Moderne HFC-Telekommunikationsnetze müssen in der Lage sein, ihren Nutzern ein breites Spektrum an Anwendungen und Diensten anzubieten. Die meisten dieser Dienste erfordern eine bidirektionale Kommunikation zwischen Kopfstelle und Endgerät des Teilnehmers und benötigen daher einen Uplink- oder Rückkanal. Abbildung 1 zeigt beispielhaft die Infrastruktur eines bidirektionalen HFC-Netzes. Optische Knoten wandeln das optische Signal für den Downlink in ein elektrisches Signal um und umgekehrt für den Rückkanal, wofür ein optischer Sender erforderlich ist. Der Rückkanal in HFC-Netzen belegt den unteren Teil des Frequenzspektrums. Diese Bandbreite wird von allen Haushalten geteilt, die vom selben optischen Knoten versorgt werden. Rücksignale von verschiedenen Knoten erreichen die Kopfstelle über unterschiedliche Wege oder werden mit verschiedenen Wellenlängen gemultiplext. So durchläuft ein vom Endgerät eines Teilnehmers erzeugtes Signal das Koaxialverteilernetz, durchläuft bidirektionale Verstärker und erreicht schließlich den optischen Knoten. Dort laufen die Rücksignale aller Teilnehmer zusammen, werden mithilfe des Rücklasers in optische Signale umgewandelt und an die Kopfstelle übertragen.
Um dieselben Empfänger wie beim terrestrischen Fernsehen nutzen zu können, verwenden Kabelnetze für den Downlink dasselbe Frequenzband. HFC-Systeme erweitern dieses Band jedoch auf bis zu 862 MHz oder sogar 1 GHz. Der untere Teil des Spektrums (5–42 MHz in den USA und 5–65 MHz in Europa) dient als Rückkanal für Befehle, da dieser Bereich störungsanfälliger ist. Eine große Anzahl analoger Fernsehkanäle kann in die nutzbare Bandbreite integriert werden. Beim amerikanischen NTSC-Standard belegt ein Fernsehkanal eine Bandbreite von 6 MHz, während es bei den europäischen Standards PAL oder SECAM nur 7/8 MHz sind. Bei digitalen Signalen ermöglicht ein 6-MHz-HF-Kanal einen Datenfluss von 27 Mbit/s von der Netzwerk-Kopfstelle zum Endnutzer mit 64QAM-Übertragungsverfahren oder sogar bis zu 38 Mbit/s mit 256QAM. In umgekehrter Richtung, vom Nutzer zur Netzwerk-Kopfstelle, werden einfachere Modulationsverfahren wie QPSK verwendet. Dieses bietet Geschwindigkeiten zwischen 256 kbit/s und 5 Mbit/s und erfordert keine aufwendige Hardware im Haushalt des Nutzers. Alternativ kann auch DPSK eingesetzt werden, das zwar etwas langsamer ist, aber eine höhere Störfestigkeit bietet.
Kabelmodems: DOCSIS-Standards
Der Zugang zum Internet mit immer höheren Geschwindigkeiten ist eine der größten Geschäftschancen für neue Breitbandnetze. HFC-Netze, die speziell für die digitale Kommunikation über Kabelnetze entwickelte Modems nutzen, können Datennetzdienste wie das Internet mit Geschwindigkeiten anbieten, die weit über denen von ADSL liegen. Tatsächlich haben Kabelmodems CATV/HFC-Netze zu vollwertigen Anbietern von Video-, Sprach- und Datendiensten gemacht.
Ein typisches Kabelmodem zeichnet sich durch seine asymmetrische Funktionsweise aus: Es empfängt Daten mit Geschwindigkeiten von bis zu 30 Mbit/s und kann mit bis zu 10 Mbit/s senden. Es wird über einen F-Stecker mit dem HFC-Netzwerk und über eine Ethernet-Karte mit dem PC des Teilnehmers verbunden. Der Datenempfang erfolgt über einen 6–8 MHz breiten Kanal im Frequenzband von 606–862 MHz, typischerweise mit digitaler 64QAM-Modulation. Das Kabelmodem demoduliert das empfangene Signal und kapselt den Bitstrom in Ethernet-Pakete. Dadurch erscheint dem Teilnehmer das HFC-Netzwerk als ein einziges, großes LAN. Im Upstream zerlegt das Kabelmodem die vom PC empfangenen Ethernet-Pakete und wandelt sie in ATM-Zellen oder proprietäre Frames um. Anschließend werden die Daten über einen 2 MHz breiten Kanal im Rückkanal mittels QPSK-Modulation an die Kopfstelle übertragen. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein Kabelmodem.
Die für diese Modemtypen geltenden Standards haben sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt, wobei heute die überwiegende Mehrheit auf dem DOCSIS-Standard basiert. Die Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS) ist ein internationaler Standard, der von CableLabs unter Mitwirkung zahlreicher Unternehmen wie ARRIS, Broadcom, Cisco, Conexant, Correlant, Intel, Motorola, Netgear, Terayon und Texas Instruments entwickelt wurde. Er definiert insbesondere die Schnittstellenanforderungen für Kabelmodems zur Verwendung in Kabeldatenverteilungssystemen, also für digitale Dienste über CATV/HFC-Netze. DOCSIS ermöglicht somit die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung über die Funkkanäle des CATV-Systems und erlaubt es CATV-Betreibern, Internetzugang über ihre bestehende HFC-Infrastruktur anzubieten.
Die erste DOCSIS-Spezifikation (Version 1.0) wurde im März 1997 veröffentlicht, gefolgt von der Revision 1.1 im April 1999. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach symmetrischen Echtzeitdiensten wie VoIP (Voice over IP) wurde DOCSIS jedoch erneut überarbeitet, um die Uplink-Übertragungsraten zu verbessern und QoS-Funktionen zu integrieren. Diese Revision (DOCSIS 2.0) wurde im Januar 2002 veröffentlicht. Die Internationale Fernmeldeunion (ITU) übernahm beide Versionen als internationale Standards: DOCSIS 1.1 in ihrer ITU-T-Empfehlung J.112 und DOCSIS 2.0 in ihrer Empfehlung J.122. Kürzlich wurde schließlich die DOCSIS-3.0-Spezifikation veröffentlicht, die zahlreiche Verbesserungen wie eine erhöhte Kanalkapazität, verbesserte Netzwerksicherheit, die Erweiterung des IPv6-Adressraums und die Bereitstellung neuer Dienste umfasst.
Da sich die Frequenzpläne von Kabelfernsehsystemen in Europa und den Vereinigten Staaten unterscheiden, wurden die DOCSIS-Standards für die Verwendung in Europa angepasst. Diese Modifikationen wurden unter dem Namen EuroDOCSIS veröffentlicht. Die Hauptunterschiede betreffen die Bandbreite der Fernsehkanäle: Europäische Kabelkanäle entsprechen dem PAL-Fernsehstandard mit einer Bandbreite von 8 MHz, während in Nordamerika NTSC-Kanäle eine Bandbreite von 6 MHz aufweisen. Diese größere Bandbreite der EuroDOCSIS-Architekturen ermöglicht eine höhere Datenkapazität in den Downlink-Verbindungen. Ähnliche DOCSIS-Varianten werden auch in Japan eingesetzt.
In nachfolgenden Artikeln werden wir die Spezifikationen und Anforderungen des DOCSIS-Standards sowie die an HFC-Systemen und -Netzwerken auf Basis dieses Standards durchgeführten Tests detaillierter vorstellen.
Testinstrumentierung
Zu den typischsten Maßnahmen, die in diesen Netzwerken durchgeführt werden, gehören: Signalverlust, Systemdurchlauf, Überwachung analoger und digitaler Videokanäle, DOCSIS-Diensttests, VoIP, Wartung von Hin- und Rückwegen usw.Im Folgenden werden beispielhaft einige kommerziell erhältliche Geräte beschrieben. JDSU bietet eine spezielle Produktlinie für die Prüfung von HFC-Netzen an. Abbildung 3 zeigt beispielsweise das DSAM-6000. Dieses Sweep-Multimeter dient zur Messung der Qualität analoger und digitaler Videokanäle sowie von DOCSIS- und VoIP-Trägern (PacketCable). Es deckt einen Frequenzbereich von 4 bis 1000 MHz ab und analysiert sowohl den Downlink- als auch den Rückkanal. Zu seinen Funktionen gehören: Signalpegelmessungen (CNR, Tilt), Vollbandüberwachung (bis zu 999 Kanäle), Konstellationsdiagramme für digitale Modulationen, BER, MER (Modulationsfehlerrate), ES (Sekunden mit Fehlern), SES (Sekunden mit vielen Fehlern) usw. Auch PROMAX ist ein namhaftes Unternehmen mit einer Produktlinie für die Prüfung von Telekommunikationsnetzen. Im Bereich Kabelfernsehen bietet PROMAX ein umfassendes Sortiment an Geräten zur Überwachung von Kabelkanälen und digitaler Modulation. Besonders hervorzuheben ist hier das PROMAX-26 (Abbildung 4). Dieser DOCSIS- und EuroDOCSIS-Übertragungssystemanalysator ist für die Installation und Wartung von interaktiven Hochgeschwindigkeits-Video-, Sprach- und Datendiensten über Kabelfernsehnetze (CATV) konzipiert. Er verfügt über eine Datenerfassungsfunktion (LOGGER), die das Aufzeichnen und Speichern von Messwerten zur späteren Auswertung, Übertragung auf einen PC oder zum Ausdrucken ermöglicht. Darüber hinaus können Qualitätsparameter überwacht werden, die den zuvor genannten sehr ähnlich sind. Sunrise Telecom ist zudem ein Anbieter von Breitband-CATV-Netzwerktestlösungen. Das Unternehmen bietet eine breite Palette an Testlösungen, einschließlich VoIP- und DOCSIS-Funktionen. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für dieses Gerät.
Die Bereitstellung von Triple-Play-Diensten (Sprache, Video und Daten) über HFC-Netze erfordert die Auswahl und den Einsatz geeigneter Testanwendungen und -geräte. Auf dem Markt sind zahlreiche Testlösungen verfügbar, die vom Netzkopf bis zu entfernten Knoten und sogar Kundengeräten alles abdecken. Im Hinblick auf den Glasfaserbereich wurden Geräte wie OTDRs und optische Spektrumanalysatoren bereits in früheren Artikeln vorgestellt. CATV/HFC-Netze benötigen jedoch zusätzliche Geräte für die Fehlersuche bei der Netzwerkaktivierung, Zertifizierung, Serviceprüfung, Wartung und Überwachung.
