Andres Keller Datenübertragung im Kabelnetz

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1 Andres Keller Datenübertragung im Kabelnetz

2 Andres Keller Datenübertragung im Kabelnetz DOCSIS über Hybrid-Fibre-Coax Korrigierter Nachdruck 13

3 Andres Keller Cablecom GmbH Zollstr Zürich Switzerland Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Springer Berlin Heidelberg New York ISBN Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. din, vdi, vde) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Einbandgestaltung: Struve & Partner, Heidelberg Satz: Digitale Daten des Autors Herstellung: medionet AG, Berlin Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/

4 Vorwort DOCSIS ist ein sehr komplexes, vollständig auf die Besonderheiten des Kabelnetzes ausgerichtetes Übertragungsverfahren. Die Entwicklung von DOCSIS ist von den CableLabs 1 initiiert und in Zusammenarbeit mit den Lieferanten vorangetrieben worden. Die Anforderungen an die Übertragungstechnik im Rückwärtsweg eines Kabelnetzes sind vergleichbar mit denjenigen des Mobiltelefons. Auch im Kabelnetz werden die übertragenen Signale gestört. Erschwerend ist aber, dass beim Kabelnetz zusätzlich Nichtlinearitäten im Übertragungsweg als Störquelle auftreten können. Deshalb ist dem technischen Zustand und der Verfügbarkeit des Netzes gebührend Beachtung zu schenken. Nur ein Netz in gutem Zustand kann die attraktiven Möglichkeiten der digitalen Übertragung in beiden Richtungen voll nutzen. Der Rückwärtsweg braucht permanenten Unterhalt, da ihn alle Teilnehmer gemeinsam benützen. Schon bevor DOCSIS bereitstand, kamen erste Versuche mit Kabelmodems zustande. Sie basierten zur Hauptsache auf der bekannten Koax LAN Technologie. Diese Projekte waren aber wegen der großen geografischen Ausdehnung, der simplen Zugrifftechnik und der Anfälligkeit auf Ingress noch Pionierlösungen. Deshalb kündigten Anfang 1996 in den USA vier Kabelnetzbetreiber (TCI, Time Warner, Cox und Comcast) die Initiative Multimedia Cable Network Systems (MCNS) an. Ziel war es, Spezifikationen für ein Kabelmodem zu erarbeiten. In der Folge übernahmen die CableLabs, ein Tochterunternehmen verschiedener Kabelnetzbetreiber in den USA, die Koordination der Arbeiten. Nach insgesamt zwei Jahren Entwicklungszeit wurde 1998 der DOCSIS Standard verabschiedet. Die International Telecommunications Union (ITU) übernahm einen großen Teil des DOCSIS Standards als Norm J112-B. Später, nach Vorliegen der positiven Ergebnisse von DOCSIS, hat sich Europa mit wenigen Anpassungen DOCSIS angeschlossen. Dieser Abkömmling heißt EuroDOCSIS und ist in den CableLabs Spezifikationen mitspezifiziert. Die Spezifikationen von DOCSIS sind sehr umfangreich und unter publiziert. Diese Schrift soll die DOCSIS Technologie mit Schwerpunkt auf dem physischen Layer in den Zusammenhang mit dem Kabelnetz stellen. Es setzt gewisse Kenntnisse der Mathematik und der Nachrichtentechnik voraus und geht auf die systemspezifischen Details des Kabelnetzes und der DOCSIS Übertragungstechnik ein, soweit ein Bezug zum physischen Layer besteht. 1

5 VI Vorwort Der Autor hat versucht, wo möglich deutsche Bezeichnungen zu verwenden. Bei einigen englischsprachigen und bereits eingeführten Fachbegriffen wurde allerdings lediglich die deutsche Übersetzung angemerkt. Insbesondere bei den Show Cable Befehlen zur Auslesung von Daten aus CMTS und Modem wurde auf eine Übersetzung völlig verzichtet, da das Verständnis der englischen Sprache für die Show Cable Befehle sowieso Voraussetzung ist. Meiner Frau Susi danke ich für die Unterstützung bei der Ausarbeitung dieses Buches und für das Verständnis, das sie meiner Arbeit entgegen gebracht hat. Hombrechtikon, Juni, 2004 Andres Keller

6 Inhalt 1 Einleitung Besonderheit Kabelnetz Begriff der Bandbreite Rauschen bei analoger und digitaler Übertragung Qualitätsanforderungen an das HFC-Kabelnetz Einführung Pegelrechnung Definitionen Absoluter Pegel Pegeltoleranz Pegelunterschied Rauschen Widerstandsrauschen Andere Arten des Rauschens Intermodulation CSO, CTB Normen und Spezifikationen Gesetz und Verordnung (Sammlung am Bsp. der Schweiz) Fremde Gesetzgebung (informativ von Bedeutung) Normen Elektromagnetische Verträglichkeit EMV Einstrahlung und Abstrahlung Ingress Radiowellen Technischer Aufbau des Kabelnetzes Technisches Konzept Aufbau des Kabelnetzes Glasfaserübertragung Kopfstation - Hub - Node Koaxiales Verteilnetz Analoge Modulation Frequenzbänder Amplitudenmodulation Spezielle Formen der Amplitudenmodulation Restseitenband-Modulation (Vestigial Sideband)...34

7 VIII Inhalt 4.5 Frequenzmodulation und Phasenmodulation Digitale Modulation Einführung Digitale Zahlendarstellung Datenrate Konstellationsdiagramm Wirkung von Störungen auf QAM Modulation Error Ratio MER Definition Ursachen Bitfehlerrate BER Zusammenhang MER und BER Umrechnung E b /N o in C/N Abriss der Informationstheorie Einführung Beispiele und Definitionen Zum Informationsgehalt digitaler Signale Informationsgehalt analoger Signale Codierungstheorie Definitionen und Begriffe Informationsübertragung Fehlerschutz Einführung Fehlererkennung Fehlerkorrektur Analoge Übertragung im Kabelnetz Rauschen Frequenzgang (lineare Verzerrungen) Intermodulation (nichtlineare Verzerrungen) Gruppenlaufzeit Brumm Reflexionen Protokolle Zweck von Protokollen Das OSI-Schichtenmodell Ethernet IP Protokoll Version IPv TCP Protokoll Internet Protokoll Architektur Unterscheidung von Netzen nach Zugriffsart Allgemeine Zugriffsverfahren... 83

8 IX Zeitmultiplex Frequenzmultiplex Spread Spectrum Spezielle Zugriffsverfahren Unterscheidung von Netzen nach Vermittlungsart Leitungsvermittlung Speichervermittlung Basisspezifikation für das Kabelnetz Frequenzbandbelegung DOCSIS Qualitätsanforderungen Auszug aus DOCSIS 1.1 Spezifikation Auszug aus EuroDOCSIS 1.1 Spezifikation Zusatzanforderungen bei DOCSIS Definition Rauschabstand für DOCSIS im Upstream Spektrum-Überwachungssystem DOCSIS Betriebs-Geräuschabstand im Upstream Zielkriterien für den logischen Layer Weitere Entwicklung von DOCSIS DOCSIS Versionen Einführung DOCSIS DOCSIS DOCSIS Störungsunterdrückung durch Filter (ICF) Verbesserte Entzerrung für A-TDMA Verbesserte Burst-Acqusition für A-TDMA Verbesserte Fehlerkorrektur für Impulsstörungen S-CDMA Belegung des physischen DOCSIS Layers Varianten der DOCSIS-Kanalcodierung Übersicht DOCSIS Netz DOCSIS Referenz-Schema Verbindung zwischen Modem und CMTS Übersicht Erstmalige Anmeldung eines Modems beim CMTS Installation Downstream Kanalsuche Das Kabelmodem wartet auf SYNC Message Das Kabelmodem beschafft die Upstream Parameter Initial Ranging Automatische Modemeinstellung Zulassungsprozess Bandbreitenanforderung...111

9 X Inhalt Bandbreiten-Zuweisungstabelle MAP IP-Verbindungsfähigkeit Time of Day Übertragung der Betriebsparameter Registrierung Baseline Privacy Einzelheiten zum Ranging Ranging-Ablauf Einstellen der Sendeleistung am Kabelmodem Contention Resolution Zusammenhang Ticks, Mini-Slots und Symbole Zugriffsverfahren im Rückweg Timeout Zähler Grenzen des Datendurchsatzes Im Downstream Im Upstream Aufbauen des IP-Layers Registrierung Data Link Encryption Quality of Service MAC Layer Fragmentation MAC Layer Concatenation Präambel Forward Error Correction Fehlerschutz im Downstream Fehlerschutz im Upstream Interleaving Aufgabe des Interleavings Interleaving im Downstream Interleaving im Upstream Scrambling Upstream Vergleich DOCSIS 1.x und Zusammenfassung der Modem Zustände Gestörte DOCSIS-Übertragung Ungenaue Pegelung im Vorwärtsweg Pegelfehler Im Downstream Schlechter Geräuschabstand Schlechtes Carrier-to-Junk-Ratio Headend Zusammenschaltung Zuviele Nodes auf einem Upstream Port Zuviele Kabelmodems an einem Upstream Port Mikroreflexionen Gruppenlaufzeit Common Path Distortion Laser Clipping

10 XI Störungen durch Schwachstellen Material und Installation Planung, Material und Einstellungen Materialmängel und Alterung Äussere Ursachen für Ingress (Man Made Noise) Auswertungen aus CMTS und Kabelmodem Rauschabstand Downstream SNR Rauschabstand Upstream SNR Ermittlung der Codeword Error Rate CER Flap-List Insertions Hits and Misses Power Adjustments Auswertung Show Cable Abfrage Show cable Hop CPU Auslastung im CMTS Ausgewertete technische Informationen von CISCO Erhöhte Anforderungen an den Netzunterhalt Störungsbehebung Präventiv-Unterhalt Modifikationen Netz Upgrade Mitarbeiterschulung Die Besonderheit im Zweiwegnetz Fehlersuche durch Korrelation von Informationen Fehlersuche durch geografische Darstellung Flankierende Massnahmen Abfiltern von Liegenschaften ohne Zweiwegdienste Einsatz von Ingressblockern Objektive Funktionsüberwachung im DOCSIS Netz Literaturverzeichnis...175