Ursprünglich war DOCSIS ein standardisiertes Verfahren zur Bereitstellung des Kabelinternetzugangs über eine hybride Glasfaser-Koaxial-TV-Kabelinfrastruktur. Damals waren die Datenübertragung von Internetdaten noch ein Nebenprodukt des Kabelfernsehens. Doch in der heutigen Zeit des Streaming hat sich der Internetanteil in vielen Märkten durchgesetzt. Durch diese Entwicklung haben sich natürlich auch die Anforderungen an die Infrastruktur verändert.

Zu Beginn der 1990er Jahre waren Internetanschlüsse für die breite Öffentlichkeit noch eine Seltenheit und wurden hauptsächlich über Akustikkoppler und die ersten Telefonmodems hergestellt. Erst in der Folgezeit begannen einige Fernsehkabelanbieter, eigene Kabelmodems anzubieten. Da die Nachfrage schnell wuchs, schlossen sich einige Infrastrukturanbieter, Content-Provider und Hardware-Hersteller zusammen, um die Bauelemente der Infrastruktur zu standardisieren. Das Ergebnis war die Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS), die in Version 1.0 im Jahr 1997 auf den Markt kam. Die Spezifikation wurde schnell zu einem ITU-T Standard (ITU Telecommunication Standardization Sector). Im Jahr 2017 veröffentlichte das Standardisierungsgremium die Version 4.0, mit der im Downstream maximal 10 Gbit/s und im Upstream 6 Gbit/s möglich wurden. Da das europäische Kabelfernsehen den PAL/DVB-C-Standards mit einer HF-Kanal-Bandbreite von 8 MHz und das nordamerikanische Kabelfernsehen den NTSC/ATSC-Standards mit 6 MHz pro Kanal entspricht, wurde bis zur Version 3.1 eine Modifikation des Standards mit der Bezeichnung EuroDOCSIS verwendet.

DOCSIS als Teil des Netzwerks

Dieser Standard bietet viele unterschiedliche Optionen, die auf den OSI-Schichten 1 und 2 – der physikalischen und der Datenübertragungsschicht – zur Verfügung stehen. DOCSIS-Modems werden über eine Internetprotokoll-Adresse (IP) verwaltet, seit Version 3.0 wird IPv6 verwendet.

Schicht 1

• Modulation:
  • Upstream: Upstream-Daten verwenden QPSK oder 16-Level-QAM (16-QAM) für DOCSIS 1.x, während QPSK, 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM und 64-QAM für DOCSIS 2.0 und 3.0 verwendet werden. DOCSIS 2.0 und 3.0 unterstützen auch 128-QAM mit trellis-codierter Modulation im S-CDMA-Modus (mit einer effektiven spektralen Effizienz, die der von 64-QAM entspricht). DOCSIS 3.1 unterstützt Datenmodulationen von QPSK bis hin zu 1024-QAM, mit optionaler Unterstützung für 2048-QAM und 4096-QAM.
  • Downstream: In allen DOCSIS-Versionen vor 3.1 ist festgelegt, dass für die Modulation der Downstream-Daten 64- oder 256-stufiges QAM (64-QAM oder 256-QAM) verwendet wird, wobei für den Betrieb auf 6-MHz-Kanälen der ITU-T-Standard J.83-Annex B und für den Betrieb auf 8-MHz-Kanälen (EuroDOCSIS) der DVB-C-Modulationsstandard verwendet wird. DOCSIS 3.1 unterstützt zusätzlich 16-QAM, 128-QAM, 512-QAM, 1024-QAM, 2048-QAM und 4096-QAM sowie optional 8192-QAM/16384-QAM.

• Bandbreite der Kanäle:
  • Upstream: DOCSIS 1.0/1.1 legt Kanalbreiten zwischen 200 kHz und 3,2 MHz fest. DOCSIS 2.0 & 3.0 spezifizieren 6,4 MHz, können aber zwecks Rückwärtskompatibilität auch die früheren, schmäleren Kanalbreiten verwenden. DOCSIS 3.1 verwendet Kanalbandbreiten von bis zu 96 MHz im Upstream.
  • Downstream: Alle DOCSIS-Versionen vor 3.1 verwenden entweder 6-MHz-Kanäle (z. B. in Nordamerika) oder 8-MHz-Kanäle („EuroDOCSIS“). DOCSIS 3.1 verwendet Kanalbandbreiten von bis zu 192 MHz im Downstream.

Schicht 2

• Bei DOCSIS kommt eine Mischung aus deterministischen Zugriffsmethoden für Upstream-Übertragungen zum Einsatz, insbesondere Time-Division Multiple Access (TDMA) für DOCSIS 1.0/1.1 und sowohl TDMA als auch S-CDMA für DOCSIS 2.0 und 3.0, wobei bei Bandbreitenanforderungen nur in begrenztem Umfang Schichtung eingesetzt wird. Daher treten bei DOCSIS-Systemen relativ wenige Kollisionen auf, im Gegensatz zu dem rein schichtbasierten MAC CSMA/CD, der in älteren Ethernet-Systemen verwendet wird.
• Bei DOCSIS 1.1 und höher umfasst die Datenschicht auch umfangreiche Merkmale zur Dienstqualität (QoS), die zur effizienten Unterstützung von Applikationen beitragen, die besondere Anforderungen an den Datenverkehr stellen, wie z. B. geringe Latenzzeiten bei Voice-over-IP.
• DOCSIS 3.0 bietet mit dem Channel Bonding die Möglichkeit, dass mehrere Downstream- und Upstream-Kanäle gleichzeitig von einem einzigen Teilnehmer genutzt werden können.

Netzwerkarchitektur

Eine DOCSIS-Architektur umfasst zwei Hauptelemente: ein Kabelmodem, das sich beim Kunden befindet, und ein Kabelmodem-Anschluss-System (CMTS), das sich an der CATV-Kopfstation befindet. Kabelsysteme, die On-Demand-Programme unterstützen, verwenden ein hybrides Glasfaser-Koaxial-System. Über Glasfaserleitungen werden digitale Signale zu den optischen Knotenpunkten des Systems geleitet, wo sie in HF-Kanäle und Modemsignale auf koaxialen Hauptleitungen umgewandelt werden.

Der Kunden-PC und die zugehörigen Peripheriegeräte werden als Teilnehmer-Endgerät (Customer Premises Equipment, CPE) bezeichnet. Das CPE ist mit dem Kabelmodem verbunden, das wiederum über das HFC-Netzwerk (Hybrid Fibre-Coaxial, Glasfaser- und Koaxialkabel, die in einem Netzwerk koexistieren) mit dem CMTS verbunden ist. Das CMTS leitet dann den Datenverkehr zwischen dem HFC und dem Internet weiter. Mit Hilfe von Bereitstellungssystemen und über das CMTS steuert der Kabelnetzbetreiber die Konfiguration des Kabelmodems.

Die Signale können zwar einen sehr weiten Weg ohne große Verluste zurücklegen, müssen aber an einem bestimmten Punkt verstärkt werden. Qorvo unterstützt die DOCSIS 4.0-Infrastruktur mit einem breiten Produktportfolio, das bei Mouser Electronics erhältlich ist. Dieses umfasst LNAs, Pre-Driver-Gain-Blöcke, Push-Pull-Treiber, Hochleistungsverdoppler und alle aktiven HF-Blöcke innerhalb des optischen Knotens. Darüber hinaus gibt es Rückkanal-Lösungen, die von 5 MHz bis 700 MHz arbeiten, und eine wachsende Anzahl von Steuerungen, darunter 75-Ohm-Absorptions-/Reflexionsschalter, störungsfreie digitale Schritt-Dämpfungsglieder, spannungsgesteuerte Dämpfungsglieder und spannungsvariable Equalizer.

Das Hybrid-Leistungsverdoppler-Verstärkermodul QPA3314 arbeitet von 45 MHz bis 1,794 GHz und kombiniert sehr hohe Linearität und gute Rückflussdämpfung mit geringem Rauschen und hoher Zuverlässigkeit. Das QPA3314 ist das Herzstück des DOCSIS 4.0 1,8 GHz-Knotens und -Verstärkers. Der QPA3314 bietet eine Verstärkung von 23 dB und arbeitet mit maximal 530 mA und 24 VDC. Mit einem zusätzlichen Pin am Modulgehäuse kann der Gleichstrom extern eingestellt werden, um ein optimales Verhältnis zwischen Verzerrung und Leistungsaufnahme über verschiedene Ausgangsleistungen zu erreichen.           

Eine andere Lösung ist der Single-Ended-HF-Verstärker IC QPL7420. Dabei handelt es sich um einen GaAs-pHEMT-LNA mit 20 dB flachem Gain und geringem Rauschen. Dieser IC ist für Applikationen im Upstream von 5 MHz bis 684 MHz und im Downstream von 47 MHz bis 1794 MHz unter Verwendung einer einfachen Versorgungsspannung konzipiert und kann je nach Linearitätsanforderungen von 5 V bis 8 V eingesetzt werden. Der QPL7420 ist rauscharm und bietet geringe Verzerrung hohe Verstärkung. Das 3 mm2 QFN Gehäuse ist platzsparend und erleichtert die Anordnung in Set-Top-Boxen, sowie Infrastrukturprojekten für 75Ω CATV und Satellitenapplikationen.

Ausblick

Das traditionelle Fernsehen ist zwar auf dem Rückzug, aber die bestehende Kabel-Infrastruktur wird für die Anforderungen des Breitband-Internets mit steigenden Datenraten aufgerüstet. Mit neuen Halbleiter-Lösungen ist es möglich, modernste Technologien einzusetzen und die DOCSIS-Versionen aufzurüsten.