DOCSIS 3.1

Dans l’obligation de rendre l’infrastructure DOCSIS 3.1 opérationnelle rapidement, les opérateurs câble sont aujourd’hui soumis à une énorme pression. Pourquoi ? En raison des exigences sans précédent des clients en termes de débit, ainsi que de la concurrence féroce des nouveaux acteurs.

VIAVI propose une analyse des performances et des solutions de test pour garantir une installation et une maintenance réussies de la technologie DOCSIS 3.1®. Par exemple, le testeur portatif OneExpert™ CATV, compatible cloud via l'application innovante StrataSync™, permet un test complet de l’installation et des services, et assure une couverture de bout en bout de vos déploiements.

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  • Qu’est-ce que DOCSIS 3.1 ?

    DOCSIS 3.1 est la version actuelle de la norme de télécommunications connue sous le nom de « Data Over Cable Service Interface Specification », ou DOCSIS. Cette norme régule l’ajout de services de transfert de données et de services Internet à haut débit et haute bande passante aux lignes de câbles coaxiaux existantes utilisées conjointement à un modem câble.

    Développée à l’origine par CableLabs en 1998, cette norme a subi de multiples révisions et s’est élargie de manière exponentielle du point de vue de la vitesse de service dans les années qui ont suivi.

  • L’évolution de DOCSIS 3.1

    Les véritables origines de la norme DOCSIS 3.1 remontent aux premiers opérateurs de télévision câblée de la fin des années 40 et du début des années 50. Leurs réseaux avaient pour vocation de fournir une réception télévisée de base aux utilisateurs parfois trop isolés pour recevoir un signal suffisant avec une antenne personnelle. Au fil de l’évolution des technologies satellites, de la propagation des canaux et de la haute définition dans les décennies qui ont suivi, les services de télévision par câbles coaxiaux ont su consolider leur position au sein de l’infrastructure mondiale.

    La diffusion de la télévision câblée a coïncidé avec l’arrivée d’Internet au milieu des années 90. Les premières technologies Internet utilisaient des modems commutés peu pratiques qui rendaient les lignes téléphoniques inutilisables lorsque vous étiez en ligne, tout en offrant une vitesse de 56 kbit/s. Les lignes d’abonnés numériques (Digital Subscriber Lines, DSL) ont par la suite permis une avancée en améliorant le débit et en supprimant la dépendance envers les lignes terrestres existantes.

    Pourtant, malgré ces améliorations, les lignes DSL demeuraient dépendantes des architectures de lignes téléphoniques à paires torsadées. Vers la fin des années 1990, le potentiel du réseau coaxial existant en tant que nouvelle voie d’accès logique à Internet a été reconnu et la norme DOCSIS a fourni une spécification commune d’interopérabilité des modems câblés.

    Si la norme DOCSIS d’origine (la version 1.0) offrait seulement des vitesses descendantes de 40 Mbit/s et ascendantes de 10 Mbit/s, ses performances étaient cependant 10 fois supérieures à celles des lignes DSL. La direction à suivre pour l’avenir était donc claire. Si la norme DOCSIS 2.0 n’a pas amélioré la vitesse descendante, la vitesse ascendante a, quant à elle, été multipliée par trois pour atteindre 30 Mbit/s. Le lancement de DOCSIS 3.0 en 2006 a une fois de plus représenté un incroyable bond en avant. La technologie d’agrégation de canaux parvenait ainsi à fournir la hausse tant attendue des vitesses descendantes, en atteignant un impressionnant débit de 1 Gbit/s, alors que les vitesses ascendantes approchaient les 30 Mbit/s. Par la suite, la diffusion de vidéos en continu, les réseaux sociaux et l’augmentation du nombre d’utilisateurs ont continué à repousser ces limites. Pour faire face à cette demande croissante, DOCSIS 3.1 a fait passer cette technologie fondamentale au niveau supérieur.

  • Spécifications de DOCSIS 3.1

    La toute dernière version de cette norme, DOCSIS 3.1, a encore relevé la barre en permettant des vitesses descendantes pouvant atteindre 10 Gbit/s et des vitesses ascendantes pouvant atteindre 2 Gbit/s. Auparavant, de tels débits n’étaient possibles qu’en utilisant la technologie de fibre optique. C’est pourquoi la technologie DOCSIS 3.1 révolutionnaire a donné aux fournisseurs de services la possibilité de conserver leurs câbles sans en affecter les performances.
    DOCSIS 3.1 a ainsi intégré de multiples avancées qui ont rendu le câble compétitif dans le secteur de l’ultra haut débit. Les améliorations apportées par DOCSIS 3.1 méritent que nous nous penchions plus en détail sur les composants de base de DOCSIS, et sur les opportunités d’optimisation de la vitesse, de la bande passante et de la fiabilité obtenues grâce à ces composants.

    Couche physique
    La couche physique (PHY), comme son nom l’indique, fait référence aux éléments matériels visibles du système, notamment l’équipement et les câbles, ainsi que les fréquences utilisées pour la transmission. Grâce à l’utilisation de porteuses situées dans une plage de 25 à 50 kHz, des milliers de signaux peuvent désormais emprunter un même câble qui n’abritait auparavant qu’une seule connexion télévisée. Ces signaux prennent la forme de sous-porteuses qui disséminent le signal dans des éléments distincts, lesquels sont ensuite recombinés par le récepteur, ce qui optimise la densité et le débit.

    OFDM
    Afin d’utiliser des porteuses plus minces, il était nécessaire de développer une technologie améliorée, capable de minimiser ou d’éliminer la protection des bandes radio (guardbanding) ou l’espacement entre les signaux. Cela a été accompli avec DOCSIS 3.1 grâce à la technologie OFDM (multiplexage par répartition en fréquences orthogonales). Cette technologie reprend le concept existant d’agrégation des canaux déjà présent dans DOCSIS 3.0 et s’appuie sur le principe de l’orthogonalité mathématique. En pratique, les signaux de sous-porteuses placés côte à côte sont transmis de manière orthogonale l’un vers l’autre, permettant ainsi au récepteur de démoduler avec précision les signaux individuels. Graphiquement, ce concept correspond à un tracé où le pic d’une onde est aligné sur le point inférieur d’une onde adjacente de la même fréquence.

    Forward Error Correction
    La correction d’erreur directe (Forward error correction, FEC) est une technique dans laquelle un récepteur détecte les erreurs dans les signaux redondants, puis les corrige sans retransmission. L’une des nouvelles fonctionnalités de la norme DOCSIS 3.1 est une méthode de FEC connue sous le nom de « contrôle de parité à faible densité » (Low Density Parity Check, LDPC). Même si la FEC existait dans les versions antérieures de DOCSIS, les progrès réalisés en matière d’encodage ont permis de corriger pratiquement 100 % des erreurs de mots codés. Cette amélioration a ainsi permis d’obtenir une plus grande résistance au bruit et un plus haut niveau de modulation.

    Gamme de fréquences DOCSIS 3.1
    La gamme de fréquences DOCSIS 3.1 a été progressivement étendue. Cette gamme de fréquences étendue a largement contribué à l’obtention de vitesses ascendantes et descendantes exceptionnelles. La gamme de fréquences DOCSIS 3.1 actuelle s’étend de 5 mHz à 1 218 mHz, avec une limite supérieure atteignant 1 794 mHz pour le DOCSIS 3.1 full duplex. La limite de fréquence supérieure de DOCSIS 3.0 était légèrement plus faible : 1 002 mHz. Les bandes passantes des canaux dans le spectre 3.1 peuvent atteindre 96 mHz en amont et 192 mHz en aval.

  • DOCSIS 3.0 vs 3.1

    Lors du lancement de DOCSIS 3.0 en 2006, l’amélioration par rapport à DOCSIS 2.0 était aussi importante qu’elle arrivait à point nommé. À cette époque, le nombre d’utilisateurs et la quantité de bande passante nécessaire aux applications avaient déjà considérablement augmenté. DOCSIS 3.0 répondait à ces besoins grâce à une importante augmentation des vitesses ascendante et descendante, mais également grâce à sa capacité à prendre en charge les adresses IPv6. Cette dernière amélioration était tout particulièrement importante face au nombre croissant d’utilisateurs, car le volume d’adresses prises en charge par l’IPv4 atteignait ses limites.

    Pourtant, la fonctionnalité la plus innovante et la plus singulière de DOCSIS 3.0 était peut-être l’utilisation de l’agrégation des canaux, que DOCSIS 3.1 exploite encore plus aujourd’hui. Les modems câblés ont ainsi pu combiner de multiples canaux de modulation d’amplitude en quadrature (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) dans des groupes capables d’envoyer et de recevoir des données. La technologie DOCSIS 3.0 a permis d’agréger de nombreux canaux de 6 MHz, multipliant ainsi proportionnellement la vitesse et la bande passante.

    Les améliorations apportées par chaque nouvelle version de DOCSIS sont vraiment remarquables si l’on tient compte du fait que le câble physique de base est resté le même au fil du temps. Alors que l’agrégation des canaux constituait la caractéristique révolutionnaire de DOCSIS 3.0, la technologie DOCSIS 3.1 se distingue quant à elle par son utilisation innovante de l’OFDM.
    Sur la base de ce concept, les canaux de 6 MHz ont été remplacés par des canaux de 25 ou 50 kHz pouvant être regroupés de manière encore plus dense. La gestion améliorée de l’énergie constitue un autre changement propre à DOCSIS 3.1 peut-être un peu moins connu. Les modems utilisent désormais un mode de veille qui active des périodes d’arrêt au timing judicieusement calculé, pour une meilleure efficacité.

  • DOCSIS 3.1 vs fibre optique

    Avant DOCSIS 3.1, la fibre à l’abonné (FTTH) constituait l’unique option disponible pour les consommateurs recherchant les vitesses de transmission des données les plus élevées possible. Alors que les réseaux de fibre optique continuent à être massivement deployés, l’élimination du câble coaxial en faveur de la fibre optique, semblaient inéluctables. Mais DOCSIS 3.1 a su rendre les connexions coaxiales traditionnelles domestiques de nouveau viables et attractives, dans un environnement où le haut débit est devenu une nécessité.
    L’architecture globale d’une grande majorité de ces réseaux est de type hybride fibre coaxial (HFC). Cela signifie simplement que la fibre optique couvre la majeure partie de la distance, tandis que le câblage coaxial couvre « les derniers mètres » entre le nœud de fibre optique et l’utilisateur. En revanche, dans un réseau FTTH, seule la fibre est utilisée de bout en bout du réseeau.

    L’installation de la fibre optique pour le réseaux FTTH et les mises à niveau de DOCSIS 3.1 exigent des investissements considérables mais ces deux options fournissent des performances exceptionnelles. Le choix entre fibre optique et câble dépendra de la condition et de l’âge des câbles coaxiaux existants et des exigences des utilisateurs en termes de bande passante, sans oublier la question des coûts. La taille compacte et la performance de la fibre optique sont des facteurs clés permettant d'implémenter de manière optimale la norme DOCSIS 3.1.

  • DOCSIS 3.1 full duplex

    Le DOCSIS 3.1 full duplex continue son évolution en proposant un service symétrique sur les réseaux câblés. Il en découle une transmission de données de 10 Gbit/s simultanée dans le sens ascendant et dans le sens descendant sur un seul et même spectre. Dans les versions précédentes de DOCSIS, la partie inférieure du spectre était dédiée au débit ascendant et la partie supérieure au débit descendant. Le partage de spectre du full duplex est rendu possible par l’utilisation de l’annulation de l’autobrouillage et de la planification intelligente.
    L’augmentation de la capacité ascendante constitue la véritable avancée du full duplex. Alors que DOCSIS 3.1 a bien rempli son rôle en répondant aux exigences de la diffusion en continu, des jeux et d’autres applications à bande passante élevée, la prochaine vague d’innovations, ainsi que le nombre toujours croissant d’utilisateurs, exigeront des capacités ascendantes en association avec la fibre optique.

    Avec le développement du full duplex, le futur de DOCSIS semble assuré pour les années à venir. En fait, les experts en télécommunications ont laissé entendre que DOCSIS 4.0, une fois prêt, pourrait atteindre des vitesses descendantes de l’ordre de 60 Gbit/s, soit six fois supérieures à celles de DOCSIS 3.1, en utilisant jusqu’à 6 GHz du spectre câblé disponible. Avec de telles améliorations se profilant à l’horizon, les avantages de DOCSIS semblent confirmés pour la décennie à venir.

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