DOCSIS* – תקן האינטרנט בכבלים

פתיחה :

בתים רבים מחוברים לשירותי תקשורת אינטרנט מהיר רחב פס על רשת הכבלים בבית (אלטרנטיבה לרשת אינטרנט על גבי קווי הטלפון ADSL) ונהנים מגלישה מהירה.

אך לא רבים יודעים שהתקשורת הזו מתאפשרת על ידי מודם המחובר לכבל Coaxial מצד אחד ולמספר צרכנים דיגטליים מגוונים ושונים מצד שני.

במאמר זה אסקור את התקן הבינלאומי DOCSIS* המאפשר את הגדרת התקשורת בין אלמנטים שונים דרך המודם בין הרשת והצרכנים הדיגטליים.[1]

ההיסטוריה של דוקסיס

Data Over Cable Service Interface Specificationהמוכר בשם DOCSIS הוא תקן שפותח בשנת 1997 ומגדיר את כל התקשורת בין כל הרכיבים השונים של המערכת על מנת לאפשר את מעבר המידע דיגטלי על רשת הכבלים.

רשת הכבלים הם כבלים מסוג Coaxial   שמעבירים את את שידורי הטלוויזיה בבתים ויכולים להעביר אנרגיית RF בתדרים שונים, כלומר גלי רדיו שמועברים בכבלים בניגוד לגלי הרדיו המוכרים שעוברים באוויר.

על גבי רשת זו ניתן להעביר אינטרנט, וידאו, ושיחות טלפון, במקביל, השילוב המזוהה בישראל כחבילת טריפל.

הטבלה הבאה מפרטת את התפתחות הדוקסיס בגרסאות השונות :

גירסאות תקן דוקסיס	תאריך ייצור	ערוץ הלוך	ערוץ חזור	מאפיינים
1.0	1997	40 Mbit/s	10 Mbit/s	טיוטת התקן ההתחלתי הכולל ערוץ הורדה אחד וערוץ העלאה אחד. שימש בעיקר לאינטרנט מהיר.
1.1	2001	40 Mbit/s	10 Mbit/s	הוספת יכולת   VoIP, אבטחת BPI בין המודם וה CMTS הגדרת התקן של Docsis 1.0 QoS תמיכה בשיחות טלפון, משחקים וסטרימינג.
2.0	2002	40 Mbit/s	30 Mbit/s	שיפור בקצב העלאת המידע, תמיכה בשרותים סימטריים שמבוססים על ערוצי העלאה וההורדה ושיפור באיכות מידע ההעלאה.
3.0	2006	1.2 Gbit/s	200 Mbit/s	שיפור משמעותי בהורדת/העלאת המידע, תמיכה ב  IPv6, הציגה איחוד של מספר ערוצים והגדלת רוחב הפס.
3.1	2013	10 Gbit/s	1–2 Gbit/s	שיפור משמעותי בהורדת/העלאת המידע, בניה חדשה לשימוש במספר ערוצים במקביל. תמיכה בטכנולוגיית OFDM לטובת העברת עוד מידע בערוצים קיימים.

תקן דוקסיס פותח וממשיך להיות מפותח ולהשתפר על ידי חברת Cable Television Laboratories הידועה בשם Cable Labs* כאלטרנטיבה לשרותי הטלפוניה שעד לאותה תקופה היו היחידים שהעבירו את המידע הדיגטלי לבתים.

חברת Cable Labs שהיא קונסורציום של מפעילי שירותי הכבלים בארה”ב, מתפקדת גם כגוף האחראי על התקינה של התקן, וגם כגוף שבסמכותו לאשרר מוצר שעובד לפי התקן ולסמנו בהתאם לטובת הציבור.

ב DOCSIS 3.1 שהוא התקן העדכני ביותר, OFDM[2]  הוא מרכיב בעל חשיבות רבה המאפשר הגדלת רוחב הפס על ידי אוסף של ערוצים צפופים החל מ KHZ 25 עד 192MHZ ,לעומת MHZ6 US \ MHZ8 EURO של ערוצי (SCQAM[3])  ובכך מאפשר הגדלת תעבורת המידע.

שילוב של דור חדש של FEC[4] הקרוי [5]LDPC יחד עם ה OFDM  מאפשר שימוש בתשתית הכבלים הקיימת ללא צורך לשדרג את התשתית דבר שתרם רבות להטמעת הטכנולוגיה ללא צורך לחפור תעלות נוספות מסביב לבית עבור כבלים נוספים. הוא גם משפר את היעילות של כל ביט באמצעות מנגנוני AQM[6]  המאפשרים ניהול טוב יותר של תורים במודם ובכך משפרים את זמן השהייה של כל פיסת מידע במערכת. ((Latency.

התקן ממשיך להתפתח וכיוון שיש צורך בשרותים OTT7 ,video, 4K video, 3DTV, etc מדברים על תקן DOCSIS 3.1 Bi-Directional Full Dupplex , שעל אותם ערוצים תהיה העלאה והורדה של מידע במקביל (בניגוד לערוצי העלאה וערוצי הורדה נפרדים בתדרים ב3.1 Half Duplex)) כדי להגדיל את רוחב הפס ולאפשר את השירותים הללו.

המצב כיום  בתקן Docsis

כיום משתמשים בתקן DOCSIS 3.1 בתקנים אירופאים או אמריקאים ששונים זה מזה בתחום התדרים, ברווחים ביניהם ועוד, ומבחינת קצבי שידור של העלאה והורדה.

כיוון שיש מגבלה פיזית לערוצים להעביר כמות בלתי מוגבלת של מידע, כדי להגיע לקצבים כאלה עושים שימוש בכמה ערוצי הורדה מקביליים שמתחברים ביחד ומאפשרים את רוחב הפס הגדול ובדומה לכך גם את ערוצי העלאה.

רוב השימוש ברוחב הפס הוא בהורדה כמו הורדת מדיה, סרטים, קבצים כו’ ולא בהעלאה כמו שמעלים לענן או לשרתים אחרים, ולכן יש אסימטריות בין העלאה לבין ההורדה.

לטובת ההורדה מוקצים 32 ערוצי SCQAM ועוד 2 ערוצי OFDM ולעומתם בהעלאה יש 8 ערוציSCQAM  ועוד שני ערוצי OFDMA (שהוא ערוץ OFDM אבל עבור ערוץ אעלאה).

אם כל ערוץ יש לו מגבלה פיזית ותומך ב 27-38 Mbps  השילוב של 32 ערוצי SCQAM ועוד 2 ערוצי OFDM ולעומתם בהעלאה יש 8 ערוצי SCQAM ועוד שני ערוצי OFDMA, יוצרים את היכולת הבאה :

בארה”ב ובישראל

הורדה (32 cannels *38Mbps =  1,216Mbps)  +  (2 Chennels OFDM *1880Mbps = 3,760 Mbps)

סה”כ 4,976Mbps~

העלאה (8 channels * 27Mbps = 216Mbps ) + (2 Channels OFMDA *940 Mbps = 1,880 Mbps)

סה”כ Mbps 2,096~

באירופה

הורדה (32 channels *50 Mbps =1600 Mbps) +  (2 Channels OFDM *1880 Mbps = 1,400 Mbps)

סה”כ Mbps 5,360~

העלאה (8 Channels  *27 Mbps = 216 Mbps) + (2 Channels OFDMA *940 = 1880 Mbps)

סה”כ Mbps  2,096~

העתיד בשוק הכבלים

גירסאת דוקסיס	תאריך ייצור	ערוץ הלוך	ערוץ חזור	מאפיינים
Full Duplex/Bi-directional דו-כיווני	2017	10 Gbit/s	10 Gbit/s	מהירות העלאה והורדה סימטריים

מרכיבים מרכזיים במערכת

מרכיבי התשתית העיקריים : שרת  CMTS ,שרתי זמן, שרתי תוכן, שרתי אבטחה, שרתי TFTP, שרתי טלפוניה וכו’ , מודם 8CM , צרכנים דיגטליים כגון מחשבים נייחים, וטלפונים קוייים המוחברים חוטית עם כבל Ethernet או Wifi , וגם מחשבים ניידים, טאבלטים, או טלפונים אלחוטיים ,באמצעות WIFI

החיבוריות לצרכנים דיגטליים שמאפשר המודם בכבלים

הצרכנים הדיגטליים של האינטרנט בכבלים יכולים להתחבר דרך מספר אפשרויות שונות למודם הכבלים כגון דרך כבל Ethernet, ,WIFI   9MOCA*  שמשמש כתחליף לרשת תקשורת ביתית קוית על גבי תשתית כבלים (כבל Coax וכן טכנולוגיות חיבוריות לבית חכם כגון Bluetooth*, Zigbee* ועוד.

Cable Modem Termination System8

Multimedia Over Coax Alliance9

מי שמנהל את הרשת הוא ה CMTS, ה CMTS שולח למודמים פקודות והוראות כדי לאפשר לרשת להיות אופטימלית במונחים של סנכרון זמן שידור, תדר ועוצמות השידור כדי לאפשר העברת מידע בקצבים גבוהים וללא הפרעות.

יחסי הגומלין בין הצרכנים ואיך התקן מגדיר את היחסים ביניהם

ניהול הרשת הוא תפקידו הבלעדי של ה CMTS בצורה זאת הוא מווסת ושולט על תעבורת המידע, בנוסף הוא אוכף את התקן על המודמים ומחייב את המודמים המחוברים לעבוד לפי התקן.

המצבים השונים של המודם החל מהדלקה ועד העברת המידע באופן מלא ברוחב פס מלא.

נתוני הפתיחה שהמערכת עובדת לפיה היא שהCMTS  משדר מידע ייחודי בערוצים ספיציפיים באופן קבוע בשידור BROADCAST  לכל הרשת.

בעת שהמודם נדלק הוא מתחיל לסרוק את התדרים על ידי רכיב חומרתי ומתחילה להיווצר תקשורת בשלבים, באמצעות מכונת מצבים שנשלטת על ידי קוד התוכנה שרצה במודם.

לאחר מספר שלבי התחברות כגון סינכרון, רכישת כתובת IP וקונפיגורצית עבודה, המודם ננעל על כל ערוצי ההורדה והעלאה ומאפשר את התקשורת בפס הרחב.

במידה ואחד השלבים נכשל יש פרק זמן בו המודם ממשיך לנסות להצליח בשלב, ואם בכל זאת נכשל חוזר לשלב הראשון ומנסה מהתחלה.

אינטל ושוק הDocsis  

אינטל היא ספקית מובילה של פתרונות ומוצרי DOCSIS למודמים ולנתבים ומרבית הפיתוח של המוצרים מתבצע בישראל. כמו כן אינטל משקיעה בחידושים בתחום הכבלים בפס רחב בכלל, ובעלת תפקיד מוביל בפיתוח תקן Docsis בפרט.

השבב של אינטל Intel® Puma™ 7 SoC10 הוא פתרון מוביל ל Docsis 3.1  המאפשר תמיכה בתעבורה בפס רחב, אשר הארכיטקטורה שלו תוכננה למגוון רחב של שימושים ברשת הביתית וברשת האינטרנט , ומוטמע במוצרים רבים בכל רחבי העולם.

אינטל גם מציעה קשת של פתרונות WIFI ו Ethernet מותאמים לנתבים ומודמים ביתיים המעבירים חיבוריות אינטרנט בקצב גבוה.

לסיכום

תקן ה Docsis הוא תקן מוביל לשירותי אינטרנט וכיום נפוץ מאוד בעולם. הוא מתאים עצמו לדרישות השוק והתחרות מול הטכנולוגיות המתחרות. התקן מאפשר תקשורת מהירה, שיפור באיכות השימוש, חסכון בחשמל וסללה את הדרך לתקשורת רחבת פס של 1 ג’יגה ביט ליותר מ 80% משוק הכבלים בבתים בארה”ב כיום.

Docsis  דו כיווני עם מהירות סימטרית יתרחב על בסיס התשתית הקיימת, ויאפשר העברת נתונים של 10 ג’יגה למאות מילוני בתים. זהו חלק משמעותי ומרכזי מאוד במערכות 10 ג’יגהביט הנתמכות על ידי אינטל, ספקי שירותים וכו’.

תקן הכבלים Docsis ממשיך להתפתח ולהתקדם על מנת לעמוד בקצב הדרישות לרוחב פס הולך וגדל, וכמות צרכנים דיגטליים הולכת וגדלה.ר כיכולת של משתמש כלשהו לצפות בתכנים, שאינם מועברים באמצעות טכנולוגיות השידור המסורתיות: טלוויזיה בכבלים