DOCSIS - Data over Cable System Interface Specification

DOCSIS ist ein weltweit einheitlicher Standard für die breitbandige Datenübertragung mit Kabelmodems im TV-Kabelnetz. Mit DOCSIS wird das ursprünglich unidirektionale TV-Kabelnetz um ein bidirektionales Übertragungssystem erweitert, um damit Internet-Zugänge zu realisieren.
Mit dieser Technik lassen sich Daten mit Geschwindigkeit bis zu 10 GBit/s im Downstream und bis zu 1 GBit/s im Upstream übertragen. Aber, alle Teilnehmer einer Kopfstation müssen sich diese Bandbreite teilen.

Die Übertragungstechnik von DOCSIS ist eine Kombination aus Frequenz- und Zeitmultiplex, mit dem Kabelfernsehen und Datenübertragung in einem festgelegten Kanalraster zusammen koexistieren können. Im Downstream werden alle Daten zu allen Teilnehmern übertragen, die individuell verschlüsselt sind. Nur der richtige Adressat kann die Daten entschlüsseln.

Da die Welten in der Kabelmodemtechnik nicht sehr weit auseinanderliegen, werden hier noch weitere Techniken beschrieben, die am Rande mit DOCSIS zu tun haben.

IEEE 802.14

Im Mai 1994 wurde die IEEE-Arbeitsgruppe 802.14 gegründet um einen Standard für den Cable-TV MAC-Layer sowie den physikalischen Layer (PHY) zu erarbeiten. Der Standard sollte zu den existierenden IEEE-802-Standards kompatibel sein.
Weil die Arbeit der Arbeitsgruppe 802.14 zu lange dauerte schlossen sich die nordamerikanischen TV-Kabelnetzbetreiber 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 Kabelmodems gesetzt. Es kam zwar noch zu einer Standardisierung von IEEE 802.14, die Arbeitsgruppe wurde jedoch im Anschluss aufgelöst.

DOCSIS 1.0

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 nächste Generation laut. Quality-of-Service für IP-Telefonie und Video-Übertragung wurde gefordert. Außerdem eine symmetrische Übertragungskapazität zur flexiblen Anwendung der Kabelmodemtechnik.

DOCSIS 2.0

In der zweiten Version (DOCSIS 2.0) kamen einige Neuerungen hinzu. Hauptsächlich, um die Bandbreite pro Teilnehmer zu steigern.
DOCSIS 2.0 erlaubt jedem Modem die Nutzung von einem der 8 verfügbaren Kanäle. Welcher Kanal, wird bei der Synchronisation zwischen Modem und der Kopfstation ausgehandelt. Dieser Kanal wird dem Modem fest zugewiesen. Während des Betriebs ist es nicht möglich von einem ausgelasteten in einen weniger ausgelasteten Kanal zu wechseln. Teilen sich mehrere Bandbreite-fressende Teilnehmer zufälligerweise einen Kanal, dann reicht das aus, um weitere Teilnehmer auszubremsen.

DOCSIS 3.0

DOCSIS 3.0 erlaubt es die Netzwerkkapazität umzuverteilen. Unterstützt wird auch die Bündelung von bis zu 4 Kanälen. Theoretisch ist es möglich, für einen einzelnen Teilnehmer 100 MBit/s bereitzustellen. Insgesamt gibt es 16 Kanäle mit je 8 MHz Bandbreite auf denen je 50 MBit/s möglich ist. Würde man diese Kanäle bündeln würde man theoretisch 800 MBit/s erreichen. Bei Bedarf lassen sich weitere Kanäle zuweisen. Der Standard sieht keine Begrenzung der Kanäle vor.
Damit es innerhalb der Kanäle nicht zu Engpässen kommt, verteilt DOCSIS 3.0 die Daten dynamisch auf den verfügbaren Kanälen. So lässt sich die Gesamtkapazität gleichmäßig nutzen.
DOCSIS 3.0 ist zu 2.0 abwärtskompatibel. Geräte beider Versionen können gleichzeitig am Netz betrieben werden.

DOCSIS 3.1

Mit der Einführung von DOCSIS 3.1 wird sinnvollerweise das analoge TV-Signal abgeschaltet und das Frequenzspektrum im Kabelnetz neu sortiert. Der Fernsehempfang erfolgt dann nur noch digital. Dafür kommen Kabelkunden in den Genuss von Gigabit-Anschlüssen für den Internet-Zugang. Denkbar sind symmetrische Übertragungsraten.

DOCSIS 3.1 definiert Bandbreiten bis zu 10 GBit/s in Downstream-Richtung zum Teilnehmer und bis zu 1 GBit/s in Upstream-Richtung ins Netz, ohne dass Änderungen an der vorhandenen HFC-Netzinfrastruktur (Hybrid Fiber Coax) notwendig sind.

Die Übertragungstechnik von DOCSIS 3.1 sieht mit dem Multiplexverfahren OFDM vor, die Bindung an 8-MHz-Kanäle aufzulösen. Mit OFDM lassen sich Kanälen mit bis zu 192 MHz im Downlink und bis zu 96 MHz im Uplink bilden.
Jeder Kanal kann mit 4096QAM mit 12 Bit/Symbol feinstufig moduliert werden. Da höhere Modulationen naturgemäß anfälliger für Störungen sind, wurde die systeminterne Fehlerkorrektur mit dem LDPC-Algorithmus verbessert.
Bei der vorhandenen Bandbreite rechnet man mit einer Effizienzsteigerung zwischen 20 und 30 % für den Downlink und bis zu 80 % für den Uplink.

  • Mehrträgerverfahren: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
  • Modulationsverfahren: bis 4096QAM
  • Fehlerkorrekturverfahren: LDPC (Low Density Parity Check)

Zur Optimierung der Netzauslastung kann mit verschiedenen Modulationsprofilen gearbeitet werden, anstatt über das gesamte Kabelnetz nur eine Modulation zu nutzen. Über die komplette Bandbreite eines OFDM-Kanals können zudem bis zu 8.000 Unterträger umgesetzt und verschiedenen Frequenzen zur Verringerung der Störanfälligkeit zugewiesen werden.

  Parameter Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3 Option
Downlink Frequenzband 54 bis 1.218 MHz 108 bis 1.218 MHz 258 bis 1.218 MHz bis 1.794 MHz
Kanäle 8 24 116 200
Modulation 256QAM 256QAM <1024QAM <1024QAM
Datenrate 300 MBit/s 1 GBit/s 5 GBit/s 10 GBit/s
Uplink Frequenzband 5 bis 42 MHz 5 bis 85 MHz 5 bis 204 MHz 5 bis 400 MHz
Kanäle 4 12 33 55
Modulation 64QAM 64QAM <256QAM <256QAM
Datenrate 100 MBit/s 300 MBit/s 1 GBit/s 2 GBit/s

Um den zu erzielenden Datendurchsatz zu erreichen, müssen auch die Frequenzbereiche neu festgelegt werden. Die Obergrenze kann in zwei Stufen angehoben werden. Erst auf 1.218 MHz, dann auf 1.794 MHz. Der Upstream wird bis 400 MHz erweitert.
Aber, bei 1.794 MHz Grenzfrequenz müssten die vorhandenen Koaxialkabel gegen Kabel mit geringerer Leitungsdämpfung getauscht werden. Ebenso alle frequenzselektiven Komponenten auf allen Netzebenen. Das ist natürlich nur dann sinnvoll, wenn auf engem Raum der Bedarf für eine höhere Datenrate zu erfüllen ist.

Hinweis: Der gleichzeitige Betrieb von DOCSIS 3.0 und 3.1 in einem Kabelnetz ist möglich.

DOCSIS 3.1 Full-Duplex

Full Duplex (FDX) ist eine Erweiterung der DOCSIS-Spezifikation 3.1 mit der symmetrische Bandbreiten bis 10 GBit/s erreicht werden können. Gemeint ist, dass die Daten in beiden Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit gleichzeitig übertragen werden (Vollduplex). Das gilt aber nur in einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit 5 GBit/s bis 10 GBit/s auf maximal 100 Metern.
Für die Kabelnetz-Anbieter ist das deshalb interessant, weil sie symmetrische Anschlüsse, wie bei Glasfaser anbieten können.

Euro Packet Cable

Euro Packet Cable ist ein Standard für die Sprachübertragung über TV-Kabel und baut auf die DOCSIS-Infrastruktur auf. Euro Packet Cable wird zum Beispiel von Kabel Deutschland verwendet.
Das Kabelmodem reserviert dynamisch die Bandbreite für ein Gespräch. Ein zentraler Softswitch weist die Bandbreite dem Modem zu. In einem virtuellen Sprachkanal wird der Codec G.711 eingesetzt und somit ISDN-Sprachqualität erreicht. Der Übergang ins Telefonnetz erfolgt über ein Media-Gateway.
Weil das Kabelnetz von einem Anbieter kontrolliert wird, ist die Sprachqualität über das TV-Kabel besser als bei anderen VoIP-Anbietern, die keine Kontrolle über das Netz haben.
Auch die Notruffunktion ist möglich, da jeder Anschluss einen eindeutigen Standort hat. Die Koordinaten können an die Notruf-Leitstelle übermittelt werden.

Wie sicher ist DOCSIS?

Bei einem TV-Kabelnetz handelt es sich um ein Shared Medium. Das bedeutet, dass jeder beliebige Datenverkehr an einem TV-Kabelstrang von jedem Teilnehmer, der daran hängt mitgehört werden kann.
Aus diesem Grund werden die Verbindungen zwischen den einzelnen Kabelmodems und der CMTS in der Kabelkopfstelle des Netzbetreibers kryptografisch gesichert. Hierfür existiert eine Krypto-Funktion mit der Bezeichnung Baseline Privacy Plus (BPI+). Zur Authentifizierung sind die Kabelmodems mit einem individuellen Zertifikat ausgestattet, das auf die MAC-Adresse des Modems ausgestellt ist. Signiert ist das Zertifikat vom Gerätehersteller und das wiederum von der EuroDOCSIS Cable Modem Root CA. Diese Zertifikatskette stellt sicher, dass ein böswilliger Nutzer mit einem selbstgenerierten Zertifikat an einem fremden Kabelanschluss keinen Zugang erhält.
Die Schwachstelle in diesem System ist die Vertrauenswürdigkeit der Zertifikatskette und der Implementierung im Kabelmodem und der CMTS.

Übersicht: Kabelmodemtechnik

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