Kabelmodemtechnik (TV-Kabelnetz)
Neben dem Festnetz gibt es auch noch das Kabelnetz, das auch aus fest installierten Leitungen besteht. Es hat seinen Namen aber vom "Kabel-TV-Empfang". Damit ist eine Technik gemeint, bei der TV-Signale für den Fernseher über ein Kabelnetz übertragen wird. Die Betreiber der Kabelnetze sind Kabelgesellschaften, die in der Regel regional tätig sind. Über ein weit verzweigtes Kabelnetz bieten sie ihren Kunden einen Kabelanschluss an. Darüber kann man Fernseh- und Radiosender empfangen.
Durch die Liberalisierung des Telekommunikationsmarktes in Deutschland haben sich für die Kabelnetzbetreiber ganz neue Möglichkeiten eröffnet. Die Kabelnetzbetreiber haben ein weitflächiges Netz auf dem sie TV- und Rundfunk-Programme übertragen. Da ist es nahe liegend dieses Netz für die Übertragung von Daten auszubauen und zu nutzen, um zusätzliche Dienste, wie Telefonie und Internet-Zugang anbieten zu können.
Die Kabelnetze wurden in Deutschland in den 80er Jahren aufgebaut. Ursprünglich waren sie nur für die Übertragung von Fernsehen und Rundfunk vorgesehen. Für einen Internet-Zugang oder Telefonie fehlte der erforderliche Rückkanal. Aus diesem Grund galten die deutschen Kabelnetze irgendwann als veraltet.
Über mehrere Jahre haben die Kabelnetzbetreiber ihre Netze umgebaut, um sie Rückkanal-fähig zu machen, um somit auch Telefonie und Internet-Zugänge anbieten zu können.
Netzbetreiber
Das Kabelnetz wurde ursprünglich in vier Netzebenen aufgeteilt. Nur die ersten drei Ebenen gehörten den Kabelgesellschaften. In der Aufbauzeit gab es nur die Deutsche Bundespost, später die Deutsche Telekom. Die Netzebene 4 wurde an kleine und mittelständische Unternehmen vergeben. Auch heute noch ist die Netzebene 4 im Besitz von ca. 1000 einzelnen unabhängigen Gesellschaften. Darunter befinden sich einige wenige mit Millionen oder Hundertausende Anschlüsse. Die meisten von Ihnen bedienen nur einige tausend Kunden. Bei der Modernisierung und dem Umbau des Kabelnetzes müssen auch die Betreiber der Netzebene 4 aktiv werden. Doch nicht alle sind daran interessiert Internet über das TV-Kabel anzubieten.
Ob die einzelnen Netze rückkanaltauglich gemacht werden können, ist abhängig von der jeweiligen Netzkonfiguration, dem Nutzerprofil, dem sich daraus ergebenden Umsatzpotential und der Vertriebsstrategie. Jeder Betreiber muss sein Kabelnetz auf Wirtschaftlichkeit prüfen. Im Regelfall werden alle Kabelnetze irgendwann umgebaut.
Einige Kabelnetzbetreiber bieten in ihren Kabelnetzen Internet-Zugänge, sogar mit Flatrate, an. Weil die Kabelnetzbetreiber regional agieren gibt es keine bundesweit gültigen Angebote. Kabelmodems müssen in der Regel vom Netzbetreiber gemietet werden.
Frequenz-Aufteilung und Frequenz-Nutzung
Die verlegten Koaxial-Leitungen können einen Frequenzbereich von 5 bis 862 MHz abdecken. Doch der Frequenzbereich bis 862 MHz ist nicht vollständig für Datenverbindungen nutzbar. Über 30 TV-Kanäle belegen den größten Teil des verfügbaren Frequenzbereichs. Dazu kommen noch ca. 200 digitale Programme. Weitere Kanäle sind durch den analogen UKW-Rundfunk belegt. Die TV-Kanäle zwischen 108 und 300 MHz haben eine Bandbreite von 7 MHz. Die Kanäle über 300 MHz haben eine Bandbreite von 8 MHz (30 MBit/s).
Nach dem Rundfunk-Staatsvertrag (RStV) muss jeder Kabelnetzbetreiber ein Drittel seines Angebots für festgelegte Sender reservieren. Ein weiteres Drittel kann er wahlweise mit Sendern belegen. Dabei gilt für alle analog genutzten Kanäle Bestandsschutz für alle bundesweit empfangbaren Programme. Unter diesen Bedingungen bleibt vom Frequenzsprektrum nur ein Bruchteil für Breitband-Internet und Telefonie übrig.
Ein Großteil des von 65 MHz bis 450 MHz wird für die Übertragung von Radio und TV benutzt. Der Bereich über 450 MHz lässt sich bis zu 860 MHz ausreizen. Dort liegt die praktische Grenze. Der Frequenzbereich zwischen 450 und 860 MHz kann je nach Ausbaustufe frei belegt werden. In der Praxis sind viele Netze bis 520 oder 570 MHz begrenzt. Erst durch die Verkleinerung der einzelnen Segmente, also der Unterteilung eines Hubs in mehrere Hubs, ist das Frequenzsspektrum vollständig nutzbar.
Der Rückkanal (Upstream) befindet sich in der Regel im Frequenzbereich von 5 MHz bis 65 MHz, wobei der Bereich von 5 bis 20 MHz infolge Ingress-Noise gemieden wird.
| Frequenzbereich | Bezeichnung | Kanäle | |
|---|---|---|---|
| 47 - 68 MHz | Bereich I | HF und VHF I | K2 ... K4 |
| 87 - 108 MHz | Bereich II | VHF II | UKW |
| 108 - 174 MHz | unterer Sonderkanalbereich | USB | S2 ... S10 |
| 174 - 230 MHz | Bereich III | VHF III | K5 ... K12 |
| 230 - 300 MHz | oberer Sonderkanalbereich | OSB | S11 ... S20 |
| 302 - 446 MHz | erweiterter Sonderkanalbereich (Hyperband) | ESB | S21 ... S38 |
| 470 - 622 MHz | Bereich IV | UHF IV | K21 ... K39 |
| 622 - 862 MHz | Bereich V | UHF V | K40 ... K69 |
Netzarchitektur
Wegen den unterschiedlich eingesetzten Übertragungsverfahren und Techniken ist es schwierig auf die Details der Technik einzugehen. Jeder Anbieter verwendet ein anderes Equipment.
Zentrales Element innerhalb der TV-Kabelnetz-Architektur ist in der Kopfstation das CMTS (Cable Modem Termination System). Sie ist die Vermittlungsstelle im TV-Kabelsystem. Hier laufen alle Verbindungen zusammen.
Um eine schnelle Datenübertragung zu realisieren besteht das Netz aus einer Kombination aus Glasfaser- und Koaxialkabel.
In die Kopfstation werden von der Master-Kopfstation die TV-Programme eingespeist. Geliefert werden die Daten per Glasfaserkabel, SDH oder über Satellit. Meist ist der Satelliten-Empfang nur als Backup gedacht. Dann besteht noch eine Verbindung zum Backbone, der mit dem Internet verbunden ist. An dieser Stelle kommen die Daten aus dem Internet und fließen auch wieder zurück.
An der Kopfstation sind mehrere Hubs angeschlossen. Von den Hubs aus, verläuft ein weit verzeigten Kabelnetz, an dem die einzelnen Kunden hängen. In regelmäßigen Abständen sind Signalverstärker für die Aufbereitung des Signals verantwortlich.
Bei Mehrfamilienhäusern sitzt zwischen Bewohner und der Kabelgesellschaft manchmal noch ein "Betreiber der Netzebene 4". Dieser sorgt für die Verstärkung des Signals und ist für die Verteilung in die einzelnen Wohnungen mitverantwortlich. Er ist dafür zuständig, dass die Hausanlagen rückkanalfähig sind, also auch Daten zurücksenden können.
Das Kabelnetz vom Hub aus ist das eigentliche Kabelnetz. Es hat eine baumförmige Struktur. Vom Prinzip her erlaubt diese Struktur nur eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommunikation. An einem Ast hängen immer mehrere Teilnehmer, die sich die verfügbare Bandbreite teilen müssen. Im Durchschnitt kann jeder Hub 5.000 Kunden ohne Probleme bedienen.
Um die Bandbreite in einem Kabelnetz zu erhöhen, kann man freie Fernsehkanäle dem Downlink zuweisen oder weitere Hubs einrichten und durch die Anzahl der Segmente die Gesamtbandbreite erhöhen. Je kleiner die Segmente, desto besser kann man das Frequenzspektrum nutzen.
Um das Potential des Kabelnetzes voll auszureizen ist es erforderlich die Baumstruktur in eine Sternstruktur oder kombinierte Baum- und Sternstruktur umzuwandeln. Um das zu erreichen, werden im zukünftigen Kabelnetz die Signalverstärker selber zu Einspeisepunkten. Dadurch steigt die Übertragungskapazität.
In einer modernen Netztopologie werden alle Hubs von der Kopfstation sternförmig erschlossen und auch rückgeführt. Viel wichtiger ist eine Netz-Architektur, die eine kontinuierliche Segmentierung des Netzes zulässt. Nur so lässt sich das Netz für die Zukunft ausbauen, ohne an Grenzen zu stoßen.
Modernisierung des TV-Kabelnetzes
Das TV-Kabelnetz besteht aus einer Kopfstation, an der mehrere Hubs angebunden sind und mit TV-Programmen und dem Zugang zum Internet versorgt werden. Zwischen dem Hub und den Teilnehmern befinden sich noch Verstärker, die das Signal aufbereiten.
Um eine höhere Übertragungsrate für mehr Kunden zu erreichen wandert die Netzintelligenz näher zum Teilnehmer. Das bedeutet, die Hubs werden zu Kopfstationen und die Signalverstärker zu Mini-Hubs umgebaut und direkt über ein Glasfaserkabel versorgt.
Internet-Zugang
Bewohner von Einfamilien-, Doppel- und Reihenhäuser können einfach mit dem Kabelanbieter einen Vertrag abschließen. Auch für Bewohner von Mehrfamilienhäuser ist das in der Regel kein Problem.
Bei der Einführung von Internet im Kabelnetz ändert sich für den Fernsehzuschauer nichts. Er merkt vom Umbau wenig. Erst wenn ein Kunde einen Internet-Anschluss beauftragt, sind unter Umständen Umbauarbeiten erforderlich. Zum Beispiel muss die Antennendose in der Wohnung ausgetauscht werden, wenn sie noch keinen Data-Anschluss hat. Es handelt sich dabei um eine Antennen-Dose mit einer zusätzlichen Buchse, auf die ein F-Stecker mit Schraubbefestigung passt. Der F-Stecker wird auch in der Satellitentechnik verwendet. Durch die Schraubverbindung wird ein versehentliches Abziehen oder Wackelkontakte verhindert. Die Buchsen für TV und Radio bleiben unverändert. In die neue Dose ist ein Bandpass integriert, der den Rückkanal vom Fernseh- und Radiosignal trennt.
Neben den Antennen-Dose muss auch der Antennen-Verstärker im Haus ausgetauscht werden, sofern er den hohen Frequenzbereich nicht unterstützt. Den Austausch der Dose und des Verstärkers übernimmt ein Techniker der Kabelgesellschaft.
Danach bekommt der Kunde ein spezielles Kabelmodem, das ihm sein Kabelnetzbetreiber bereitstellt. Es wird über ein Koaxial-Kabel mit der Data-Buchse der Antennen-Dose verbunden. Das Modem steht dann in der Regel in der Nähe des Fernsehers. Von dort aus muss dann eine Verbindung zum Router oder zum Computer geschaffen werden.
Der Empfang von analogen TV- und Rundfunkprogrammen ist weiterhin ohne Zusatzgerät möglich (regional unterschiedliche Abschaltung der analogen Programme vorgesehen). Digitale Programme erfordern eine Settop-Box, die auch im Fernseher eingebaut sein kann.
IEEE 802.14
Im Mai 1994 wurde die Arbeitsgruppe 802.14 vom IEEE gegründet um einen Standard für das Cable TV MAC sowie den physikalischen Layer (PHY) zu erarbeiten.
Weil die Arbeit der Arbeitsgruppe 802.14 zu lange dauerte schlossen sich die Betreiber von Kabelnetzen in Nordamerika im Januar 1996 zum "Multimedia Cable Network Systems Consortium (MCNS)" zusammen. Schon im März 1997 brachten sie die "Data over Cable System Interface Specification (DOCSIS)" heraus. Damit war ein einheitlicher Standard für Kabel-Modems gesetzt.
DOCSIS - Data over Cable System Interface Specification
Die erste Version von DOCSIS (1.0) wurde hauptsächlich für die Anforderungen der Endanwender entwickelt. Hier stand der Internet-Zugriff, bewährte Technik und niedrige Kosten im Vordergrund. Schnell wurden jedoch Stimmen für die nächsten Generation laut. Quality-of-Service für IP-Telefonie und Video-Übertragung wurde gefordert. Außerdem eine symmetrische Übertragungskapazität zur flexiblen Anwendung der Kabelmodemtechnik.
In der zweiten Version (DOCSIS 2.0) kamen einige technische Neuerungen dazu. Hauptsächlich, um die Bandbreite pro Teilnehmer zu steigern.
Die dritte Version (DOCSIS 3.0) erlaubt es Netzwerkkapazität umzuverteilen. Unterstützt wird die Bündelung von bis zu 4 Kanälen. Theoretisch wird es so möglich, für einen einzelnen Kunden 100 MBit/s bereitzustellen.
DOCSIS 3.0 ist zu 2.0 abwärtskompatibel. Beide Geräte können gleichzeitig am Netz betrieben werden.
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