Andres Keller Datenübertragung im Kabelnetz
Andres Keller Datenübertragung im Kabelnetz DOCSIS über Hybrid-Fibre-Coax Korrigierter Nachdruck 13
Andres Keller Cablecom GmbH Zollstr. 42 8021 Zürich Switzerland andres.keller@cablecom.ch Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. ISBN 3-540-22501-3 Springer Berlin Heidelberg New York ISBN 978-3-540-22501-0 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 68/3020-5 4 3 2 1
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 http://www.cablemodem.com/ 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 http://www.cablelabs.org/downloads/pubs/history.pdf
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
Inhalt 1 Einleitung...1 1.1 Besonderheit Kabelnetz...1 1.2 Begriff der Bandbreite...2 1.3 Rauschen bei analoger und digitaler Übertragung...3 2 Qualitätsanforderungen an das HFC-Kabelnetz...5 2.1 Einführung...5 2.2 Pegelrechnung...5 2.2.1 Definitionen...5 2.2.2 Absoluter Pegel...6 2.2.3 Pegeltoleranz...7 2.2.4 Pegelunterschied...7 2.3 Rauschen...8 2.3.1 Widerstandsrauschen...8 2.3.2 Andere Arten des Rauschens...9 2.4 Intermodulation CSO, CTB...10 2.5 Normen und Spezifikationen...10 2.5.1 Gesetz und Verordnung (Sammlung am Bsp. der Schweiz)...10 2.5.2 Fremde Gesetzgebung (informativ von Bedeutung)...11 2.5.3 Normen...11 2.6 Elektromagnetische Verträglichkeit EMV...13 2.6.1 Einstrahlung und Abstrahlung...13 2.6.2 Ingress...13 2.6.3 Radiowellen...13 3 Technischer Aufbau des Kabelnetzes...19 3.1 Technisches Konzept...19 3.2 Aufbau des Kabelnetzes...20 3.2.1 Glasfaserübertragung Kopfstation - Hub - Node...20 3.2.2 Koaxiales Verteilnetz...22 4 Analoge Modulation...31 4.1 Frequenzbänder...31 4.2 Amplitudenmodulation...32 4.3 Spezielle Formen der Amplitudenmodulation...33 4.4 Restseitenband-Modulation (Vestigial Sideband)...34
VIII Inhalt 4.5 Frequenzmodulation und Phasenmodulation... 36 5 Digitale Modulation... 39 5.1 Einführung... 39 5.1.1 Digitale Zahlendarstellung... 39 5.1.2 Datenrate... 40 5.2 Konstellationsdiagramm... 41 5.3 Wirkung von Störungen auf QAM... 42 5.4 Modulation Error Ratio MER... 43 5.4.1 Definition... 43 5.4.2 Ursachen... 45 5.5 Bitfehlerrate BER... 46 5.6 Zusammenhang MER und BER... 47 5.7 Umrechnung E b /N o in C/N... 47 6 Abriss der Informationstheorie... 49 6.1 Einführung... 49 6.2 Beispiele und Definitionen... 51 6.3 Zum Informationsgehalt digitaler Signale... 51 6.4 Informationsgehalt analoger Signale... 52 6.5 Codierungstheorie... 52 6.5.1 Definitionen und Begriffe... 52 6.5.2 Informationsübertragung... 56 6.6 Fehlerschutz... 60 6.6.1 Einführung... 60 6.6.2 Fehlererkennung... 61 6.6.3 Fehlerkorrektur... 61 7 Analoge Übertragung im Kabelnetz... 71 7.1 Rauschen... 71 7.2 Frequenzgang (lineare Verzerrungen)... 72 7.3 Intermodulation (nichtlineare Verzerrungen)... 72 7.4 Gruppenlaufzeit... 73 7.5 Brumm... 73 7.6 Reflexionen... 73 8 Protokolle... 75 8.1 Zweck von Protokollen... 75 8.2 Das OSI-Schichtenmodell... 75 8.3 Ethernet... 77 8.4 IP Protokoll Version IPv4... 78 8.5 TCP Protokoll... 79 8.6 Internet Protokoll Architektur... 80 9 Unterscheidung von Netzen nach Zugriffsart... 83 9.1 Allgemeine Zugriffsverfahren... 83
IX 9.1.1 Zeitmultiplex...84 9.1.2 Frequenzmultiplex...84 9.1.3 Spread Spectrum...84 9.2 Spezielle Zugriffsverfahren...88 9.3 Unterscheidung von Netzen nach Vermittlungsart...89 9.3.1 Leitungsvermittlung...89 9.3.2 Speichervermittlung...90 10 Basisspezifikation für das Kabelnetz...91 10.1 Frequenzbandbelegung...91 10.2 DOCSIS Qualitätsanforderungen...91 10.2.1 Auszug aus DOCSIS 1.1 Spezifikation...91 10.2.2 Auszug aus EuroDOCSIS 1.1 Spezifikation...92 10.2.3 Zusatzanforderungen bei DOCSIS 2.0...93 10.3 Definition Rauschabstand für DOCSIS im Upstream...93 10.4 Spektrum-Überwachungssystem...93 10.5 DOCSIS Betriebs-Geräuschabstand im Upstream...94 10.6 Zielkriterien für den logischen Layer...95 10.7 Weitere Entwicklung von DOCSIS...96 11 DOCSIS Versionen...97 11.1 Einführung...97 11.2 DOCSIS 1.0...97 11.3 DOCSIS 1.1...98 11.4 DOCSIS 2.0...98 11.4.1 Störungsunterdrückung durch Filter (ICF)...99 11.4.2 Verbesserte Entzerrung für A-TDMA...100 11.4.3 Verbesserte Burst-Acqusition für A-TDMA...100 11.4.4 Verbesserte Fehlerkorrektur für Impulsstörungen...100 11.4.5 S-CDMA...100 11.5 Belegung des physischen DOCSIS Layers...101 11.5.1 Varianten der DOCSIS-Kanalcodierung...101 11.5.2 Übersicht DOCSIS Netz...102 11.6 DOCSIS Referenz-Schema...104 12 Verbindung zwischen Modem und CMTS...107 12.1 Übersicht...107 12.2 Erstmalige Anmeldung eines Modems beim CMTS...109 12.2.1 Installation...109 12.2.2 Downstream Kanalsuche...109 12.2.3 Das Kabelmodem wartet auf SYNC Message...109 12.2.4 Das Kabelmodem beschafft die Upstream Parameter...110 12.2.5 Initial Ranging...110 12.2.6 Automatische Modemeinstellung...110 12.2.7 Zulassungsprozess...111 12.2.8 Bandbreitenanforderung...111
X Inhalt 12.2.9 Bandbreiten-Zuweisungstabelle MAP... 111 12.2.10 IP-Verbindungsfähigkeit... 111 12.2.11 Time of Day... 112 12.2.12 Übertragung der Betriebsparameter... 112 12.2.13 Registrierung... 112 12.2.14 Baseline Privacy... 112 12.3 Einzelheiten zum Ranging... 115 12.3.1 Ranging-Ablauf... 115 12.3.2 Einstellen der Sendeleistung am Kabelmodem... 116 12.3.3 Contention Resolution... 117 12.4 Zusammenhang Ticks, Mini-Slots und Symbole... 117 12.5 Zugriffsverfahren im Rückweg... 119 12.6 Timeout Zähler... 120 12.7 Grenzen des Datendurchsatzes... 121 12.7.1 Im Downstream... 121 12.7.2 Im Upstream... 122 12.8 Aufbauen des IP-Layers... 123 12.9 Registrierung... 123 12.10 Data Link Encryption... 123 12.11 Quality of Service... 124 12.12 MAC Layer Fragmentation... 124 12.13 MAC Layer Concatenation... 124 12.14 Präambel... 124 12.15 Forward Error Correction... 125 12.15.1 Fehlerschutz im Downstream... 125 12.15.2 Fehlerschutz im Upstream... 126 12.16 Interleaving... 126 12.16.1 Aufgabe des Interleavings... 126 12.16.2 Interleaving im Downstream... 127 12.16.3 Interleaving im Upstream... 128 12.17 Scrambling... 128 12.18 Upstream Vergleich DOCSIS 1.x und 2.0... 128 12.19 Zusammenfassung der Modem Zustände... 129 13 Gestörte DOCSIS-Übertragung... 131 13.1 Ungenaue Pegelung im Vorwärtsweg... 131 13.2 Pegelfehler Im Downstream... 131 13.3 Schlechter Geräuschabstand... 131 13.4 Schlechtes Carrier-to-Junk-Ratio... 132 13.5 Headend Zusammenschaltung... 134 13.6 Zuviele Nodes auf einem Upstream Port... 134 13.7 Zuviele Kabelmodems an einem Upstream Port... 134 13.8 Mikroreflexionen... 134 13.9 Gruppenlaufzeit... 134 13.10 Common Path Distortion... 135 13.11 Laser Clipping... 137
XI 13.12 Störungen durch Schwachstellen...141 13.12.1 Material und Installation...141 13.12.2 Planung, Material und Einstellungen...141 13.12.3 Materialmängel und Alterung...141 13.12.4 Äussere Ursachen für Ingress (Man Made Noise)...143 14 Auswertungen aus CMTS und Kabelmodem...145 14.1 Rauschabstand Downstream SNR...145 14.2 Rauschabstand Upstream SNR...147 14.3 Ermittlung der Codeword Error Rate CER...152 14.4 Flap-List...156 14.4.1 Insertions...157 14.4.2 Hits and Misses...157 14.4.3 Power Adjustments...158 14.4.4 Auswertung...158 14.4.5 Show Cable Abfrage Show cable Hop...160 14.4.6 CPU Auslastung im CMTS...161 14.5 Ausgewertete technische Informationen von CISCO...162 15 Erhöhte Anforderungen an den Netzunterhalt...165 15.1 Störungsbehebung...165 15.2 Präventiv-Unterhalt...165 15.3 Modifikationen...165 15.4 Netz Upgrade...165 15.5 Mitarbeiterschulung...166 15.6 Die Besonderheit im Zweiwegnetz...166 15.7 Fehlersuche durch Korrelation von Informationen...167 15.8 Fehlersuche durch geografische Darstellung...167 15.9 Flankierende Massnahmen...169 15.9.1 Abfiltern von Liegenschaften ohne Zweiwegdienste...169 15.9.2 Einsatz von Ingressblockern...170 15.10 Objektive Funktionsüberwachung im DOCSIS Netz...172 Literaturverzeichnis...175