DOCSIS 3.1

Heute stehen die Kabelnetzbetreiber vor der großen Herausforderung, ihre DOCSIS-3.1-Installationen möglichst schnell in Betrieb zu nehmen.

Warum? Weil die Kunden eine immer größere Bandbreite verlangen und sich der Wettbewerb durch neue Mitbewerber verschärft.

VIAVI bietet mehrere Lösungen zur Leistungsanalyse und Fehlerdiagnose an, die eine erfolgreiche Installation und Wartung von DOCSIS-3.1-Installationen gewährleisten. So übernimmt der Handtester OneExpert™ CATV handheld tester, der über die innovative Anwendung StrataSync™ cloudfähig ist, die gesamte Netzwerkanalyse und führt Tests an den Diensten aus. Damit kontrollieren Sie Ihre Installationen durchgehend.

OneExpert CATV handheld tester

  • Was ist DOCSIS 3.1?

    DOCSIS 3.1 ist die aktuelle Version des als „Data Over Cable Service Interface Specification“ oder DOCSIS bezeichneten Telekommunikationsstandards. Dieser Standard definiert, wie vorhandene Koaxialkabel-Installationen in Verbindung mit einem Kabelmodem um die Highspeed-Breitband-Datenübertragung und Internetdienste zu erweitern sind.

    Er wurde 1998 ursprünglich von CableLabs entwickelt, seitdem mehrmals weiterentwickelt und hat im Laufe der Jahre bei der Übertragungsrate ein exponentielles Wachstum erfahren.

  • Die Entwicklung von DOCSIS 3.1

    Die Anfänge von DOCSIS 3.1 reichen bis zu den ersten TV-Kabelnetzbetreibern vom Ende der 1940er und Anfang der 1950er Jahre zurück. Ihre Netzwerke sollten den Verbrauchern in den USA, die zu abgelegen wohnten, um mit einer eigenen Antenne ein ausreichend starkes Signal zu empfangen, einen TV-Basisempfang zur Verfügung stellen. Mit der Entwicklung der Satellitentechnologie, der immer größeren Programmvielfalt und der HD-Auflösung konnte sich der über Koaxialkabel bereitgestellte TV-Dienst in den folgenden Jahrzehnten in der weltweiten Infrastruktur fest etablieren.

    Die umfassende Verbreitung des Kabelfernsehens erfolgte zeitgleich mit dem Aufkommen des Internets Mitte der 1990er Jahre. Die ersten Internet-Technologien nutzten Wählmodems, die während des Online-Betriebs die Telefonleitungen allerdings blockierten und Übertragungsraten von lediglich 56 kbit/s anboten. Der digitale Teilnehmeranschluss (DSL) war ein Schritt vorwärts, da diese Technologie die Übertragungsgeschwindigkeit verbesserte und nicht mehr von frei verfügbaren Festnetzleitungen abhängig war.

    Trotz dieser Verbesserungen stützt sich DSL immer noch auf die verdrillte Doppelader der Telefonleitung. Ende der 1990er Jahre erkannte man das Potenzial des vorhandenen Koaxialkabelnetzes als neues und logisches Internet-Übertragungsmedium. Hier bot der DOCSIS-Standard eine einheitliche Spezifikation, auf deren Grundlage die Kabelmodems interoperabel wurden.

    Obgleich die erste DOCSIS-Version 1.0 Datenraten von nur 40 Mbit/s in Empfangsrichtung (Downstream) und von 10 Mbit/s in Senderichtung (Upstream) ermöglichte, bedeutete dies gegenüber DSL immerhin eine Steigerung um das Zehnfache. Die Richtung für die Zukunft wurde klar. Während DOCSIS 2.0 die Downstream-Rate nicht verbesserte, erhöhte sich die Upstream-Geschwindigkeit auf das Dreifache, nämlich auf 30 Mbit/s. Die Veröffentlichung von DOCSIS 3.0 im Jahr 2006 war ein großer Schritt nach vorn. Die Kanalbündelung ermöglichte die lang erwartete Steigerung der Downstream-Rate auf beeindruckende 1 Gbit/s, während der Upstream nahezu 30 Mbit/s erreichte. Video-Streaming, soziale Medien und die größere Akzeptanz unter den Verbrauchern hat die technische Entwicklung weiter beschleunigt. Um dieser wachsenden Nachfrage gerecht zu werden, setzt DOCSIS 3.1 neue Maßstäbe für diese Basistechnologie.

  • DOCSIS-3.1-Spezifikationen

    DOCSIS 3.1 als die jüngste Version hat die Messlatte mit Downstream-Raten von bis zu 10 Gbit/s und Upstream-Raten von bis zu 2 Gbit/s erneut höher gelegt. Übertragungsgeschwindigkeiten dieser Größenordnung konnten bisher nur mit der Glasfaser-Technologie erreicht werden. Daher hat dieser Durchbruch mit DOCSIS 3.1 die Service-Provider in die Lage versetzt, vorhandene Koaxialkabelanschlüsse in Wohnhäusern ohne wesentliche Leistungseinbußen beizubehalten.
    DOCSIS 3.1 berücksichtigt mehrere Weiterentwicklungen, die dazu beitragen, dass das Koaxialkabel im Ultra-Highspeed-Segment zu einem ernsthaften Wettbewerber wird. Durch die von DOCSIS 3.1 zur Verfügung gestellten Verbesserungen lohnt es sich, einen genaueren Blick auf die Basiskomponenten von DOCSIS und auf die mit ihnen realisierte optimierte Datenrate, Bandbreite und Zuverlässigkeit zu werfen.

    Physikalische Schicht
    Wie der Name schon sagt, bezieht sich die physikalische Schicht (Bitübertragungsschicht) - PHY - auf die sichtbaren Hardware-Komponenten des Systems, einschließlich der Geräte und Kabel, sowie auf die für die Übertragung genutzten Frequenzen. Mit 25–50 kHz breiten Trägern können nun Tausende Signale das gleiche Kabel belegen, das früher nur einen einzigen TV-Anschluss aufnehmen konnte. Diese Signale werden in Form von Unterträgern übertragen und in diskrete Elemente aufgeteilt, die später vom Empfänger wieder zusammengesetzt werden. Dadurch ist es möglich, Dichte und Durchsatz zu optimieren.

    OFDM
    Um die kleinen Träger nutzen zu können, wurde eine Technologie benötigt, die das Schutzband, also den Abstand, zwischen den Signalen, weitestgehend verkleinerte oder völlig ohne diesen auskam. DOCSIS 3.1 ist das mit dem Orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) gelungen. Dieses Modulationsverfahren übernimmt die erstmals von DOCSIS 3.0 genutzte Kanalbündelung und optimiert sie durch das Prinzip der mathematischen Orthogonalität (Rechtwinkligkeit) der Träger. Das bedeutet, dass die benachbarten Signale der Unterträger orthogonal zueinander übertragen werden. Dadurch ist der Empfänger in der Lage, die einzelnen Signale exakt zu demodulieren. Bildlich gesprochen liegt dadurch das Maximum der einen Trägerwelle auf dem Nulldurchgang der Nachbarwelle gleicher Frequenz.

    Vorwärtsfehler-Korrektur
    Die Vorwärtsfehler-Korrektur (FEC) ist ein Verfahren, bei dem der Empfänger Fehler in redundanten Signalen erkennen und anschließend ohne Übertragungswiederholung korrigieren kann. DOCSIS 3.1 nutzt ein neues FEC-Verfahren, das als Low Density Parity Check (LDPC) bezeichnet wird. Obgleich FEC bereits in früheren DOCSIS-Versionen zum Einsatz kam, ermöglicht nun eine optimierte Codierung, dass nahezu 100 % der LDPC-Codewort-Fehler (CWE) korrigierbar sind. Dadurch hat sich wiederum die Rauschfestigkeit verbessert und es konnte ein höherer Modulationsgrad erreicht werden.

    DOCSIS-3.1- Frequenzbereich
    Der Frequenzbereich von DOCSIS 3.1 wurde schrittweise vergrößert. Dieser breite Gesamtbereich ist eine wichtige Voraussetzung für die außergewöhnliche Upstream- und Downstream-Rate. Der aktuelle 3.1-Frequenzbereich erstreckt sich von 5 MHz bis 1218 MHz mit einem Maximalwert von 1794 MHz bei Full Duplex DOCSIS 3.1. Bei DOCSIS 3.0 lag die obere Frequenzschwelle etwas niedriger bei 1002 MHz. Die Kanalbandbreiten im 3.1-Spektrum können im Upstream bis zu 96 MHz und im Downstream maximal 192 MHz erreichen.

  • DOCSIS 3.0 vs 3.1

    Die Einführung von DOCSIS 3.0 im Jahr 2006 stellte eine wesentliche und rechtzeitige Verbesserung gegenüber DOCSIS 2.0 dar. Damals hatten sich die Anzahl der Nutzer und die benötigte Anwendungsbandbreite bereits deutlich erhöht. DOCSIS 3.0 hat auf diese gewachsene Nachfrage mit einer erheblichen Steigerung der Datenraten sowohl im Upstream als auch im Downstream sowie mit der Unterstützung von IPv6-Adressen reagiert. Letzteres war vor allem in Hinblick auf die stetig zunehmende Nutzerzahl erforderlich, denn IPv4 unterstützte eine relativ begrenzte Anzahl von Adressen.

    Das vielleicht innovativste und einmalige Leistungsmerkmal von DOCSIS 3.0, dessen Potenzial heute mit DOCSIS 3.1 erst richtig ausgeschöpft wird, ist jedoch die Kanalbündelung. Damit waren die Kabelmodelms in der Lage, mehrere Kanäle mit Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM) zum Senden und zum Empfangen von Daten in Gruppen zusammenzufassen. Die DOCSIS-3.0-Technologie hat bereits mehrere 6-MHz-Kanäle gebündelt, so dass sich die Datenrate und die Bandbreite proportional vervielfachten.

    Die mit jeder neuen DOCSIS-Version eingeführten Verbesserungen sind umso bemerkenswerter, da das physische Kabel sich nicht verändert hat. Während DOCSIS 3.0 durch die Kanalbündelung wegweisend war, zeichnet sich DOCSIS 3.1 durch die innovative Nutzung des OFDM-Verfahrens aus.
    Auf dieser Grundlage wurden die 6-MHz-Kanäle durch 25 oder 50 kHz breite Kanäle ersetzt, die noch dichter gepackt werden können. Das optimierte Energiemanagement ist eine weitere Neuerung von DOCSIS 3.1, die aber vielleicht weniger bekannt ist. Jetzt nutzen Modems einen Schlafmodus, der es ihnen erlaubt, sich zeitweise abzuschalten, um die Energieeffizienz zu erhöhen.

  • DOCSIS 3.1 vs. Fiber

    Vor DOCSIS 3.1 war Fiber to the Home (FTTH) die einzige Option für Verbraucher, die eine maximale Datenübertragungsrate erzielen wollten. Da immer mehr Glasfasernetze zwischen Quelle und Nutzer installiert wurden, schien es nur eine Frage der Zeit, bis die Glasfaser das Koaxialkabel völlig verdrängt hatte. DOCSIS 3.1 hat die weitere Berechtigung traditioneller Koaxialkabelanschlüsse in Wohngebäuden mit Highspeed-Datenraten eindrucksvoll nachgewiesen.
    Die Mehrzahl dieser Netzwerke basiert auf einer hybriden Glasfaser-Koaxialkabel-Architektur (HFC). Hierbei wird die Glasfaser bis in die Nähe der Haushalte geführt und die „letzte Meile“ vom Faserknoten bis zum Nutzer vom Koaxialkabel überbrückt. Lediglich bei FTTH wird kein Übergang von der Glasfaser zum Koaxialkabel mehr benötigt.

    Auch wenn FTTH-Installationen und DOCSIS-3.1-Upgrades jeweils erhebliche Investitionen erfordern, bieten beide Optionen doch eine herausragende Leistung. Die Entscheidung für oder gegen Glasfaser bzw. Koaxialkabel ist vom Zustand und Alter des vorhandenen Koaxialkabels, von den Bandbreitenanforderungen der Nutzer sowie von Kostenerwägungen abhängig. Aufgrund ihrer Abmessungen und Vielseitigkeit kann die Glasfaser die Signale mit maximaler Effizienz dem DOCSIS-3.1-Koaxialkabelnetz zuführen.

  • Full Duplex DOCSIS 3.1

    Full Duplex DOCSIS 3.1 setzt diese Entwicklung fort und bietet symmetrische Datenraten über Kabelnetze. Das bedeutet, dass über das gleiche Spektrum sowohl im Upstream als auch im Downstream 10 Gbit/s übertragen werden. Bei früheren DOCSIS-Versionen war der untere Teil des Spektrums dem Upstream und der obere Bereich dem Downstream vorbehalten. Die gemeinsame Nutzung des verfügbaren Spektrums bei Full Duplex DOCSIS 3.1 wird durch die Kompensation von Eigenstörungen und eine intelligente Ablaufplanung erreicht.
    Diese beeindruckende Steigerung der Upstream-Kapazität bei Full Duplex stellt einen echten Durchbruch dar. Während DOCSIS 3.1 den Anforderungen der Teilnehmer beim Streaming, Gaming und anderen bandbreitenintensiven Anwendungen durchaus gerecht wurde, wird die nächste Innovationswelle in Verbindung mit einer wachsenden Anzahl von Nutzern, eine Upstream-Kapazität in der Größenordnung der Glasfaser erfordern.

    Mit der Entwicklung von Full Duplex scheint die Zukunft der DOCSIS-Technologie auf Jahre hinaus gesichert. In der Tat deuten Experten an, dass DOCSIS 4.0, wenn es dann reif für die Einführung ist, Downstream-Raten von bis zu 60 Gbit/s und damit sechs Mal mehr als DOCSIS 3.1 erreichen könnte. Dafür würde diese Version dann bis zu 6 GHz des verfügbaren Kabelspektrums nutzen. Vor dem Hintergrund dieser absehbaren Entwicklungen wird die DOCSIS-Technologie bis in das nächste Jahrzehnt hinein weiter eindrucksvolle Vorteile bieten.

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