A jeste pridam jeden velmi dobry clanek od pana M. Procházky:
Vysokorychlostní přístup k internetu prostřednictvím kabelových HFC sítí
Marcel Procházka
Karneval Media, s.r.o.
Článek se zabývá minulostí a současností HFC sítí a jejich technickými možnostmi. Dále se zaměřuje na technologie pro poskytování vysokorychlostního internetu, poskytované služby a monitorování provozních parametrů. V závěru se soustřeďuje na budoucnost HFC sítí a poskytovaných služeb.
n Úvod
Přístup k internetu se stává základní telekomunikační službou, kterou všichni telekomunikační operátoři musí poskytovat, aby obstáli v ostrém konkurenčním boji. Důvodem je stále intenzivnější využívání internetu firmami i domácnostmi, a to nejen pro získávání html obsahu a e-mailu, ale i pro hlasové služby, virtuální privátní sítě, hraní síťových her, videokonference a řadu dalších aplikací, pro které dříve musely být budovány dedikované telekomunikační okruhy.
V minulých desetiletích investovali telekomunikační operátoři značné finanční prostředky do budování místních telefonních twist pair sítí, které byly projektovány a dimenzovány pro provoz hlasových služeb v pásmu 300–3400 Hz. S rozvojem datových služeb a později internetu nastala potřeba přenášet data i prostřednictvím těchto telefonních sítí. To byl impulz pro nasazování modemů, které přenos datových signálů přes telefonní sítě a veřejné telefonní ústředny umožňují. Dnešní standardy, které jsou v modemech implementovány, umožňují dosahovat maximální přenosovou rychlostí 56/33 kbit/s v half duplexním režimu. ISDN (Integrated Services Digital Network) technologie poskytuje rychlost až 128 kbit/s a teprve DSL (Digital Subscriber Line) technologie umožňuje za pomoci CAP (Carrierless Phase Modulation) a DST (Discrete Multitone) lépe využít twist pair kabely, vyhnout se úzkému hrdlu pro přenos dat, telefonní ústředně, a poskytovat rychlost v jednotkách Mbit/s nebo stovkách kbit/s v závislosti na vzdálenosti ústředny s DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) a ADSL modemu. Technologie ADSL totiž využívá frekvenční pásmo twist pair kabelu až do 1,1 MHz, a to v závislosti na délce vedení. Do mnoha domácnosti však vede kabel, který má výrazně lepší technické parametry než twist pair kabel. Je to koaxiální kabel kabelové televize. Tato síť má frekvenční rozsah standardně do 860 MHz. Kapacitu HFC sítě lze demonstrovat na sledování jednoho analogového televizního programu o šířce pásma 8 MHz, jehož ekvivalentem je datový tok 50 Mbit/s při použití modulace 256QAM. Tento typ modulace se primárně používá na HFC sítích pro přenos digitálních signálů v dopředném směru, ve zpětném směru pak QPSK, 8QAM, 16QAM, 32QAM, 64QAM nebo 128QAM. HFC sítě jsou dnes nejvýkonnější kabelové sítě pro poskytování širokopásmových a vysokorychlostních služeb v masovém měřítku rezidenčním i firemním klientům.
n Minulost a současnost HFC sítí
V „daleké“ minulosti byly sítě kabelové televize stavěny výhradně na bázi koaxiálních kabelů, primárních, sekundárních a terciálních zesilovačů. Kmitočtový rozsah těchto sítí byl zpočátku do 300 MHz, později do 450 MHz a fungovaly pouze jako jednosměrné. Design sítí často závisel na konkrétním dodavateli aktivních nebo pasivních komponentů. Hlavními nedostatky těchto sítí byl nízký frekvenční rozsah, omezená rozšiřitelnost sítě, nízký počet reálně připojitelných klientů na jednu hlavní stanici, degradace kvality přenášených analogových signálů a prakticky nemožné zálohování hlavních distribučních tras. Tato omezení umožňovala síť využívat pouze pro přenos jednosměrného analogového televizního vysílání, a to i s ohledem na ne příliš rozvinuté digitální technologie. S rozvojem optických přenosových systémů dochází i k významnému snižování cen za tyto komponenty. To umožnilo kabelovým operátorům upgradovat a stavět nové, výkonnější sítě s neporovnatelně lepšími systémovými parametry a možnostmi pro poskytování takových služeb, které se teprve rozvíjely nebo ještě ani neexistovaly. Pro tento typ sítí se vžil název HFC (Hybrid Fiber Coax), protože v sobě integrují optické a koaxiální prvky. V roce 1996 bylo v USA pouze 8 % sítí typu HFC. V roce 2002 to bylo 60–70 % a podobná situace je i v Evropě. Hluboká recese po roce 2000 v IT a telekomunikacích nepříznivě ovlivnila rychlost upgrade, výstavby nových HFC sítí i zavádění nových služeb, ale v posledních čtvrtletích je cítit vzrůstající zájem investorů o kabelové operátory. Vedle opatrných investic do obsahu, videa na přání nebo hlasových služeb na IP vrstvě se začalo investovat do technologií, které umožňují poskytovat vysokorychlostní datové služby na telekomunikačních sítích. U telefonních sítí je to známé xDSL, na sítích kabelové televize se prosadil standard DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) nebo evropská verze - EuroDOCSIS.
n Technické možnosti HFC sítí
Mohlo by se zdát, že technické možností HFC sítí jsou limitovány hlavně koaxiální částí. Daleko důležitějším kritériem je však správná topologie, která je rozhodující pro budoucí zvyšování výkonnosti sítě. Přestože se nacházíme po období recese telekomunikačního trhu a ze strany akcionářů a investorů je kladen důraz na co nejrychlejší návratnost investice, lze sítě budovat tak, aby splňovaly výkonnostní parametry pro dnešek i blízkou budoucnost a zároveň umožnily relativně levný a rychlý upgrade v případě požadavků na zvýšení kapacity. Dnešní HFC sítě jsou většinou budovány systémem HFC 500, což znamená, že na poslední optický uzel je pomocí koaxiální sítě připojeno maximálně 500 bytů nebo firem. V případě vyčerpání kapacity koaxiálního kabelu lze HFC síť přebudovat na HFC 200, nebo HFC 100. Kabeloví operátoři totiž vedle distribučních koaxiálních kabelů obvykle přikládají i chráničky pro budoucí instalaci optických kabelů. Optické sítě kabelových operátorů jsou dnes jednoznačně nejblíže koncovým klientům, což operátorům dává konkurenční výhodu pro poskytování vysokorychlostních multimediálních služeb.
Optická část HFC sítě (1310, 1550 nm) je budována na jednovidových vláknech obvykle jako jednostupňová, nebo dvoustupňová, a to podle rozsahu sítě. Používaná optická jednovidová vlákna (9 x 125 single mod, průměr vidového pole 9,3 µm) splňují normy ITU-T Recommendation G.652, IEC 793-2: 1992, Category B 1.1, EN 188 101. Pro modulaci kmitočtového multiplexu (50–870 MHz) se používají DFB (Distributed Feedback) lasery a optické zesilovače typu EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier), které se vyznačují velmi dobrými šumovými a intermodulačními parametry. Vzhledem k vysokým výstupním výkonům zesilovačů EDFA (14–22 dBm) lze analogový signál přenášet na delší vzdálenosti (desítky km). Jako limitující faktor se zde projevuje disperze vláken. Z důvodu přenosu i analogových signálů jsou kladeny vyšší nároky na potlačení odrazů, a proto se používají konektory typu APC. Diody v optických přijímačích jsou širokopásmové, takže dokáží zpracovávat obě vlnové délky a v případě jejich změny se nemusí vyměňovat. Novější modely mohou být na vstupu osazeny dvěma diodami, lze proto zajistit automatické přepnutí na záložní okruh v případě porušení optického kabelu nebo jiné závady. Frekvenční rozsah zpětného směru na optické části HFC sítě je obvykle do 210 MHz. V případě velkého množství optických nodů a tím i zpětných směrů lze použít technologii DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), nebo CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexer). Instalované kabely běžně obsahují stovky vláken, které operátoři využívají i pro nasazení specializovaných datových technologií, jako jsou SDH (Synchronous Digital Hierarchy), Fast Ethernet nebo Gigabit Ethernet pro propojování distribuovaných datových center a volnou kapacitu pronajímají. V koaxiální síti se většinou používají měděné nebo hliníkové kabely s pevným dielektrikem. Pro zesilování elektrický signálů jsou na koaxiálních sítích instalovány křemíkové nebo GaAs (Galium-Arsenid) zesilovače. Napájení zesilovačů elektrickou energií je prováděno dálkově přes koaxiální kabely. Počet zesilovačů mezi optickým nodem a účastnickou zásuvkou klienta se podle konkrétní topologie sítě pohybuje v rozmezí 1–4. HFC síť je dimenzována pro přenos desítek analogových televizních (AM VSB, CCIR B-G nebo D-K) a rozhlasových nosných frekvencí (FM stereo MPX), signálů pro přenos digitální televize (například DVB-C/MPEG-2) nebo datových a internetových služeb (DOCSIS nebo EuroDOCSIS).
Jaké parametry HFC sítě jsou důležité pro provoz datových služeb realizovaných pomocí DOCSIS technologie?
Dopředný směr:
Odstup nosné k šumu (64QAM) : > 23,5 dB
Odstup nosné k šumu (256QAM) : > 35 dB
Odstup nosné k rušení : > 35 dB
Odstup nosné k CTB a CSO : > 41 dBc
Amplitudové zvlnění : max. 3 dB v 6 MHz
Skupinové zpoždění : 75 ns v 6 MHz
Odstup nosné k brumu (50 Hz) : > 26 dBc
Vstupní úroveň kabelového modemu : 45–75 dB/µV
Zpětný směr:
Odstup nosné k šumu, rušení a interferencím : > 25 db
Odstupnosné k brumu (50 Hz) : > 23 dBc
Amplitudové zvlnění : max. 0,5 dB/MHz
Skupinové zpoždění : 200 ns/MHz
Výstupní úroveň kabelového modemu : 68–118 dB/µV (QPSK), 68–115 dB/µV (QAM),
Celkové zpoždění signálu na přenosové trase mezi CM a CMTS : < 800 ms
n Technologie pro poskytování vysokorychlostního internetu
Počátky zkoušení a nasazování technologií pro přenos dat na koaxiálních nebo HFC sítí se datují do 90. let minulého století. Mezi nejvíce rozšířené systémy patřil LANcity společnosti Bay Networks, WestBound společnosti WestEnd a ComUNITY společnosti COM21. Posledně jmenovaný systém byl před rokem prodán společnosti HS Data, která ho stále aktivně nabízí. Právě ComUNITY systém nasadil vysoko laťku pro nově rodící se standard IEEE 802.14, který měla rozvinout pracovní skupina Cable TV Media Access Control and Physical Protocol Working Group (1994). Vzhledem k časovým průtahům vývoje nového standardu se nedočkaví operátoři rozhodli v roce 1997 přijmout zcela nové řešení – DOCSIS 1.0 (Data Over Cable Service Interface Specification), které se stalo základem i pro doporučení Mezinárodní telekomunikační unie ITU J.112. Na rychlé dokončení standardizace DOCSIS 1.0 byl vyvíjen značný tlak. Výsledkem překotného vývoje byl standard vhodný pouze pro přístup k internetu se šířkou pásma 6 MHz v dopředném směru. DOCSIS 1.0 totiž postrádá funkce pro zajištění QoS (Quality of Service), čímž je znemožněno poskytování služeb citlivých na zpoždění paketů, jako je přenos hlasu a obrazu. Pro evropské sítě, které na rozdíl od severoamerického kontinentu používají šířku pásma 8 MHz pro přenos jednoho televizního kanálu, byla vyvinuta evropská verze – EuroDOCSIS, která poskytuje vyšší rychlost v dopředném směru o cca 25 %. Vývoj DOCSIS standardu vyústil ve vytvoření verze 1.1, která na rozdíl od verze 1.0 plně podporuje QoS, řetězení a fragmentaci paketů, Payload Header utajení, IP (Internet protocol) Multicast, CM (Cable Modem) autentificace, SNMPv3 (Simple Network Management Protocol), CM Account Management, Fault Management, Secure Software a další vylepšení. DOCSIS 1.1 tak plně podporuje provoz hlasových služeb, což se v blízké budoucnosti stane významným faktorem v konkurenčním soupeření s tradičními telefonními operátory. V roce 2002 byl přijat nový standard DOCSIS 2.0, který zásadním způsoben vylepšuje parametry a výkonnost systému hlavně ve zpětném směru. Maximální rychlost ve zpětném směru byla zvýšena z 10 na 30 Mbit/s pomocí dvou modulačních technik – S-CDMA (Synchronous Code Division Multiple Access) a A-TDMA (Advanced Frequency Agile Time Division Multiple Access). Stejným vývojem prochází i evropská verze DOCSIS. Zpětná kompatibilita mezi odlišnými verzemi DOCSIS a vzájemná interoperabilita mezi produkty různých výrobců je zajišťována a ověřována konsorciem Cable Television Laboratories (www.cablelabs.com) nebo v tComLabs (www.tcomlabs.com) pro EuroDOCSIS..
Hlavními prvky přenosového systému DOCSIS a EuroDOCSIS je CMTS (Cable Modem Termination System) a kabelový modem. CMTS je obvykle výkonný bridge nebo router, který je do datové sítě připojen pomocí síťového rozhraní realizovaného Fast, nebo Gigabit Ethernetem v optickém nebo metalickém provedení, na straně druhé vysokofrekvenčním rozhraním, které je připojeno do HFC sítě. CMTS obvykle obsahuje UP convertor do frekvenčního pásma 88–862 MHz se šířkou kanálu 6 MHz (DOCSIS) a 102–862 MHz se šířkou kanálu 8 MHz (EuroDOCSIS) pro vysílání dopředného směru. Pro komunikaci ve zpětném směru je CMTS vybaven jedním až osmi přijímači, které pracují v rozsahu 5–42 MHz (DOCSIS) a 5–65 MHz (EuroDOCSIS). Počet klientů, které je možné připojit na jeden CMTS, je závislý na šumových parametrech sítě a typu poskytovaných služeb. Současná průměrná hodnota se pohybuje mezi 700 až 1000 připojených kabelových modemů k jednomu CMTS s jedním dopředným a čtyřmi zpětnými směry. Kabelové modemy dnes vyrábějí desítky společností a staly se spotřebním zbožím. Cena modemu během několika let klesla o více než 85 %, což umožnilo výrazné snížení cen za zřízení i provoz služeb. Kabelový modem je bridge s některými funkcemi routeru. Konfigurace parametrů kabelového modemu a služeb je prováděna pomocí speciálních, zabezpečených souborů, které jsou generovány telekomunikačním operátorem. Každý modem má jedinečnou MAC adresu, která ho reprezentuje v kabelové síti. Technických parametrů, které jdou na modemu nastavit, jsou desítky. Pomocí těchto nastavení lze například definovat rychlost v dopředném a zpětném směru nebo počet zařízení zákazníka připojitelných ke kabelovému modemu, IP adresu, blokovat jednotlivé porty, nastavovat QoS pro konkrétní typy služeb atd. Kabelový modem se připojuje přímo do zásuvky kabelové televize a pomocí Ethernet, nebo i USB rozhraní do klientova počítače. Instalace je velice snadná a rychlá. Na rozdíl od ADSL jsou parametry datových služeb nezávislé na vzdálenosti kabelového modemu od CMTS. DOCSIS poskytuje stejné parametry služeb pro klienty kteří jsou připojeni 200 m od hlavní stanice, nebo desítky kilometrů. Maximální vzdálenost modemu a CMTS je více než 100 km, dále se už uplatňuje limitující parametr časového zpoždění přenášených signálů.
Vedle DOCSIS technologie jsou pro provoz internetu neméně důležité Internet provisioning servery, datové switche a routery:
l web server (počítač, kde jsou uloženy www stránky),
l mail server POP3, SMTP (zabezpečuje příjem a rozesílání elektronické pošty),
l FTP server (zabezpečuje přenos souborů přes internet),
l T-FTP (server pro přenos konfiguračních souborů do kabelových modemů),
l DHCP server (provádí přidělování IP adres pro CM a PC),
l DNS server (provádí překlad názvů www stránek na IP adresy),
l NAT (zabezpečuje překlad adres),
l PROXY server (zvyšuje rychlost přístupu k www obsahu, který byl již jednou přenesen z internetu do sítě operátora),
l ToD server (provádí časovou synchronizaci všech datových zařízení).Novinkou v oblasti kabelových modemů je právě certifikovaný modem s Wi-Fi přístupovým bodem, DHCP a print serverem a integrovaným switchem.
n Poskytované služby, monitorování provozních parametrů
V současné době je pomocí HFC sítí a DOCSIS technologií poskytována řada komunikačních služeb. Těmi nejvíce rozšířenými jsou:
l vysokorychlostní přístup k internetu,
l virtuální privátní sítě,
l internetové hlasové služby, plnohodnotné hlasové služby,
l telekomunikační okruhy,
l video a audio na vyžádání,
l video a audio streaming,
l dálkové odečty energií,
l videokonference,
l on-line hry,
l messaging,
l využití televizního přijímače pro web, e-mail, messaging a hraní on-line her,
l monitoring prostorů (byty, kanceláře),
l P2P sítě,
l prodej audio a video obsahu.
V České republice se standardní rychlosti realizované DOCSIS a EuroDOCSIS technologií pohybují mezi 1 a 2 Mbit/s, v západní Evropě je to 2–3 Mbit/s a na severoamerickém kontinentu 2–5 Mbit/s. Maximální rychlost koncového kabelového modemu EuroDOCSIS 2.0 je 50/30 Mbit/s. Z těchto údajů je zřejmý značný potenciál pro další rozvoj služeb pomocí této přenosové technologie.
V roce 1998 neexistoval profesionální, výkonný a spolehlivý software pro řízení a dohled DOCSIS technologií a služeb. Velká část operátorů si pro zajištění provozu musela vyvinout vlastní software. Dnes lze koupit výkonné a komplexní řídicí systémy pro zajištění provozu DOCSIS technologií, které lze vzhledem ke standardizaci relativně snadno implementovat. Řada operátorů však stále rozvíjí vlastní software jak z finančních důvodů, tak z hlediska flexibility při vytváření nových typů služeb, analýz, reportů a propojitelnosti s dalšími firemními SW aplikacemi. Dnešní řídicí a dohledové systémy umožňují rychlé připojování nových klientů, včetně automatického vytváření všech potřebných nastavení pro provoz služeb a jejich dynamické změny, on-line sledování veškerých parametrů koncových zařízení – kabelových modemů, ukládání těchto informací do databází a zpětné analyzování uložených dat.
n Budoucnost HFC sítí a poskytovaných služeb
Topologie HFC sítí se budou postupně měnit, koaxiální část se bude zkracovat, optická část se bude stále více přibližovat ke koncovým klientům a počet optických nodů se bude zvyšovat. Tato změna umožní poskytnout vyšší přenosové rychlosti většímu počtu klientů. Na HFC sítích budou masově implementovány vysokofrekvenční dohledové systémy, které výrazně zvýší spolehlivost poskytovaných služeb. Tato finančně náročná zařízení se již na některé sítě instalují. HFC sítě jsou v technických a výkonnostních parametrech ve výhodě proti telefonním sítím, proti mluví jen větší pokrytí území telefonními rozvody. Penetrace Internetu se členěním podle typu přístupový technologií v různých zemích lze najít na obrázku č.2.
Předvídat rozvoj služeb spojených s internetem je velice obtížné. Již několik let se hledá „kill aplication“, něco podobného jako SMS v mobilních komunikacích, zatím bez výsledku. Určitě se bude stále zvyšovat přístupová rychlost k internetu vzhledem k vysoké oblibě P2P sítí. Služby obsahu se oproti zvyšujícím se přístupovým rychlostem rozvíjejí relativně pomalu. Informace o výnosech ze služeb s přidanou hodnotou lze najít na obrázku č.1. Dlouho se vedly polemiky, co má být dříve – zda obsah, aby generoval poptávku po broadband připojení, nebo vysokorychlostní přístupové trasy k jednotlivým klientům, aby akcelerovaly výrobu obsahu vhodného pro tyto typy připojení. Vzhledem k současným přístupovým rychlostem do internetu, které jsou již použitelné i pro rychlostně náročné aplikace a snahy výrobců a dodavatelů obsahu redukovat pirátské šíření audiovizuálních děl, nastal pozitivní zlom v důvěře investorů vkládat prostředky do nákupu nebo výroby obsahu vhodného pro vysokorychlostní internet.
Přestože je trh s hlasovými službami saturován, hlavně s přispěním mobilních operátorů, existuje ve světě řada společností, které s triple play (video, internet, hlas) slaví úspěchy. Dnes se triple play stává podmínkou pro úspěšný rozvoj firem, a to jak původně pouze telefonních, tak i televizních společností. Vzhledem k rychlému technologickému vývoji v oblasti konvergence různých přenosových médií pro hlasové a datové služby, se naskýtá příležitost skloubit kabelové služby založené na DOCSIS nebo DSL s mobilními službami provozovanými na GSM (GPRS, EDGE), CDMA, Wi-Fi, WiMax, DVB-T a UMTS standardech.
Vždy bude záležet na konkrétních podmínkách trhu a je na zvážení zejména marketingových šéfů, jestli se podaří připravit takový produkt, který osloví potřebný počet klientů.
Kontaktní adresa
Marcel Procházka
Ředitel pro rozvoj telekomunikačních služeb
Karneval Media s.r.o.
e-mail: marcel.prochazka@karnevalmedia.cz
www.karneval.cz
