Die Umstellung auf DOCSIS 3.1
Fünf Jahre nach Veröffentlichung der Spezifikation 3.0 wurde DOCSIS 3.1 verfügbar. Diese Technologie stellte eine massive Veränderung gegenüber der vorherigen Version von DOCSIS dar. Bis 3.0 war (und ist) die Modulationstechnik, die für Downstream-DOCSIS verwendet wird, SC-QAM (Single Carrier Quadrature Amplitude Modulation). Bei dieser Modulationstechnik wird ein Einzelträgersignal mittels Amplituden- und Phasenmodulation auf eine bestimmte Bandbreite moduliert. Die DOCSIS 3.0-Spezifikation moduliert das Trägersignal mit bis zu 256 QAM (Quadratur-Amplitudenmodulation) pro Kanal.
DOCSIS 3.1 nutzt neuere und fortschrittlichere Modulationsverfahren, die sogenannten Verfahren Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) und Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA). OFDM unterteilt die belegte Bandbreite in mehrere schmalbandige Unterkanäle im 
Gegensatz zu nur einem Breitbandkanal. OFDM besteht aus mehreren orthogonalen Unterträgern, die jeweils mit einer anderen Modulationsreihenfolge moduliert werden können. Auf diese Weise lässt sich die Bandbreite effizient nutzen, anstatt nur eine bestimmte Bandbreite für die Übertragung zu verwenden. Da die Unterträger orthogonal sind, können sie eng beieinander liegen, ohne dass Schutzbänder erforderlich sind. Dies führt zu einer effizienteren Nutzung der Bandbreite und zu höheren Datenraten sowie besserer Leistung bei anspruchsvollen Netzbedingungen. Wie die Bezeichnung Multiple Access (Mehrfachzugriff) schon sagt, ähnelt OFDMA dem OFDM-Verfahren, bei dem nur ein Kanal unterteilt wird. Bei OFDMA können diese Unterkanäle allerdings im Laufe der Zeit vielen Geräten und Frequenzen effizienter zugewiesen werden. Durch den Einsatz höherer und effizienterer Modulationsreihenfolgen wie 1k-QAM bis 4k-QAM anstelle von 256 QAM können Kabelanbieter mehr Bits pro Hertz unterbringen.
Diese Änderungen brachten massive Vorteile für das Protokoll. Dazu zählen:
- Einfache Anpassung an schwierige Kanalbedingungen
- Effiziente Nutzung des Spektrums, indem das Spektrum mit Mehrfachzugrifftechnologie durch mehrere Nutzer gemeinsam verwendet wird
- Reduzierung von Interferenzen
- Flexible Modulationsschemata
Gleichzeitig machte eine Änderung in dieser Größenordnung die Umsetzung deutlich komplizierter als frühere Spezifikationen. Die Umsetzung war (und ist) ein großes Unterfangen und geschah nicht über Nacht. Mehrere Systembetreiber (MSOs – Multiple System Operators) mussten ihre Hardware komplett umgestalten. Dies verursachte hohe Kosten für die Einführung neuer passiver und aktiver Kabelmodemabschlussgeräte (CMTS – Cable Modem Termination Systems). In einigen Fällen musste die Infrastruktur selbst umgestaltet werden. So war das 85-MHz-Band für den Upstream, das als "Mid-Split" bezeichnet wird, wesentlich unproblematischer, da die vorhandenen DOCSIS-3.0-Geräte dieselbe Bandbreite nutzen; das 204-MHz-Band, das als "High-Split" bezeichnet wird, erforderte jedoch Änderungen an der Ausstattung, einschließlich der Geräte beim Kunden. Außerdem war ein Netz-Upgrade erforderlich, um die Obergrenze des Downstream-Spektrums anzuheben. Dies stellte eine große Herausforderung dar, weil sowohl passive als auch aktive Geräte ausgetauscht werden mussten.
Netzwerkbandbreite und Kanalerweiterung
Da DOCSIS 3.1 eine Netzerweiterung sowohl im Upstream als auch im Downstream je nach Bedarf der Betreiber ermöglicht, besteht ein wichtiger Aspekt von DOCSIS 3.1 darin, dass es auf bestehenden HFC-Netzen funktioniert. Diese Netze können aktualisiert werden, um mehr Bandbreite zu ermöglichen, wie in der DOCSIS 3.1-Spezifikation beschrieben:
In Downstream-Richtung wird davon ausgegangen, dass das Kabelsystem ein Durchlassband mit einem unteren Frequenzrand von entweder 54 MHz, 87,5 MHz, 108 MHz oder 258 MHz besitzt sowie einen oberen Rand, der zwar implementierungsabhängig ist, aber typischerweise im Bereich von 550 bis 1002 MHz liegt. Werden Anlagen migriert, um die Netzkapazität zu erhöhen, sind obere Frequenzbereiche von 1218 MHz, 1794 MHz und anderen Werten zu erwarten.
In Upstream-Richtung kann das Kabelsystem über ein Durchlassband von 5-42 MHz, 5-65 MHz, 5-85 MHz, 5-117 , 5-204 oder Durchlassbänder aufweisen, deren oberer Bandrand 204 MHz überschreitet.
DOCSIS 4.0
Nach der Einführung von DOCSIS 3.1 forderten die Kunden weiterhin höhere Geschwindigkeiten und mehr Bandbreite. Bei DOCSIS ist die Nachfrage immer die Antriebskraft für die Technologie. Während also einige die Einführung von Multi-Gigabit-Diensten weiter vorantreiben werden, gibt es andere Vorteile der Breitbandkonnektivität. Dies sind namentlich das zuverlässige Netz und die geringe Latenz. Diese Vorteile veranlassen die DOCSIS-Branche, die Investitionen in HFC auszuweiten und den Weg zu 10G fortzusetzten. DOCSIS 3.1 besitzt eine feste Grenze für den Upstream, und der Markt zeigt, dass diese nicht hoch genug ist. Die Nutzung steigt jedes Jahr um 50 %. Demzufolge wird die maximale Kapazität für Upstream schnell überschritten werden. Außerdem beschränkt sich die Nachfrage nicht auf symmetrische Multi-Gigabit-Geschwindigkeiten über HFC-Netze. Darüber hinaus sind niedrige Latenzzeiten, konstanter Jitter und Zuverlässigkeit gefragt. Dies waren die Gründe für den Wechsel zu DOCSIS 4.0 und 10G, was den nächsten Schritt darstellt. 10G bietet höhere Geschwindigkeit, mehr Zuverlässigkeit und geringere Latenzzeiten.
Aktuell müssen die MSOs die Upstream-Geschwindigkeit und -Kapazität erhöhen, indem sie die Bandbreite sowohl in Downstream- als auch in Upstream-Richtung steigern. DOCSIS 4.0 besitzt ein breiteres Frequenzband für Upstream und Downstream bei 684 MHz. Dies bietet das notwendige Potenzial, um für Geschwindigkeiten von 10 Gbit/s in Downstream-Richtung und 7 Gbit/s in Upstream-Richtung zu sorgen.
Die Varianten von DOCSIS 4.0
Um diese Resultate zu erzielen, ist DOCSIS 4.0 in 2 unterschiedlichen Varianten verfügbar: FDD (Frequency Division Duplex) und FDX (Full Duplex DOCSIS)).
Der FDD-Modus ist im Wesentlichen eine Erweiterung von DOCSIS 3.1. Dieser Modus nutzt dieselbe Technologie. Er wird auch als ESD (Extended Spectrum DOCSIS) bezeichnet. Das bedeutet, dass er das reine Upstream-Spektrum und das reine Downstream-Spektrum unabhängig voneinander erweitert. Bei FDD werden 5 - 85 MHz für das alte Spektrum verwendet (wie bei der vorherigen Version), während sich das Upstream-Spektrum auf bis zu 684 MHz erweitern lässt. Somit verbleiben 108 - 684 MHz für das reine Upstream-Spektrum. Gleichzeitig werden vier neue Split-Optionen eingeführt: 300 MHz, 396 MHz, 492 MHz und 684 MHz. Darüber hinaus führt FDD eine Erweiterung des Downstream-Spektrums auf bis zu 1,8 GHz ein. Die MSOs können mehr Bandbreite und höhere Datenraten sowohl für den Upstream als auch für den Downstream anbieten, und zwar symmetrisch. 
Quelle: Data-Over-Cable Service Interface Specifications DOCSIS® 4.0 - CableLabs
Auf der anderen Seite handelt es sich bei FDX um eine neue Technologie, die bisher nicht eingesetzt wurde. Die FDX-Technologie verbessert die Kapazität, indem sie Netzgeräten die gleichzeitige Übertragung von Downstream- und Upstream-Kanälen im selben Spektrum von 108&nbps;- 684 MHz ermöglicht. Außerdem erstreckt sich das reine Downstream-Spektrum auf bis zu 1,2 GHz. Die gesteigerte Upstream-Kapazität bei FDX liegt innerhalb des gemeinsam genutzten Spektrums und ist flexibler und effizienter. Unterschiedliche Nutzer können das 108-684-Band für unterschiedliche Zwecke nutzen, ohne dass dies zu Problemen führt. Da Downstream- und Upstream-Übertragungen dasselbe Spektrum nutzen, ist eine neue Technologie zur Echounterdrückung erforderlich, um FDX Realität werden zu lassen. Dies betrifft das Kabelmodem (CM – Cable Modem), das jede Störung durch das gemeinsam genutzte Spektrum verhindern muss. Dies könnte wiederum die Komplexität von Geräten wie Knoten, Kabelmodems und Verstärkern erhöhen. Da die 3.1-Architektur und FDD nicht über dieses gemeinsam genutzte Spektrum verfügen, ist dies dort kein Problem.
Quelle: Data-Over-Cable Service Interface Specifications DOCSIS® 4.0 - CableLabs
MSOs können sich flexibel für eine Technologie entscheiden, mit der sie weitermachen wollen, sei es FDD oder FDX. Sie können jedoch nicht beide Technologien wählen. Der Grund hierfür ist, dass der Unterschied bei den Implementierungskonzepten und die erforderliche Ausstattung dies zu kostspielig machen. Es ist noch nicht entschieden, welcher Technologie der Vorzug gegeben wird, sodass CableLabs 4.0-Spezifikationen für beide Technologien entwickelt hat.
Einführung von Version 4.0
Die erste Version der 4.0-Spezifikation wurde im August 2019 veröffentlicht. Sie wurde mehrmals überarbeitet und wird auch weiterhin überarbeitet. Diese Spezifikation umfasst den Umfang des PHY-Layers, den Umfang des MAC-Layers sowie die Art und Weise, in der Systeme gemäß DOCSIS 4.0 miteinander kommunizieren müssen. Der PHY-Layer bezieht sich auf den physischen Layer des OSI-Modells (Open System Communication Model). Dieser Layer verwaltet Übertragungen auf Bit-Ebene zwischen Geräten und hilft dabei, die Kommunikation zu synchronisieren. Der MAC-Layer verfügt über die notwendigen Funktionen, um das Netz zu betreiben.
Weitere Informationen finden Sie beim 10G Showcase, der von CableLabs veranstaltet wurde.
Was die Verfügbarkeit von Bausteinen angeht, so gibt es viele Optionen, da sich nur wenige Chiphersteller auf DOCSIS 4.0 konzentrieren. Ausgehend von Nachrichten und Versuchen von MSOs gibt es Bausteine für FDX- und FDD-Geräte, einschließlich Remote PHY und Kabelmodems. Es wird berichtet, dass sowohl Broadcom als auch Maxilinear an der Entwicklung von Bausteinen für DOCSIS 4.0 arbeiten.
Die Herausforderungen bei 4.0
FDD und FDX so unterschiedlich sind, erfordert die Implementierung dieser Technologien auch sehr unterschiedliche Vorgehensweisen.
FDD ist im Wesentlichen eine Erweiterung von D3.1 und sollte sich einfacher implementieren lassen. Aufgrund der höheren Bandbreite muss die jeweilige Anlage jedoch vorbereitet werden. FDD nutzt das Spektrum von 1,2 GHz und 1,8 GHz, was den Austausch von aktiven und passiven Geräten wie Abhörgeräten und Verstärkern erfordert. Dies ist sehr komplex und kostspielig. Bisher erzielten Verstärker nur Werte bis 1 GHz. Das reicht für diese Erweiterung nicht aus. 2023 kamen jedoch die ersten neueren Verstärker auf den Markt, sodass eine Lösung in Aussicht steht.
FDX ist für die N+0-Topologie vorgesehen, bei der es sich ausschließlich um hausnahe Glasfasernetze handelt, die auch als "fiber-deep" bezeichnet werden. Das N steht für den englischen Begriff Node (Knoten) und die Zahl für die Anzahl der erforderlichen Verstärker. Der Wert Null bedeutet, dass kein Verstärker erforderlich ist. Sobald jedoch FDX-Verstärker auf den Markt kommen, erweist sich die N+0-Topologie sowohl als kostspielige Lösung als auch als ungeeignete Option für den Großteil der Kabelnetze. Ländliche Gebiete ohne die entsprechende Infrastruktur müssen in die Überlegungen einbezogen werden.
Tools und Strategien zum Erweitern der Netzbandbreite und der Kanäle
Die Planung und Umsetzung dieser erweiterten Bandbreiten wird naturgemäß neue Tools und Strategien erfordern. Zu den Komponenten, die zur Anpassung an das veränderte Frequenzspektrum eingesetzt werden müssen, zählen unter anderem:
- Ein Protokollanalysator, der das gesamte Frequenzband abdecken kann. Dies wird die Investitionen minimieren, wenn die Betreiber beginnen, die oberen Freqnezbänder zu nutzen.
- Downstream- und Upstream-Kanalkonfigurationen, die den Betrieb in den verschiedenen Bändern ermöglichen.
- Modulare Instrumente, die es ermöglichen, die Systemfunktionalität upzugraden und zu erweitern, wenn die Netze mit zusätzlichen Merkmalen und Funktionen weiterentwickelt werden, ohne die Hardware oder die Komponenten zu tauschen.
- Mehrere Systeme, die synchronisiert werden können, um eine erweiterte Abdeckung und Analyse des DOCSIS-Bandes zu ermöglichen.
DOCSIS 4.0 Test
Bevor ein CM (Kabelmodem) auf den Markt kommt, muss es gemäß den Abnahmeprüfverfahren (ATP) von CableLab für den PHY-Layer zertifiziert werden. Alle Geräte müssen eine Reihe von Tests zur Einhaltung der geltenden Spezifikation durchlaufen, um die Interoperabilität mit anderen zertifizierten Geräten nachzuweisen. Interoperable Geräte, die auf gemeinsamen Spezifikationen basieren, erleichtern die Auswahl für den Verbraucher, die erfolgreiche Einführung neuer Technologien und die Senkung der Kosten für MSOs und Verbraucher. Die MSOs müssen ihre Modems zur Zertifizierung an Kyrio schicken. Kyrio führt alle ATPs für die verschiedenen PHYs durch und vergleicht sie mit der Spezifikation.
Aus diesem Grund ist die Automatisierung der ATP von entscheidender Bedeutung. Die manuelle Durchführung dieser Tests würde Monate in Anspruch nehmen und kann weder Konsistenz noch Wiederholbarkeit garantieren. Ein automatisiertes Testsystem verkürzt die Testzeit exponentiell und liefert jedes Mal zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse. Unabhängig davon, wie oft die Tests durchgeführt werden, ergeben sich immer die gleichen Daten und die gleiche Genauigkeit.
Jupiter 310 wurde entwickelt, um die PHY ATPs für DOCSIS 3.0, 3.1 und 4.0 automatisch durchzuführen. Chipsatzhersteller auf der ganzen Welt nutzen dieses Instrument, um die Zertifizierung bei Kyrio sicherzustellen. Es ist enorm wichtig, dass alle Tests bestanden werden, denn je öfter ein CM zur Zertifizierung eingeschickt wird, desto teurer und zeitaufwändiger kann es werden. Um Misserfolge bei den Prüfungen zu vermeiden, halten die Unternehmen ihren eigenen J310 vor Ort bereit, um eine Vorqualifizierung durchzuführen und etwaige Unstimmigkeiten in Bezug auf das Abnahmeprüfverfahren zu beheben, bevor sie ihr Produkt an Kyrio senden. Darüber hinaus können die Unternehmen die für die Rückverfolgbarkeit erforderliche Dokumentation schnell erstellen.
DOCSIS-Protokollanalyse
Grundlegend können Netzbetreiber eine Protokollanalyse durchführen, die häufig auch als "Packet Sniffing" bezeichnet wird. Mithilfe dieser Analyse lassen sich Pakete erfassen und in ihre Bestandteile zerlegen, um insbesondere Kommunikationsprobleme zu beheben. Hierbei handelt es sich um das traditionelle Anwendungsfeld für Protokollanalysatoren. Die Analysatoren bieten jedoch deutlich mehr Anwendungsfelder als Packet Sniffing. So können sie beispielsweise in vielen Bereichen des Netzmanagements überraschend hilfreich sein, um lokale Netzwerke und Internetverbindungen zu analysieren, zu debuggen, zu warten und zu überwachen.
Indem Protokollanalysatoren Statistiken zum Datenverkehr im Netz bereitstellen, können sie MSOs auf wertvolle Weise dabei unterstützen, Trends zu ermitteln, die zu weiteren Netzproblemen führen können. Da diese Tools vielseitig einsetzbar sind, können sie von einer Vielzahl von Personen genutzt werden, die für das Netz verantwortlich sind, oder von allen Personen, die ein besseres Verständnis für Probleme beim Datenverkehr entwickeln müssen. Ein Protokollanalysator kann für unterschiedlichste Szenarien genutzt werden. Dazu zählen:
- Fehlerbehebung bei Ausfällen oder Dienstunterbrechungen in Echtzeit
- Analyse ungewöhnlichen Netzverhaltens
- Erstellung von Echtzeitstatistiken oder historischen Statistiken, um den Zustand von Links im Laufe der Zeit zu beobachten
- Labortests und Validierung
In den letzten Jahrzehnten haben sich Protokollanalysetools als effektive Lösungen für die Fehlersuche und die Behebung von Netzproblemen erwiesen. Angesichts der sich ändernden Netzstruktur müssen Protokollanalysatoren flexibel, upgrade-fähig und erweiterbar sein, um mit sich entwickelnden Protokollstandards wie DOCSIS 4.0 Schritt halten zu können. Außerdem müssen sie rückwärtskompatibel bleiben. Die nicht-intrusive Netzwerksondierung eines Protokollanalysators in Kombination mit seiner Fähigkeit, RF-Messungen vorzunehmen und Kommunikationsanalysen auf MAC-Ebene durchzuführen, kann diese zusätzliche Überwachungsebene bieten. Zu den wichtigen Funktionen eines Protokollanalysators zählen: 
- Validieren der Kommunikation auf MAC-Ebene inklusive:
- Überprüfen, ob eine Nachricht von einem CMTS oder CM richtig formatiert ist.
- Überprüfen, ob einige Transaktionen zwischen dem CMTS und dem CM (z. B. REQ/RSP/ACK-Mechanismen) unter normalen Bedingungen korrekt ablaufen.
- Überprüfen, wie das CMTS oder CM auf bestimmte Ereignisse reagiert, indem der Inhalt der resultierenden MAC-Nachrichten analysiert wird.
- Demodulieren in Echtzeit. Dazu zählen u. a. folgende Applikationen:
- Demodulieren und Anzeigen des OFDM-Kanaldeskriptors (OCD) in Echtzeit, um nützliche Informationen zur Fehlersuche in einem CMTS zu erhalten und zu verstehen, warum das CM nicht sperrt.
- Bereitstellen zusätzlicher Überwachungsfunktionen, indem der Betreiber die Möglichkeit erhält, Alarme und Schwellenwertwarnungen zu aktivieren.
- Trigger-Funktionen:
- Ein Erfassungstrigger, der für bestimmte Nachrichtentypen oder eine Ziel-Quellenadresse (MAC) konfiguriert werden kann.
- Ein Hardware-Trigger, der für bestimmte Arten von Nachrichten konfiguriert werden kann. Mit dieser Option können andere Geräte und Komponenten – wie ein Spektrumanalysator oder sogar die Integration in eine kundenspezifische Lösung – die DOCSIS-Testszenarien und Möglichkeiten erweitern.
- Aufnahmefunktionen für Kommunikationspakete.
- Unterstützung für mehrere Protokollstandards.
Dieser neue DOCSIS-Standard bringt eine Reihe komplexer Herausforderungen mit sich. Daher müssen die Protokollanalysetools der nächsten Generation flexibel genug sein, um den bestehenden DOCSIS-Standard, die strengen Anforderungen des neuen DOCSIS-Standards und dessen Weiterentwicklung zu bewältigen. Derartige Tools ermöglichen es den Betreibern, mit vielen praktischen und nützlichen Methoden – sowohl in Echtzeit als auch offline - ihre Netze effizient zu überwachen und zu analysieren sowie Netzfehler zu beheben.
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