Atualmente, as operadoras de TV a cabo sofrem uma pressão enorme para ter instalações DOCSIS 3.1 prontas e operando rapidamente, mais rápido do que nunca.

Por quê? Devido à necessidade sem precedentes de banda larga por parte dos clientes e à forte concorrência dos novos participantes deste mercado.

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DOCSIS 3.1 é a versão atual do padrão de telecomunicações conhecido como Data Over Cable Service Interface Specification ou DOCSIS. Esse padrão regula a agregação de serviços de transferência de dados e internet de banda larga de alta velocidade às linhas de cabo coaxial existentes usadas junto com um modem a cabo.

Originalmente desenvolvido pela CableLabs em 1998, o padrão passou por várias revisões e sofreu um crescimento exponencial na velocidade de serviço nos anos seguintes.

Contratadas e técnicos que trabalham para testar ou implantar DOCSIS precisam de recursos avançados habilitados em seu conjunto de teste fácil de usar. A VIAVI conta com uma excelente seleção de equipamentos de teste que suporta todos os provedores de serviço e trabalha para atender qualquer modem ou roteador DOCSIS 3.1 a cabo. Nossos medidores DOCSIS são os mais rápidos do mercado e economizarão tempo e dinheiro.

Embora a fibra certamente tenha algumas vantagens inerentes em relação ao cabo coaxial em termos de largura de banda e velocidade, tecnologias inovadoras, como união de canais, permitiram que a DOCSIS fechasse a lacuna com a fibra. A DOCSIS 3.1 também oferece outras características diferenciadas para continuar sendo uma alternativa viável à fibra. Saiba mais sobre as velocidades da DOCSIS 3.1 e as vantagens que a DOCSIS 3.1 pode oferecer.

Com o desenvolvimento do Full Duplex, o futuro da DOCSIS parece garantido nos próximos anos. Na verdade, os especialistas em telecomunicações sugerem que a DOCSIS 4.0, assim que concluída, poderá atingir velocidades downstream de até 60 Gbps, para um aumento de seis vezes em relação à DOCSIS 3.1, utilizando até 6 GHz do espectro de cabos disponível. Com essas melhorias empolgantes no cenário, a vantagem da DOCSIS permanecerá ilimitada na próxima década.

O padrão DOCSIS

Em 1994, o Instituto de Engenharia Eletrônica e Elétrica (IEEE) formou um grupo de trabalho de especialistas do mercado para desenvolver um padrão internacional de modem a cabo. Quando mais de 2 anos se passaram e a especificação esperada ainda não tinha sido entregue, as operadoras de cabo uniram forças para formar a Multimedia Cable Network System Partners Ltd. (MCNS) e começaram a esboçar seu padrão próprio. O resultado final foi a DOCSIS 1.0.

A CablElabs iniciou seu programa de certificação para equipamentos DOCSIS em 1998, garantindo a interoperabilidade entre dispositivos de fornecedores diferentes. Isso continuou durante anos em várias iterações, chegando a versões DOCSIS 3.1 e 3.1 Full Duplex. A União Internacional de Telecomunicações (UIT) ratificou várias versões DOCSIS como padrão DOCSIS internacional, embora pequenos anexos ao padrão sejam necessários, às vezes, para acomodar diferentes frequências e alocação de largura de banda fora dos Estados Unidos, como a “EuroDOCSIS”. A certificação é frequentemente realizada por outras organizações dentro do condado ou região de origem.

Melhorias na velocidade da DOCSIS

Embora a proliferação de TV a cabo possa ter sido o motivo que levou a um padrão comum para conexões de cabos coaxiais, o resultado eventual foi um modo notavelmente rápido de transmissão de dados de internet que continua a acompanhar o apetite insaciável para largura de banda.

As primeiras conexões de internet DOCSIS alcançaram velocidades que ultrapassaram tudo o que havia antes; entretanto, a premissa inovadora da transmissão de internet através de cabo coaxial usado em televisão foi talvez revolucionária o suficiente nos primeiros estágios de adoção. Quando a DOCSIS 1.1. chegou em 1999, o foco não era aumentar a velocidade da DOCSIS, mas melhorar a qualidade do serviço (QoS) por meio de melhorias na privacidade e priorização de tráfego. Ainda utilizando um único canal, as velocidades de download da DOCSIS estavam limitadas em 40 Mbps, enquanto as velocidades de upload da DOCSIS de 10 Mbps eram o padrão.

Obter a melhoria nas velocidades de upload necessárias para aplicações simétricas como compartilhamento de arquivos ponto a ponto e VoIP era uma proposta desafiadora para desenvolvedores do novo milênio. A DOCSIS 2.0, lançada em 2002, fez uso de uma largura de banda mais ampla para acelerar velocidades de upload DOCSIS até 30 Mbps, porém as velocidades de download permaneceram inalteradas em relação à DOCSIS 1.1.

O advento de streaming e de outras inovações com alto uso de dados fez com a melhora em velocidade e capacidade da DOCSIS fosse ainda mais imperativa. Uma vez que a substituição ou novo design das linhas coaxiais existentes não era uma opção viável, mais tráfego teve de ser lotado no mesmo espaço geométrico, enquanto se desloca exponencialmente mais rápido. Realizar isso em nossas rodovias automotivas seria uma receita para o congestionamento, ou algo pior. A DOCSIS 3.0 foi a inovação que surgiu para atender esse desafio formidável.

Velocidades máximas da DOCSIS 3.0

Não há dúvida de que a fibra tem vantagens inerentes ao cabo coaxial quando se trata de largura de banda e velocidade. Com um perfil ultrafino, baixo consumo de energia em longas distâncias e entrega de velocidade leve, as implantações de cabo de fibra óptica, incluindo fibra até a residência (FTTH), aumentaram significativamente a barra para velocidade e confiabilidade. Uma melhoria convincente foi necessária para evitar que a DOCSIS fosse deixada para trás, e a DOCSIS 3.0 proporcionou isto fornecendo velocidades máximas de download da DOCSIS acima de 1 Gbps, enquanto as velocidades de upload da DOCSIS 3.0 aumentaram para 200 Mbps ou mais. A tecnologia inovadora que tornou esse salto nas velocidades DOCSIS possível foi a união de canais.

“União”, neste contexto, significa enviar segmentos de dados simultaneamente através de múltiplos canais, depois recombinar os dados no destino, fornecendo utilização mais eficiente da largura de banda disponível. Para o modem, os canais unidos são partes discretas de um canal maior, mesmo que estejam fisicamente separados e não necessariamente adjacentes. Essa mudança permitiu que os modems a cabo combinassem vários canais de modulação de amplitude de quadratura (QAM) em grupos para enviar e receber dados.

Cada canal adicional duplica a capacidade de transporte de dados nessa direção. Por exemplo, o que era uma configuração DOCSIS 2.0 de 40 Mbps upstream/30 Mbps downstream pode ser multiplicada em até 32 vezes em downstream e 8 vezes em upstream usando a DOCSIS 3.0, produzindo uma velocidade total máxima de cerca de 1,2 Gbps upstream e 240 Mbps downstream.

Velocidades máximas da DOCSIS 3.1

Se o serviço de internet de alta velocidade fosse uma corrida, a fibra óptica certamente estaria em primeiro lugar. Utilizando inovações como multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) e multiplexação de divisão espacial (SDM), velocidades de transmissão sobre fibra excedendo 9,6 Tbps foram registradas em testes. Ela é cerca de mil vezes maior do que as velocidades máximas da DOCSIS 3.1. Dadas as limitações físicas do cabo tradicional, esta lacuna no desempenho nunca será totalmente resolvida. A DOCSIS 3.1 oferece características diferenciadas importantes para permanecer viável.

Em termos de custos de implantação, a DOCSIS 3.1 permite que o “último quilômetro” entre o node e o assinante mantenha sua infraestrutura coaxial, mesmo que o cabo que alimenta essas interfaces seja cada vez mais suplantado pela fibra. É nesse último quilômetro que ocorre a maior parte das escavações, abertura de valas, instalação e conexão para instalações FTTH puras, portanto as implicações monetárias da opção DOCSIS 3.1 são significativas.

A DOCSIS 3.1 é totalmente compatível com a DOCSIS 3.0, o que significa que os usuários podem manter seus modems existentes e não precisam trocar equipamentos. Essa compatibilidade com equipamentos existentes permitiu uma transição gradual e contínua entre as versões DOCSIS. Com melhorias de correção de erros também incorporadas na DOCSIS 3.1, pedidos mais elevados de modulação, incluindo QAM 4096 e crescimento até QAM 16384, agora são suportados.

  • Downloads na DOCSIS 3.1
    As velocidades de download da DOCSIS continuaram a atender às necessidades dos usuários de forma consistente, e a melhoria de 10 vezes em relação à DOCSIS 3.0 levou esta especificação a impressionantes 10 Gbps. Isso foi amplamente realizado através da introdução de multiplexação ortogonal de domínio de frequência (OFDM), uma técnica de modulação avançada projetada para apertar ainda mais sinais em um espaço finito, minimizando o espaço necessário entre eles.
  • Velocidades de upload da DOCSIS 3.1
    As velocidades de upload da DOCSIS 3.1 podem chegar a 2 Gbps. Isso habilitou a transmissão aparentemente instantânea de grandes arquivos, vídeos e outros conteúdos que anteriormente levaram horas para serem carregados. Com novas aplicações como realidade virtual e jogos impulsionando mais uma vez a demanda por entrega de dados simétricos, foi criada a DOCSIS 3.1 Full Duplex para oferecer velocidades de 10 Gbps nas direções de upload e download. Isso significa transmissão simultânea de 10 Gbps nas duas direções, utilizando o mesmo espectro.
  • Upstream na DOCSIS 3.1
    Dado o foco atual no desempenho em upstream, é imperativo aproveitar cada oportunidade para otimizar a qualidade da transmissão upstream da DOCSIS 3.1. A pré-equalização das portas de retorno do sistema de terminação do modem a cabo é uma maneira de alcançar isso. Outra consideração importante é o perfil de modulação upstream. Ao prestar atenção à taxa de erro de modulação, o volume real de informações contidas no sinal modulado pode ser quantificado e otimizado.

Latência da DOCSIS 3.1

Como as velocidades de transmissão superaram os requisitos da maioria dos usuários nos últimos anos, atrasos perceptíveis nos uploads de páginas da web, respostas de comunicação e outros problemas de desempenho são agora mais dependentes de latência do que acontecia nos primórdios da DOCSIS. Muitas páginas da web exigem inúmeras viagens de ida e volta para carregar totalmente, portanto, até mesmo a latência no range de 500 milissegundos (ms) pode ser facilmente perceptível no agregado.

A tecnologia DOCSIS 3.1 melhorou mediante o uso de algoritmos de fila de pacotes, levando a uma melhoria significativa na latência geral dos pacotes. Isso é particularmente importante para aplicações como jogos on-line que são mais sensíveis ao atraso perceptível do sistema. O Active Queue Management foi incorporado à DOSCIS 3.1, pelo qual o protocolo de controle da transmissão (TCP) é monitorado para otimizar o fluxo de tráfego e os níveis de buffer. A tecnologia DOCSIS de baixa latência (LLD) pode reduzir a latência até 1 ms.

Provisionamento da DOCSIS

Os benefícios da DOCSIS não podem ser totalmente aproveitados a menos que as etapas de provisionamento corretas tenham sido implementadas para configurar e otimizar a rede para DOCSIS 3.1. Por exemplo, embora os assinantes possam utilizar uma ampla variedade de modems e dispositivos, as estratégias de provisionamento que integram o gerenciamento de firmware garantem que as atualizações mais recentes necessárias para o desempenho ideal sejam implantadas com inteligência.

Validar arquivos de configuração da DOCSIS é outra função de provisionamento essencial para redução de erros e registro eficiente de dispositivos. Novos dispositivos que entram em uma plataforma de provisionamento existente devem ser detectados automaticamente e ter a versão DOCSIS identificada. Desta forma, os serviços corretos podem ser atribuídos ao usuário. Privacidade e segurança são preocupações adicionais de QoS que podem ser tratadas por meio do provisionamento da DOCSIS. Os serviços que verificam os aluguéis de dispositivos regularmente são uma abordagem usada para detectar e bloquear usuários ilegítimos, evitando intrusões de rede indesejadas.

A DOCSIS 3.1 manteve a plataforma DOCSIS relevante no mundo da internet de alta velocidade através da utilização criativa da camada física, processos de modulação inovadores e protocolos de provisionamento avançados. Como as cinco gerações de DOCSIS ao longo de 20 anos comprovaram, mais melhorias de velocidade e qualidade são sempre possíveis. As velocidades da DOCSIS 3.1 já entraram na zona de Terabits, mas isso pode ser apenas o começo.

A proliferação da TV a cabo coincidiu com o advento da internet em meados da década de 1990. No início, a tecnologia da internet utilizava modems discados que tornavam as linhas telefônicas inconvenientemente inoperantes enquanto se estava on-line, oferecendo velocidades baixas em torno de 56 kbps. As linhas digitais de assinantes (DSL) foram um avanço adicional, com velocidades mais altas e sem depender de linhas terrestres existentes.

Apesar das melhorias, essas linhas DSL ainda dependiam da arquitetura de fios telefônicos de par trançado. No final da década de 1990, o potencial da rede coaxial existente como o caminho novo e lógico da internet foi reconhecido e o padrão DOCSIS proporcionou especificações comuns para tornar os modems a cabo interoperáveis.

Embora a DOCSIS original, versão 1.0, apresentasse velocidades de internet de apenas 40 Mbps downstream e 10 Mbps upstream, isso ainda representava uma melhoria de 10 vezes em relação à DSL. A direção para o futuro ficou clara. Apesar de a DOCSIS 2.0 não ter melhorado a velocidade downstream, a velocidade upstream triplicou, alcançando 30 Mbps. O lançamento da DOCSIS 3.0 em 2006 foi outro salto gigante. A tecnologia de união de canais ofereceu o tão esperado aumento das velocidades downstream, alcançando uma taxa impressionante de 1 Gbps, com velocidades upstream da ordem de 30 Mbps. O streaming de vídeo, a mídia social e o aumento da adoção do usuário continuaram a dar vida a este desafio. Para atender essa demanda crescente, a DOCSIS 3.1 levou essa tecnologia fundamental ao próximo patamar.

A versão mais recente, DOCSIS 3.1, elevou o nível mais uma vez com velocidades downstream de até 10 Gbps e upstream de até 2 Gbps, capacitando os provedores de serviço a oferecer serviços de internet da ordem de gigabits aos seus clientes. Velocidades nesse range eram possíveis anteriormente somente usando tecnologia de fibra óptica, portanto essa inovação com a tecnologia DOCSIS 3.1 proporcionou aos provedores de serviços a flexibilidade para manter as conexões coaxiais existentes nas casas sem afetar significativamente o desempenho.

A DOCSIS 3.1 incorporou vários avanços para tornar o cabo um participante viável no ambiente de altíssima velocidade. A implantação da 3.1 é compatível com versões anteriores, portanto os clientes que adiarem a opção por velocidades mais altas não precisam atualizar o modem. As melhorias geradas pela DOCSIS 3.1 merecem uma análise mais detalhada dos componentes básicos da DOCSIS e das oportunidades para velocidade, largura de banda e confiabilidade otimizadas que foram realizadas dentro do padrão.

Camada física
A camada física (PHY), como o nome sugere, refere-se aos elementos visíveis de hardware do sistema, incluindo o equipamento e a rede cabeada, bem como as frequências utilizadas para a transmissão. Utilizando portadoras no range de 25 a 50 kHz, milhares de sinais agora podem ocupar o mesmo cabo que anteriormente abrigava apenas alguns canais de televisão analógica. Esses sinais assumem a forma de subportadoras, disseminando o sinal em elementos discretos que são posteriormente recombinados pelo receptor, otimizando, assim, a densidade e a taxa de transferência.

OFDM
Para permitir que as portadoras menores trabalhassem, era necessário melhorar a tecnologia para minimizar ou eliminar a guard-banding ou o espaçamento entre os sinais. Na DOCSIS 3.1, isso foi possível graças à multiplexação por divisão de frequência ortogonal (OFDM). Essa tecnologia adota o conceito existente de união de canais, visto pela primeira vez na DOCSIS 3.0, e baseia-se no princípio da ortogonalidade matemática. Essencialmente, os sinais das subportadoras colocados lado a lado são transmitidos ortogonalmente uns aos outros, permitindo, assim, que o receptor decodifique de maneira precisa cada sinal. Esse conceito é graficamente equivalente ao pico de uma onda alinhada com o ponto baixo de uma onda adjacente da mesma frequência.

Correção antecipada de erros
A correção antecipada de erros (FEC) é uma técnica pela qual um receptor pode detectar erros em sinais redundantes e, em seguida, corrigi-los sem retransmissão. Um novo recurso da DOCSIS 3.1 é um método de FEC conhecido como verificação de paridade de baixa densidade (LDPC). Embora a FEC já estivesse presente nas versões anteriores da DOCSIS, as melhorias na codificação levaram a quase 100% de erros de codeword LDPC corrigíveis. Por sua vez, essa melhoria levou a uma maior resiliência ao ruído e a um nível de modulação mais elevado.

Range de frequência da DOCSIS 3.1
O range de frequência da DOCSIS 3.1 expandiu-se em estágios. Esse range geral amplo é um elemento importante para se alcançar velocidades excepcionais nos sentidos upstream e downstream. O range atual de frequência da 3.1 estende-se de 5 MHz a 1218 MHz, e o limite superior é de 1794 MHz. O limite de frequência superior da DOCSIS 3.0 era um pouco menor, de 1002 MHz. As larguras de banda de canal dentro do espectro da 3.1 podem atingir até 96 MHz upstream e 192 MHz downstream.

Quando a DOCSIS 3.0 foi lançada em 2006, a melhoria em relação à DOCSIS 2.0 foi significativa e oportuna. A essa altura, a quantidade de usuários e a largura de banda necessária das aplicações tinham aumentando consideravelmente. A DOCSIS 3.0 abordou essas questões por meio do aumento significativo de velocidade upstream e downstream, bem como na capacidade de oferecer suporte a endereços IPv6. Este último aspecto foi particularmente significativo no que diz respeito à crescente população de usuários, uma vez que o volume de endereços suportados pelo IPv4 estava atingindo suas limitações.

Talvez o recurso mais inovador e exclusivo da DOCSIS 3.0, agora explorado mais completamente com a DOCSIS 3.1, tenha sido o uso da união de canais. Isso permitiu que os modems a cabo combinassem vários canais de modulação de amplitude de quadratura (QAM) em grupos para enviar e receber dados. A tecnologia DOCSIS 3.0 uniu múltiplos canais de 6 MHz, multiplicando proporcionalmente a velocidade e a largura de banda.

O aprimoramento decorrente de cada nova revisão da DOCSIS é realmente notável, considerando-se que o cabo físico fundamental permaneceu inalterado ao longo do tempo. Embora a união de canais tenha tornado a DOCSIS 3.0 algo revolucionário, a DOCSIS 3.1 agora se destaca por meio do uso inovador da OFDM.

Usando esse conceito como um bloco de construção, os canais de 6 MHz foram agora substituídos por canais de 25 ou 50 kHz, que podem ser reunidos de forma ainda mais densa. A administração aprimorada de energia é outra mudança incluída na DOCSIS 3.1, que talvez seja um pouco menos conhecida. Um cabo de modem DOCSIS 3.1 agora pode utilizar um modo de repouso, permitindo, assim, períodos de desligamento inteligentemente medidos para maior eficiência.

Antes da DOCSIS 3.1, a fibra até a residência (FTTH) era a única opção disponível para consumidores que buscavam as maiores velocidades de transmissão de dados. Conforme as redes de fibra continuaram propagando-se entre a fonte e o usuário, a base de instalação da fibra e, por fim, a eliminação do cabo coaxial em favor da fibra pareciam ser o caminho escolhido pelo setor. DOCSIS 3.1 trouxe viabilidade continuada para conexões coaxiais domésticas tradicionais em um ambiente em que a alta velocidade se tornou imprescindível.

A arquitetura global, para a maioria dessas redes é o Hybrid Fiber Coax (HFC). Isso significa simplesmente alimentar a fibra nas vizinhanças, mantendo o cabeamento coaxial como fornecedor do “último quilômetro” entre o node óptico e o usuário. Em contrapartida, quando a FTTH é utilizada, as transições de coaxial para fibra deixam de ser necessárias.

Embora a instalação da FTTH e as atualizações da DOCSIS 3.1 requeiram um investimento significativo, ambas as opções oferecem desempenho excepcional. O equilíbrio correto entre fibra e cabo dependerá da condição e da idade do cabeamento coaxial existente, bem como dos requisitos de largura de banda dos usuários, juntamente com as considerações de custo. O tamanho compacto e a versatilidade da fibra podem facilitar a alimentação de redes coaxiais DOCSIS 3.1 com a máxima eficiência.

A DOCSIS 4.0 continua a evolução, apresentando direções de serviço simétricas em redes a cabo. Isso significa transmissão simultânea de 10 Gbps nas direções upstream e downstream no mesmo espectro. Nas versões anteriores da DOCSIS, a parte inferior do espectro havia sido dedicada ao upstream, enquanto a parte superior era dedicada ao downstream. O compartilhamento de espectro do Full Duplex é realizado com o uso de cancelamento da autointerferência e programação inteligente.

O aumento na capacidade upstream é o verdadeiro avanço do Full Duplex. Embora a DOCSIS 3.1 tenha tido êxito no acompanhamento das demandas dos usuários por streaming, jogos e outras aplicações de alta largura de banda, a próxima onda de inovação, juntamente com uma base de usuários crescente, exigirá capacidade upstream que se compare a encontrada na fibra.

A DOCSIS 3.1 Full Duplex continua a evolução, apresentando direções de serviço simétricas nas redes a cabo. Isso significa transmissão simultânea de 10 Gbps nas direções upstream e downstream no mesmo espectro. Nas versões anteriores da DOCSIS, a parte inferior do espectro havia sido dedicada ao upstream, enquanto a parte superior era dedicada ao downstream. O compartilhamento de espectro do Full Duplex é realizado com o uso de cancelamento da autointerferência e programação inteligente.
O aumento na capacidade upstream é o verdadeiro avanço do Full Duplex. Embora a DOCSIS 3.1 tenha tido êxito no acompanhamento das demandas dos usuários por streaming, jogos e outras aplicações de alta largura de banda, a próxima onda de inovação, juntamente com uma base de usuários crescente, exigirá capacidade upstream que se compare a encontrada na fibra.

Com o desenvolvimento do Full Duplex, o futuro da DOCSIS parece garantido nos próximos anos. Na verdade, os especialistas em telecomunicações sugerem que a DOCSIS 4.0, assim que concluída, poderá atingir velocidades downstream de até 60 Gbps, para um aumento de seis vezes em relação ao DOCSIS 3.1, utilizando até 6 GHz do espectro de cabos disponível. Com essas melhorias empolgantes no cenário, a vantagem da DOCSIS permanecerá ilimitada na próxima década.

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