Conceptul DOCSIS

Conceptul DOCSIS

1 Stream-urile

1.1 Upstream

1.1.1 Conceptul Upstream

1.1.2 Formatul datelor Upstream

1.2 Downstream

1.2.1 Conceptul Downstream

1.2.2 Formatul datelor Downstream

2 DOCSIS

2.1 DOCSIS - Prezentare generala

2.2 Nivelurile definite de standardul DOCSIS

2.3 Semnale DOCSIS ale modemului de cablu

2.4 Standardele DVB/DAVIC si MCNS/DOCSIS

2.5 Avantaje DOCSIS

1 Stream-urile

Cand o companie de cablu ofera acces la internet prin cablu TV, informatiile de internet pot folosi acelasi cablu datorita faptului ca sistemul CM aloca datele downstream, datele trimise dinspre internet spre calculatoare, pe un canal de 6 MHz. Pe cablu datele seamana cu un canal TV. Astfel datele downstream ocupa acelassi spatiu pe cablu ca si un canal TV. Datele upstream, informatii de la utilizatori spre internet necesita chiar mai putina lungime de banda pe cablu (doar 2 Mhz), datorita faptului ca majoritatea utilizatorilor downloadeaza mai multe informatii decat uploadeaza. [www 04]

Datorita datelor upstream si downstream sistemul de televiziune prin cablu necesita 2 tipuri de echipament: Modemul de cablu la utilizator si CMTS-ul la terminatia distribuitorului de cablu. Intre aceste doua tipuri de echipament toata reteaua de calculatoare, securitatea si managementul accesului la internet, se afla sub control.

1.1 Upstream

1.1.1 Conceptul Upstream

-Frecventa:5-65 MHz(5-42 MHz)

-Lungimea de banda:2 MHz

-Modularea QPSK sau 16-QAM

-Rata datelor 3 Mbit/s (~400 Kb/s)

-Transmiterea in timeslot a bursts-urilor de date(TDM)

Upstream este termenul folosit pentru semnalul transmis de modemul de cablu. Mai multe modemuri pot transmite pe aceeasi frecventa.

Frecventa tipica este 5-65 MHz sau 5-42 MHz. Lungimea de banda a unui canal poate fi de 2 MHz sau 3 Mbit/s QPSK.

Formele modularii sunt QPSK(2 biti/symbol) si 16-QAM(4 biti/symbol), ultima fiind mai rapida dar si mult mai sensibila.

Un downstream este de obicei imperecheat cu un numar de canale upstream pentru a putea dobandi o balanta a datelor pe lungimea de banda ceruta.

Fiecare modem transmite bursts-uri in timeslot-uri care pot fi marcate sau rezervate.

Slot-uri rezervate

Un slot rezervat este un slot de timp care este este rezervat la un modem de cablu specific. Nici unui alt modem de cablu nu-i este permis sa transmita in acel slot de timp.

CMTS-ul(Head-End-ul) aloca slot-urile de timp la diferite modemuri de cablu printr-un algoritm al lungimii de banda.

Slot-urile rezervate sunt de obicei folosite pentru transmisii lungi de date.

Slot-urile accesibile:

Slot-urile de timp marcate ca accesibile slot-uri, ofera posibilitatea de a transmite tuturor modemurilor de cablu. Daca doua modemuri de cablu se hotarasc sa transmita in acelas slot de timp, pachetele se intercaleaza si datele se pierd. CMTS-ul va semnala atunci ca nici o data nu a fost primita astfel incat modemurile de cablu sa incerce din nou in alt timp (aleator).

Slot-urile accesibile sunt de obicei folosite pentru o transmisie scurta de date.

Slot-urile de gradare:

Datorita distantei fizice dintre CMTS si modemul de cablu intarzierea variaza foarte mult si poate fi de rangul milisecundelor. Pentru a compensa acest lucru toate modemurile de cablu "angajeaza" un protocol "de gradare" care efectiv misca inainte sau inapoi "ceasul" individual al CM-ului pentru a compensa aceasta intarziere.

Pentru a realiza aceasta, un numar de slot-uri de timp consecutive (de obicei 3) sunt asezate alaturat. Modemul de cablu este programat sa incerce sa transmita ceasului local sa faca o corectura, avand o valoare pozitiva sau negativa.

Alt scop al slotului de gradare este sa faca toate modemurile de cablu sa transmita la un nivel al puterii astfel incat informatiile sa soseasca la CMTS la acelasi nivel. Acest lucru este esential pentru detectarea coliziunilor dar si pentru obtinerea performantei optime a demodulatorului upstream din CMTS. Variatia atenuanta de la modemul de cablu la CMTS poate atinge mai mult de 15 dB. [Cic 00],[www 01]

1.1.2 Formatul datelor Upstream

-Corectarea Reed-Solomon a erorilor;

-18 sloturi de timp pe 3 ms(DVB/DAVIC);

-Sloturi de timp rezervate pentru date mai lungi;

-Sloturi accesibile pentru date mai mici(initiere);

-Sloturile de gradare: 3 ;

Datele Upstream sunt aranjate in burst-uri scurte. Standardele DVB/DAVIC necesita o lungime fixa a burst-ului, iar standardele MCNS o lungime variabila a acestora.

Pentru DVB/DAVIC exista un cuvant unic reprezentat pe 32 de biti de date. Fara cuvantul unic demodulatorul ar putea usor sa inceapa demodularea diferitelor semnale perturbate(zgomote). Astfel ar fi toate ocupate la sosirea datelor reale. De asemenea cuvantul unic distribuie resincronizarea la fiecare burst. Daca cele 2 semnale sunt la fel de puternice, CMTS-ul va stii ca a avut loc o coliziune.

Caracteristici:

-Compensarea diferitelor intarzieri pe cablu. Dimensiunea retelei CATV implica intarzieri mari de rangul milisecundelor.

-Alocarea frecventelor la modemurile de cablu. Modemul de cablu primeste informatia de la Downstream si strange informatii despre unde si cum sa raspunda.

-Aloca slot-urile de timp pentru Upstream.

1.2 Downstream

1.2.1 Conceptul Downstream

-Frecventa este 65-850 MHz;

-Lungimea de banda 6 MHz(USA) sau 8 MHz(Europa);

-Modularea 64-QAM(sau 256-QAM);

-Rata de transfer a datelor:27-56 Mbit/s (4-7 Mbyte/s);

-Un stream continuu al datelor;

-Este primit de toate modemurile;

Downstream este termenul folosit pentru semnalul receptionat de modemul de cablu. Caracteristicile electrice sunt aratate in tabelul de mai jos. A se nota ca cele mai multe retele CATV din Europa au o lungime de banda a canalelor TV de 8 MHz, pe cand retelele CATV din USA au doar 6 MHz.

Sirul transferului de date depinde de modularea si de lungimea de banda in felul urmator:

Nota: Un transfer al simbolului de 6.9Msym/s este folosit pe o lungime de banda de 8 MHz si 5.2Msym/s pe o lungime de 6 MHz, in calculele anterioare. Sirul ratei-bit este cumva mai mare decat rata efectiva a datelor din cauza corectarii erorilor, a framing-ului si a altor over-head-uri.

Din moment ce datele downstream sunt receptionate de toate modemurile de cablu lungimea totala de banda este impartita de catre toate modemurile active din sistem. Aceasta este similara cu un Ethernet numai ca lungimea de banda pierduta de Ethernet este mult mai mare. Fiecare modem de cablu filtreaza datele necesare din stream-ul datelor. [Cic 00] ,[www 01]

1.2.2 Formatul datelor Downstream

-Corectarea Reed-Solomon a erorilor;

-Corecteaza 6 erori in 204 bytes;

-Mesaje MAC;

-Celule ATM(DVB/DAVIC);

-Date adresate unuia, mai multor sau tuturor modemurilor de cable;

Datele Downstream sunt in concordanta cu specificatia MPEG-TS. Acesta are un format bloc simplu 188/204 bytes la inceputul fiecarui bloc avand un singur bit sync fixat. Algoritmul de corectare a erorilor Reed-Solomon reduce marimea blocului de la 204 bytes la 188 bytes, lasand 187 de bytes pentru MPEG.

2 DOCSIS

2.1 DOCSIS - Prezentare generala

DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) defineste necesitatea unei interfete a modemului de cablu ce este implicat in distributia datelor la o viteza ridicata prin sistemele retelelor de cablu TV. Acest proiect asigura echipamentele modemului de cablu suplimentat cu viteza superioara.

Beneficiile operatorilor de cablu:

. Operatorii de cablu pot distribui o multitudine de servicii avand o valoare ridicata printr-o conexiune la internet "permanenta", inclusiv telefonie, jocuri interactive, video-conferinte, etc. Produsele DOCSIS sunt standarde dar variante imbunatatite se pot vinde la preturi mult ridicate.

. Consumatorii au astfel posibilitatea sa obtina conectari la internet la un pret foarte mic si intr-un timp foarte scurt. [www 02]

2.2 Nivelurile definite de standardul DOCSIS

Specificatiile interfetei DOCSIS au permis dezvoltarea sistemelor de transmisie de date prin cablu pentru transferul transparent bidirectional al traficului IP (Internet Protocol) intre terminalul principal si abonati prin intermediul cablului coaxial.

Sistemul este format dintr-un CMTS aflat la terminalul principal, un mediu coaxial sau HFC, si un modem de cablu aflat la abonat compatibil cu DOCSIS -niveluri definite care suporta interoperabilitatea si evolutia capabilitatii caracteristicilor de a permite viitoare servicii.

Nivelurile definite de DOCSIS sunt urmatoarele:

- nivelul de retea IP;

- nivelul legatura de date care include:

- nivelul controlului logic al legaturii conform cu standardul Ethernet;

-nivelul securitatii legaturii pentru confidentialitate, autorizare si identificare;

- nivelul MAC (Media Access Control) pentru operatii care suporta unitati de protocol de date (Protocol Data Units - PDU) cu lungimi variabile si urmatoarele caracteristici:

. controlul continutului si al transmisiei CMTS-ului;

. unitate de minisloturi catre upstream;

. eficienta largimii de banda de-a lungul pachetelor de lungime variabila;

. extensie pentru viitorul suport ATM (Asynchronous Transfer Mode - mod de transfer asincron) sau alte tipuri de PDU.

- nivelul fizic care include:

convergenta nivelului downstream conform MPEG-2;

subnivelul PMD (Physical Media Dependent) pentru: downstream bazat pe ITU-T anexa B cu 64 sau 256 modulatie cuadratica in amplitudine (Quadrature amplitude modulation - QAM), concatenarea corectiei de erori (forward error correction - FEC) Reed-Solomon si Trellis;

Nivelul fizic DOCSIS permite o flexibilitate considerabila pentru a asigura o calitate buna a transmisiei care poate fi atinsa prin retelele de cablu de calitate diferita. [Cic 00]

2.3 Semnale DOCSIS ale modemului de cablu

Aceasta sectiune contine informatii despre caracteristicile electrice ale semnalelor downstream si upstreamdin sistemele CM definite de DAVIC si DOCSIS.

QPSK(Quaternary Phase Shift Keying): Datele ce trebuiesc transmise sunt grupate in blocuri de 2 biti care pot avea 4 valori diferite(00 01 10 11). Aceste blocuri sunt transmise prin impartirea fazei in 4 stari. Astfel rata semnalelor este jumatate din rata transmisiei.

16-QAM (16-level Quadrature Amplitude Modulation): Datele ce trebuiesc transmise sunt grupate in blocuri de cate 4 biti care pot avea 16 valori diferite. Atat faza cat si amplitudianea transmiterii poate lua oricare dintre aceste valori. Rata semnalelor este astfel un sfert din rata transmisiei.

64-QAM (64-level Quadrature Amplitude Modulation): Datele care trebuiesc transmise sunt grupate in blocuri de cate 6 biti care pot avea 64 de valori diferite. Atat faza cat si amplitudinea pot lua una dintre aceste valori. Rata semnalelor reprezinta o sesime din rata transmisiei.

256-QAM (256-level Quadrature Amplitude Modulation): Datele care trebuiesc transmise sunt grupate in blocuri de cate 8 biti care pot avea 256 de valori diferite. Atat faza cat si amplitudinea pot lua una dintre aceste valori. Rata semnalelor reprezinta o optime din rata transmisiei. [Ghe 03 ]

Caracteristici:

Urmatoarele caracteristici reprezinta o mica parte din descrierea completa a unui semnal DOCSIS. Vor fi prezentate doar acele caracteristici care au o directa legatura cu sistemul de calcul al lungimii de banda sau a nivelelor semnalului.

Lungimile de banda si ratele de transmisie Upstream:

Lungimile de banda si ratele de transmisie Downstream:

Rata transmisiei reprezinta rata la care binary digits sunt transportati. Rata transmiterii informatiei utile totdeauna va fi mai mica decat aceste masuratori deoarece exista pe semnal biti overhead. Acestia reprezinta pentru Downstream aproximativ 10% iar pentru Upstream 15%.

2.4 Standardele DVB/DAVIC si MCNS/DOCSIS

DVB si DAVIC

DVB (the Digital Video Broadcasting Project), este o organizatie constituita pentru dezvoltarea globala a standardelor televiziunii digitale. Aceasta organizatie a fost implicata in mod activ in dezvoltarea standardelor specifice transmiterii audio, video si transmiterea datelor prin cablu.

DAVIC (Digital Audio Visual Council) este o organizatie creata in vederea dezvoltarii standardelor transmiterii interactive a datelor prin modemuri de cablu si set-top boxes. La fel ca si DVB, aceasta organizatie a lucrat la aceste standarde ani la rand.

Aceste standarde au fost adoptate cu succes de corporatii internationale majore si asigura transmiterea interactiva a servicilor prin set-top boxes la fel ca si transmiterea datelor la o viteza mareprin modemuri de cablu.

MCNS si DOCSIS

MCNS, este un consortiu predominand in operatori de servicii prin cablu nord-americani . A fost creat pentru dezvoltarea unor standarde rapide si sigure de transmitere a datelor prin retele de cablu. In America de Nord standardele DOCSIS/MCNS au fost dezvoltate pentru o precizie mai mare a operatiilor pe cablu. Ca si rezultat au aparut standarde si produse potrivite pentru transmiterea datelor prin modemurile de cablu (Ex: Traficul IP mai exact). Cu toate acestea recent s-a constatat ca multi utilizatori folosesc si standardele DAVIC.

Este important pentru un dispozitiv de receptie sa fie flexibil si sa suporte receptii simultane de date si video. DAVIC suporta acest mecanism prin folosirea uni canal "iesit din banda'. Astfel se permite utilizatorilor sa foloseasca serviciile de internet fara a se afecta partea video. De exemplu, folosind un canal "iesit din banda'     DAVIC asigura o cale prin care clientul receptioneaza separat transmisia video si cea a datelor.

Pentru obtinrea acelorasi rezultate folosind DOCSIS, producatorii set-top boxes trebuie sa instaleze doua demodulatoare QAM fara o suplimentare a costurilor.

In cazul aplicatiilor asupra modemului de cablu, costul si arhitectura modemurilor de cablu DVB-DAVIC cat si a modemurilor de cablu DOCSIS sunt echivalente.

Diferente tehnice:

Cele doua standarde DVB/DAVIC si DOCSIS/MCNS utilizate in distributia datelor spre Set-Top Box-uri sau a modemurilor de cablu difera prin eficienta lor si anume, daca pentru Set-Top Box-uri o eficienta mai mare o are DVB/DAVIC , pentru sistemele cu modem de cablu PC mai puternic este DOCSIS/MCNS.     Iata si cateva aspecte de ordin tehnic ce fac diferenta intre cele 2 standarde:

Modularea Downstream

DVB/DAVIC

. QPSK (pentru canale "iesite din banda");

. 16, 64, si 256 QAM (MPEG-2 transport) pentru canalele din banda;

DOCSIS

. 64 si 256 QAM (MPEG-2 transport);

Modularea Upstream

DVB/DAVIC

. QPSK

DOCSIS

. QPSK si 16 QAM

Moduri de acces:

. DVB/DAVIC suporta rezervarea si fixarea ratei de acces pe un bit pe acelasi canal;

. DOCSIS nu suporta fixarea ratei de acces pe un bit;

Capacitati de fragmentare

. DVB/DAVIC suporta lungimi de fragmentare variabile ce permit o flexibilitate ridicata pentru a suporta diferite calitati ale serviciilor;

. DOCSIS nu suporta un mecanism de fragmentare, ajungandu-se astfel la probleme cand transmisiile vocale sau serviciile cu intarziere sensibila sunt transportate impreuna cu datele pe acelasi canal upstream.

Concluzii

Ambele standarde pot fi folosite pentru comunicarea bi-directionala a traficului IP fie spre set-top box-uri fie spre modemuri de cablu. Pentru canalele downstream "iesite din banda" DVB este superior, atata vreme cat DOCSIS nu are definita o solutie pentru acest spatiu. Pentru modemuri de cablu si pentru canale de date QAM spre set-top box-uri cele doua standarde sunt echivalente la nivel tehnic. Alegerea DVB/DOCSIS se face in functie de factori ca: disponibilitate, factori economici, etc.

2.5 Avantaje DOCSIS

. banda de up-stream de pana la 30Mbs si banda de down-stream de pana la 40Mbs. Aceasta inseamna in primul rand trafic foarte mare in ambele sensuri (internet-abonat, abonat-internet), fapt care permite realizarea unor servicii de banda larga de mare viteza (conferinta audio-video, telefonie, internet de mare viteza).

. folosindu-se tehnologia DOCSIS scade si influenta zgomotului si perturbatiilor din retea asupra datelor transportate intre terminale, fapt care permite legarea rapida a echipamentelor CMTS- modemuri de cablu.

Calitatea echipamentelor este cea mai buna de pe piata in domeniu, cei mai mari operatori de cablu din lume trecand foarte repede la aceasta tehnologie capabila, si fara indoiala, de mare perspectiva.