Data Over Cable Service Interface Specification

Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS) ist eine von Cable Labs um 1997 entwickelte Spezifikation für Schnittstellen von Kabelmodems und dazugehörigen Peripheriegeräten, die von der ITU im März 1998 ratifiziert wurde (ITU-T Recommendation J.112). DOCSIS ist dabei ein Standard, der die Anforderungen für Datenübertragung in einem Breitbandkabelnetz festlegt. Der wichtigste Anwendungsbereich von DOCSIS besteht in der schnellen Übertragung von Daten über bestehende Kabelfernsehnetze. Es steht damit in direkter Konkurrenz zu DSL und ermöglicht im Vergleich dazu durch die Verwendung von Koaxialkabeln (statt der ungeschirmten Kupfer-Doppelader bei Telefonanschlüssen) erheblich höhere Reichweiten und durch die konzeptionelle Auslegung auf Frequenzmultiplexübertragungen erheblich höhere Datenraten (siehe nebenstehende Grafik).

DOCSIS-Reichweite im Vergleich zu DSL-Varianten (nach Unitymedia)

Entwicklung

In der Frühzeit des Internets war es für Internetdienstanbieter noch nicht möglich bzw. wirtschaftlich, eine eigene Infrastruktur für den Internetzugang aufzubauen, wie etwa Glasfaser bis zum Endkunden. Stattdessen wurde bestehende Infrastruktur (zunächst Telefonleitungen, später auch Rundfunkkabelanschlüsse, Mobilfunknetze und andere Technologien) für diesen Zweck auf- und umgerüstet. DOCSIS wurde damit als konkurrierende technische Plattform eingeführt und erweitert den Rundfunkkabelanschluss um Datendienste wie das dominierende Internet, das seit DOCSIS 2.0 auch für Echtzeitkommunikation wie Voice over Cable genutzt werden kann. Damit werden zusätzlicher Mehrwert auf Kundenseite und neue Geschäftsmodelle auf Anbieterseite geschaffen, sogenannte Triple Play-Angebote (Rundfunk, Internet, IP-Telefonie).

DOCSIS 1.0

DOCSIS erzielt in Empfangsrichtung (englisch „downstream“) eine nutzbare Datentransferrate von etwa 38 Mbit/s (EuroDOCSIS: 50 Mbit/s) pro Fernsehkanal im Frequenzbereich von 50 MHz bis etwa 862 MHz sowie in Senderichtung (engl. „upstream“) eine nutzbare Datentransferrate von etwa 27 Mbit/s pro Kanal im Frequenzbereich von 5 MHz bis 65 MHz.

DOCSIS 2.0

Die Nachfolgespezifikation DOCSIS 2.0 wurde 2002 vorgestellt, vor dem Hintergrund der stärkeren Nachfrage von symmetrischen, Echtzeit erfordernden Datendiensten wie IP-Telefonie. DOCSIS 2.0 unterstützt ein Frequenzspektrum von 88 MHz bis 860 MHz im Downstream und (5 MHz) 30 MHz bis 42 MHz im Upstream.

DOCSIS 3.0

Die DOCSIS 3.0-Spezifikation wurde im August 2006 veröffentlicht. Durch Bündelung von bis zu 32 Kanälen können bei eingesetzter 256-QAM (je Kanal 38 bzw. 50 Mbit/s) Geschwindigkeiten von 1216 bzw. 1600 Mbit/s über EuroDOCSIS in Empfangsrichtung (Download) erreicht werden. In Senderichtung (Upload) können durch Bündelung von bis zu 8 Kanälen mit 256-QAM (je Kanal 27 bzw. 30 Mbit/s) 216 bzw. 240 Mbit/s über EuroDOCSIS erzielt werden. DOCSIS 3.0 unterstützt ein Frequenzspektrum von 108 MHz bis 1002 MHz im Downstream und 30 MHz bis 85 MHz im Upstream sowie IPv6.

DOCSIS 3.1

Die DOCSIS 3.1-Spezifikation wurde im Oktober 2013 veröffentlicht und unterstützt Datenraten von bis zu 10 GBit/s im Downstream und 1 Gbit/s im Upstream. Das wird durch 4096-QAM sowie 20 kHz bis 50 kHz breiten Trägern mit Orthogonaler Frequenz Divisions Multiplex Kodierung (OFDM) erreicht. Diese Träger können innerhalb eines Frequenzspektrums zusammengefasst werden, welches im Downstream mindestens 24 MHz und max. 192 MHz breit sein kann. DOCSIS 3.1 unterstützt ein Frequenzspektrum von bis zu 1,8 GHz im Downstream und im Upstream 5 MHz bis 204 MHz (weitere zulässige Upstream Splitfrequenzen: 65/85/117 MHz) sowie IPv6.

EuroDOCSIS

Durch die unterschiedlichen Fernsehsysteme sind die Frequenzen in den US-amerikanischen und europäischen Kabelnetzen unterschiedlich aufgeteilt. Während das europäische PAL-System Bandbreiten von 8 MHz fordert, genügt dem US-amerikanischen NTSC eine Bandbreite von 6 MHz.

Aus diesem Grunde wurden die DOCSIS-Spezifikationen für den europäischen Markt angepasst und firmieren unter dem Namen EuroDOCSIS.

Bedingt durch die größeren Frequenzbänder ermöglicht EuroDOCSIS pro Kanal eine größere Datenrate im Downstream, DOCSIS hingegen eine etwas flexiblere Frequenzbandbelegung. Durch Zusammenschaltung mehrerer Kanäle können aber insgesamt dieselben Datenraten erreicht werden.

Verbreitung

DSL ist der ältere und bekanntere Internetzugang. DOCSIS wird aufgrund der im Vergleich zu Wählverbindungen (vgl. Schmalbandkommunikation) deutlich höheren Datenraten oft mit DSL gleichgesetzt oder verglichen („DSL-Geschwindigkeit“). Beide Begriffe definieren jedoch unterschiedliche Zugangstechnologien unter dem Oberbegriff Breitband-Internetzugang.

Besonders in Frankreich, Österreich, der Schweiz und in den USA sowie in Ballungsräumen anderer Industrieländer sind mit dem DOCSIS-Standard arbeitende Kabelmodems weit verbreitet. In Deutschland ist die Anzahl von DOCSIS-Anbietern aufgrund der historisch bedingten komplizierten Aufteilung der Netzebenen der Kabelnetze begrenzt, die angebotenen Bandbreiten reizt vor allem Unitymedia aber auch Vodafone Kabel Deutschland die Kapazität von DOCSIS aus. Die Verfügbarkeit und Akzeptanz der DOCSIS-Angebote wächst in Deutschland rapide.

Noch 2017 war es allerdings für die Kabelnetzbetreiber problematisch, Modems für den neueren DOCSIS-Standard 3.1 zu erhalten.

Implementierung

DOCSIS im OSI-Schichtenmodell

OSI-Schichtenmodell

DOCSIS ist in den OSI-Schichten 1 und 2 angesiedelt und stellt somit die Plattform für die Übertragung und Sicherung von Daten bereit.

Auf der physischen Ebene sieht DOCSIS 1.0 Übertragungsbandbreiten von 0,2 MHz bis 3,2 MHz und DOCSIS 2.0 bis zu 6,4 MHz vor. DOCSIS 2.0 ist dabei voll abwärtskompatibel zu DOCSIS 1.0. Die zu übertragenen Daten werden mit Quadraturamplitudenmodulation moduliert (64-QAM oder 256-QAM für den Downstream und 16-QAM bzw. QPSK für den Upstream; DOCSIS 2.0 sieht außerdem 32-QAM, 64-QAM und 128-QAM für den Upstream vor).

Auf Schicht 2 verwendet DOCSIS eine Kombination von Zeitmultiplex- und Codemultiplexverfahren (Flexibles Zeitmultiplexverfahren, TDMA).

Technik

Die DOCSIS-Architektur besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten: Einem Kabelmodem auf der Kundenseite und einem Cable Modem Termination System (CMTS) in der Kabelkopfstelle des Anbieters.

Das CMTS besteht aus mehreren Downstream- und Upstream-Modulatoren, die jeweils einen Port bilden und die Verbindung zum Kabelmodem herstellen, ähnlich einem DSLAM in einem DSL-Netzwerk. Da Up- und Downstream jeweils in unterschiedlichen Frequenzbereichen lokalisiert sind, sind für eine bestehende Duplexverbindung immer zwei physische Ports nötig. Eine WAN-Schnittstelle schafft die Verbindung zwischen dem CMTS und dem IP-Backbone.

Die Teilnehmer-Endgeräte (Customer Premises Equipment) wie Computer oder Telefone sind über Ethernet, USB oder ATA mit dem Kabelmodem und weiterhin über das CMTS mit dem IP-Backbone verbunden.

Über das von DOCSIS implementierte Media Access Control (MAC) kann der Kabelnetzbetreiber das Kabelmodem konfigurieren, die Übertragungsbandbreiten regulieren und bestimmte Dienste aktivieren oder deaktivieren. Da in einem Breitbandkabelnetz gesendete Information potenziell an jede angeschlossene Einheit (und damit auch an andere Kabelmodems) übertragen wird, wird zudem durch MAC-Verschlüsselung die Privatsphäre der Kunden untereinander gewährleistet.

Literatur

• Andres Keller: Datenübertragung im Kabelnetz (DOCSIS über Hybrid-Fibre-Coax), Springer, 10.2004, ISBN 978-3-540-22501-0

Weblinks

• ZDNet.de: Highspeed-Internet im Kabel: 200 MBit/s mit EuroDocsis 3.0 28. Oktober 2009
• http://www.ietf.org/proceedings/01dec/slides/ipcdn-3/ – DOCSIS 2.0 (Präsentation)
• http://www.cablemodem.ch/cablemodeminfo/docsis2/docsis2.html – Vergleich zwischen DOCSIS 1.x und DOCSIS 2.0
• DOCSIS-Projektseite