym przypadku mamy do czynienia z prędkością upstreamu wynoszącą nawet 6 Gb/s. Jest to spory krok w kierunku umożliwienia symetrycznego przesyłu danych z wysoką prędkością, co ma ogromne znaczenie dla streamingu, urządzeń IoT i wielu innych nowoczesnych technologii. Kolejną zmianą jest rozszerzenie spektrum dostępnych częstotliwości na cały zakres fal telewizji kablowej – od 0 do mniej więcej 1,8 GHz. Aktualnie trwają prace nad pierwszymi prototypami modemów korzystających z DOCSIS 4.0.

Infrastruktura sieci DOCSIS

Architektura DOCSIS obejmuje dwa podstawowe elementy: modem kablowy (CM) zlokalizowany w siedzibie klienta oraz system zakańczania modemu kablowego (CMTS), który znajduje się na tak zwanej stacji czołowej (headend). Do węzłów w systemie trafia sygnał cyfrowy za pośrednictwem linii światłowodowych. Następnie jest on konwertowany na konkretne częstotliwości radiowe oraz sygnały modemowe, które trafiają do użytkownika przez koncentryczne linie miejskie.

Typowy CMTS obsługuje zarówno porty downstream, jak i upstream. Podczas gdy komunikacja w obydwóch kierunkach odbywa się na współdzielonej linii koncentrycznej u abonenta i łączy się z jednym złączem w modemie kablowym, CMTS dysponuje oddzielnymi złączami do transferu downstream i upstream. Takie rozwiązanie pozwala operatorom kablowym na większą elastyczność w oferowaniu usług. Z powodu szumu w ścieżce zwrotnej (upstream), port odpowiedzialny za tę komunikację jest zwykle podłączony do jednego subskrybenta za pomocą węzła światłowodowego. Port downstream jest natomiast zwykle współdzielony przez niewielką liczbę subskrybentów. W związku z tym w CMTS ma zazwyczaj więcej portów upstream niż downstream – typowe proporcje wynoszą 4 do 1 lub 6 do 1.

Komputer klienta oraz inne powiązanie z nim urządzenia są określane jako customer-premises equipment (sprzęt w siedzibie klienta), w skrócie CPE. Urządzenie końcowe jest podłączone do modemu kablowego, który z kolei jest podpięty do HFC. System CMTS kontroluje przesył danych między HFC a Internetem, z kolei operator kablowy jest odpowiedzialny za konfigurację danego modemu kablowego. Jej szczegóły mogą ulegać zmianie pod kątem warunków linii.

Modem a router –  różnice

W przypadku standardu DOCSIS często pojawia się pojęcie modemu kablowego, który jest umiejscowiony w miejscu odbioru danych. Mogłoby się wydawać, że jest to urządzenie tożsame z routerem, jednak ich działanie i przeznaczenie są nieco inne. Jakie są zatem różnice między tymi urządzeniami?

Modem

Modem moduluje i demoduluje sygnały elektryczne wysyłane przez linie telefoniczne, kable koncentryczne czy inne rodzaje przewodów. Jego zadaniem jest więc przekształcanie sygnałów cyfrowych na sygnały analogowe, które mogą być później przesyłane przewodami. Modem jest także w stanie „tłumaczyć” przychodzące sygnały analogowe i tworzyć z nich sygnał ponownie sygnał cyfrowy. Większość modemów ma tylko dwa porty: pierwszy z nich łączy się ze światem zewnętrznym, natomiast drugi odpowiedzialny jest za połączenie z komputerem lub routerem poprzez Ethernet.

Istnieje kilka rodzajów modemów:

  • Modem telefoniczny – komputer jest podłączony liniami telefonicznymi, dzięki którym jest w stanie uzyskać dostęp do sieci innych komputerów. Może być używany w każdym gospodarstwie domowym, w którym podłączona jest sieć telefoniczna.
  • DSL (ang. Digital Subscriber Line) – zapewnia szybkie łącze internetowe za pośrednictwem linii telefonicznych. Jest droższy w porównaniu z modemem telefonicznym. DSL jest również połączony z liniami telefonicznymi podobnymi do modemu telefonicznego. Różnica polega na tym, że komunikacja głosowa DSL i usługa internetowa jest używana jednocześnie, podczas gdy w modemie telefonicznym nie jest ona zapewniona.
  • Modem satelitarny – połączenie z Internetem jest zapewnione przy pomocy anten satelitarnych. Tego typu sprzęty są jeszcze droższe, jednak zapewniają największą niezawodność sieci.
  • Model kablowy – to właśnie urządzenie wykorzystywane w obrębie sieci DOCSIS. Jego zadaniem jest umożliwienie szybkiego dostępu do danych za pośrednictwem sieci kablowej (CATV). Obecnie jest to głównie sprzęt zewnętrzny, który łączy się z komputerem za pomocą standardowej karty Ethernet i okablowania skrętką.

Router

Podstawowym zadaniem routera jest kierowanie danych między urządzeniami w lokalnej sieci, jak również zarządzanie ruchem pomiędzy tymi sprzętami a Internetem. Jest to swego rodzaju węzeł komunikacyjny, który tworzy sieć domową wraz z innymi połączonymi urządzeniami. Dzięki routerowi możliwe jest podłączenie do sieci wielu urządzeń, na przykład komputera stacjonarnego, laptopa czy telefonu. Największą popularnością cieszą się routery Wi-Fi, które udostępniają lokalne połączenie bezprzewodowe.

Główne różnice między modemem a routerem

Kluczowa różnica pomiędzy tymi dwoma urządzeniami dotyczy ich funkcji. Zadaniem routera jest rozprowadzanie połączenia internetowego do wszystkich urządzeń, które znajdują się w jego zasięgu. Modem z kolei umożliwia uzyskanie bezpośredniego połączenia tylko do jednego urządzenia. Wiele routerów łączy jednak te dwie role, dzięki czemu możemy skonstruować domową sieć za pomocą zaledwie jednego urządzenia.

DOCSIS a EuroDOCSIS

Przed wprowadzeniem wersji 3.1 standardu DOCSIS mieszkańcy Europy i kilku innych miejsc korzystali z nieco zmodyfikowanego wariantu tego systemu. Podstawowa różnica wiąże się z innymi sposobami przekazywania telewizji kablowej. Podczas gdy stosowany w Europie PAL dzielił pasmo na kanały o szerokości 8 MHz, w przypadku NTSC, używanego głównie w Ameryce Północnej, Japonii i niektórych krajach Ameryki Południowej, jest to 6 MHz. Aktualnie jednak system DOCSIS nie jest już tak mocno uzależniony od technologii przekazywania sygnału telewizyjnego, a struktura pasm od wersji 3.1 wygląda całkowicie inaczej.

Różnice w zakresie kanałów downstream to nie jedyne rozbieżności w tych standardach. Amerykański wariant DOCSIS korzystał także z innej modulacji QAM. W przypadku europejskiego standardu przepływ pobierania jednego kanału w tej modulacji jest wyższy. Modemy kablowe EuroDOCSIS muszą wdrożyć jeden, ale bardzo elastyczny plan częstotliwości z częstotliwościami środkowymi, które zaczynają się od 112 MHz i sięgają do 858 MHz. Podstawowy plan częstotliwości upstream wynosi natomiast od 5 do 42 MHz dla DOCSIS i 5–65 MHz dla EURODOCSIS. Rozszerzony plan częstotliwości upstream sięga do 85 MHz dla obu wersji.

DOCSIS w Europie – wykorzystanie i przyszłość standardu

DESI, czyli Digital Economy and Society Index – indeks gospodarki cyfrowej i społeczeństwa cyfrowego – to regularnie publikowany raport, który podsumowuje stan infrastruktury sieciowej w państwach Unii Europejskiej. Według danych za 2020 rok DOCSIS 3.0 dotarł już do 46% europejskich gospodarstw domowych. Co więcej, 29% subskrypcji NGA (next-generation access – sieć dostępu nowej generacji) to kablówka DOCSIS 3.0 i 3.1. Wśród krajów europejskich łączność kablowa ma szczególnie wysoki udział w rynku na Węgrzech, w Belgii, na Malcie i w Holandii.

Obecnie trwają prace nad komercyjnym wykorzystaniem standardu DOCSIS 4.0, zwanego także Full Duplex DOCSIS. Termin full duplex dotyczy w pełni symetrycznej transmisji. Choć teoretyczne możliwości połączenia zgodnego z DOCSIS 4.0 są różne pod względem upstreamu i downstreamu, możliwe jest stworzenie symetrycznej sieci z prędkością sięgającą maksymalnej wartości upstreamu. Już teraz rozpoczęto testy między innymi w Vodafone Deutschland i u innych europejskich dostawców usług internetowych, choć wprowadzenie tej technologii na szeroką skalę wydaje się na razie dość odległe.

DOCSIS w Polsce

DOCSIS to rozwiązanie stosowane w Polsce przez największych operatorów kablowych. Jest to między innymi możliwość konkurencji z firmami, które bazują na czystych (lub prawie czystych) rozwiązaniach światłowodowych. Jako przykład mogą posłużyć UPC i Vectra, które umożliwiają swoim klientom korzystanie z DOCSIS 3.1. Prędkości oferowane przez tego typu połączenie dorównują, a nawet prześcigają rozwiązania korzystające z samego światłowodu. Problemem pozostaje jednak asymetryczność łącza, która zostanie dopiero częściowo wyeliminowana przy wprowadzeniu DOCSIS 4.0.

DOCSIS kontra GPON, czyli hybrydowe rozwiązanie a czysty światłowód

Na początek warto wyjaśnić, czym tak właściwie jest GPON. Jest to skrót określający gigabitową pasywną sieć optyczną – to jeden ze sposobów dostarczania światłowodu do domu. GPON to sieć dostępowa typu punkt-wielopunkt, która zakłada poprowadzenie centralnego światłowodu do konkretnego punktu, a następnie rozdzielenie transmisji pomiędzy końcowych użytkowników również za pomocą światłowodów. Jest to możliwe przez zastosowanie pasywnych rozdzielników w sieci dystrybucyjnej, dzięki czemu jedno włókno zasilające od dostawcy może obsługiwać wiele domów i małych firm.

GPON zapewnia przepustowość pobierania na poziomie 2 488 Mb/s oraz przesyłania danych wynoszącą 1 244 Mb/s, która jest współużytkowana przez użytkowników. Istotną częścią standardu jest szyfrowanie, które zabezpiecza użytkowników przed niepowołanym dostępem do transmitowanych danych. Choć istnieją inne technologie, które mogą dostarczyć światłowód do domu, pasywne sieci optyczne takie jak GPON są uważane za najlepszą opcję do wdrożeń na szeroką skalę. Z tego względu GPON może bezpośrednio konkurować z DOCSIS, który celuje w podobne zastosowanie, jednak z kluczową różnicą wykorzystania kabli koncentrycznych w końcowym odcinku.

Czy sieć oparta na sygnale kablowym wciąż może mieć znaczenie na aktualnym rynku telekomunikacyjnym?

Istnieje pogląd, że zarówno infrastruktura HFC, jak i sam standard DOCSIS to już dość przestarzałe rozwiązania, które nie są w stanie zapewnić użytkownikom odpowiednich parametrów przesyłu danych. W jego miejsce niektórzy proponują wprowadzenie GPON – oparcie całej infrastruktury na parametrach ma pozwolić na osiągnięcie lepszych parametrów, wyższej przepustowości oraz większej stabilności łącza. Należy jednak pamiętać, że w stosunku do rozwiązań uwzględniających kable koncentryczne czysto światłowodowa sieć może być znacznie droższa. Oprócz samego medium transmisyjnego dochodzi w tym przypadku konieczność instalacji optycznych terminatorów linii (OLT), urządzeń optycznej sieci dystrybucyjnej (ODN) oraz optycznych jednostek sieciowych (ONU). To wszystko sprawia, że całkowity koszt może wzrosnąć kilkukrotnie.

Jak zatem wygląda aktualna i przyszła sytuacja standardu DOCSIS? Operatorzy korzystający obecnie z DOCSIS 3.0 w celu zapewnienia szybkiego dostępu do Internetu są w stanie oferować prędkości na poziomie 1 Gb/s. Dzięki certyfikacji modemów DOCSIS 3.1 i systemów zakańczania modemów kablowych (CMTS) możliwy jest już transfer danych z szybkością sięgającą 10 Gb/s. Co więcej, każda wersja DOCSIS jest kompatybilna z poprzednimi wersjami. Zgodność wsteczna oznacza, że ​​klienci doświadczają minimalnych zakłóceń, gdy konieczna jest migracja do następnej edycji standardu. Wszystko wskazuje na to, że DOCSIS jest nadal w stanie radzić sobie z coraz większymi wymaganiami infrastruktury sieciowej. Standard w sporym stopniu wykorzystuje elastyczność HFC, dzięki czemu świetnie sprawdza się w przypadku branży szerokopasmowej telewizji kablowej.