Le passage à DOCSIS 3.1 : Une mise à niveau importante
Cinq ans après la publication de la spécification 3.0, DOCSIS 3.1 est devenu disponible. Cette technologie a connu un changement radical par rapport à l'itération précédente de DOCSIS. Jusqu'à la version 3.0, la technique de modulation utilisée pour le DOCSIS en aval était (et est toujours) la SC-QAM (Single Carrier Quadrature Amplitude Modulation, ou modulation d'amplitude en quadrature à porteuse unique). Dans cette technique de modulation, un signal à porteuse unique est modulé à l'aide d'une modulation d'amplitude et de phase à une largeur de bande spécifique. La spécification DOCSIS 3.0 module le signal porteur avec jusqu'à 256 QAM (modulation d'amplitude en quadrature) par canal.
DOCSIS 3.1 utilise des techniques de modulation plus récentes et plus avancées appelées Multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) et l'accès multiple par répartition orthogonale de la fréquence (OFDMA).L'OFDM divise la largeur de bande occupée en plusieurs sous-canaux à bande étroite, au lieu d'un seul canal à large bande. L'OFDM se compose de plusieurs sous-porteuses orthogonales qui peuvent chacune être modulées avec un ordre de modulation différent, ce qui permet d'utiliser efficacement la largeur de bande au lieu de n'utiliser qu'une largeur de bande spécifique pour l'émission. Comme les sous-porteuses sont orthogonales, elles peuvent être rapprochées sans bandes de garde. Il en résulte une utilisation plus efficace de la largeur de bande, des débits de données plus élevés et de meilleures performances dans des conditions de réseau difficiles. L'OFDMA, en tant qu'accès multiple, est similaire à l'OFDM qui prend un canal et le subdivise, mais il peut assigner ces sous-canaux à de nombreux appareils et fréquences de manière plus efficace au fil du temps. En employant des ordres de modulation plus élevés et plus efficaces tels que 1k-QAM à 4k-QAM au lieu de 256 QAM, les fournisseurs de câble peuvent insérer plus de bits par hertz.
Ces changements ont apporté des avantages considérables au protocole :
- Adaptation facile aux conditions sévères du canal.
- Utilisation efficace du spectre en le partageant entre plusieurs utilisateurs grâce à la technologie de l'accès multiple.
- Réduction des interférences.
- Schémas de modulation flexibles.
Parallèlement, un changement de cette ampleur a rendu la mise en œuvre beaucoup plus compliquée que les spécifications précédentes. Le déploiement a été (et est toujours) une entreprise majeure et ne s'est pas fait du jour au lendemain. Les opérateurs de systèmes multiples (MSO) ont exigé une refonte complète du matériel, ce qui a représenté un coût important pour le déploiement des nouveaux dispositifs passifs et actifs du système de terminaison du modem-câble (CMTS). Dans certains cas, l'infrastructure elle-même a dû être repensée. Par exemple, la bande en amont de 85 MHz, appelée "mid-split", a posé beaucoup moins de problèmes car l'équipement DOCSIS 3.0 existant utilise la même largeur de bande ; en revanche, la bande de 204 MHz, appelée "high-split", a nécessité des modifications de l'équipement, y compris de l'équipement des locaux du client. En outre, le réseau devait être mis à niveau pour relever la limite supérieure du spectre en aval. Il s'agissait d'un véritable défi, car il fallait remplacer à la fois les dispositifs passifs et les dispositifs actifs.
Largeur de bande du réseau et extension des canaux
Comme DOCSIS 3.1 a permis l'expansion du réseau en amont et en aval selon les besoins des opérateurs, un aspect important de DOCSIS 3.1 est qu'il fonctionne sur les réseaux HFC existants. Ces réseaux peuvent être mis à jour pour accueillir une plus grande largeur de bande, comme le prévoit la spécification DOCSIS 3.1 :
Dans le sens descendant, le système de câble est supposé avoir une bande passante avec un bord inférieur de 54 MHz, 87,5 MHz, 108 MHz ou 258 MHz, et un bord supérieur qui dépend de la mise en œuvre, mais qui se situe généralement entre 550 et 1002 MHz. Les bords supérieurs des fréquences s'étendant jusqu'à 1218 MHz, 1794 MHz et autres sont prévus dans les migrations des installations pour augmenter la capacité du réseau.
Dans la direction amont, le système de câble peut avoir une bande 5-42 MHz, 5-65 MHz, 5-85 MHz, 5-117, 5-204 MHz ou des bandes passantes avec un bord supérieur de la bande au-delà de 204 MHz.
Quelle est la dernière version de DOCSIS ?
Après la mise en œuvre de DOCSIS 3.1, les clients ont continué à demander des vitesses plus élevées et une plus grande largeur de bande. Dans DOCSIS, c'est toujours la demande qui détermine la technologie. Ainsi, même si certains continueront à rechercher l'introduction de services multi-gigabits, il existe d'autres avantages à la connectivité à large bande. C'est la fiabilité du réseau et la faible latence qui incitent l'industrie DOCSIS à prolonger les investissements HFC et à poursuivre sur la voie du 10G. DOCSIS 3.1 a fixé une limite pour le débit en amont et le marché montre qu'elle n'est pas assez élevée. L'utilisation augmente de 50 % chaque année et, à ce rythme, la capacité maximale en amont sera rapidement dépassée.En outre, la demande ne se limite pas à une vitesse symétrique de plusieurs gigabits sur les réseaux HFC, mais elle porte sur une faible latence, une gigue constante et la fiabilité.Ce sont ces éléments qui ont motivé le passage à DOCSIS 4.0 et à 10G, qui est l'étape suivante. Le 10G offre une vitesse plus élevée, une plus grande fiabilité, une meilleure sécurité et une latence plus faible.
Aujourd'hui, les MSOs doivent augmenter la vitesse et la capacité en amont en augmentant la bande passante en aval et en amont. DOCSIS 4.0 dispose d'une gamme de fréquences plus large pour l'amont et l'aval, à 684 MHz, ce qui permet d'atteindre des vitesses de 10 Gbps en aval et jusqu'à 7 Gbps en amont.
DOCSIS 4.0
Pour atteindre ces résultats, DOCSIS 4.0 se décline en deux versions différentes. Il s'agit du Duplex par répartition en fréquence (FDD) et du Full Duplex DOCSIS (FDX).
Duplex par répartition en fréquence et duplex intégral DOCSIS (FDX)
Le mode FDD est essentiellement une extension de DOCSIS 3.1, qui s'appuie sur la même technologie. Il est également connu sous le nom de DOCSIS à spectre étendu (ESD), ce qui signifie qu'il étend le spectre en amont uniquement et le spectre en aval uniquement, indépendamment l'un de l'autre. Avec la technologie FDD, 5-85 MHz sont utilisés pour l'héritage (comme dans la révision précédente) tandis que le spectre en amont peut être étendu jusqu'à 684 MHz. Cela laisse 108-684 MHz pour le spectre en amont uniquement et introduit quatre nouvelles options de division : 300 MHz, 396 MHz, 492 MHz et 684 MHz. La technologie FDD introduit également une extension du spectre en aval jusqu'à 1,8 GHz. Les opérateurs de réseaux mobiles peuvent offrir une plus grande largeur de bande et des débits de données plus élevés en amont et en aval, et ce de manière symétrique. 
Source : Spécifications de l'interface du service de données sur câble DOCSIS® 4.0 -CableLabs
La technologie FDX améliore la capacité en permettant aux dispositifs de réseau de transmettre simultanément des canaux en aval et en amont dans le même spectre de 108-684 MHz. En outre, le spectre en aval seulement s'étend jusqu'à 1,2 GHz. L'augmentation de la capacité en amont avec FDX se fait dans le spectre partagé et est plus flexible et plus efficace. Différents utilisateurs peuvent utiliser la bande 108-684 à des fins différentes et il n'y a pas de problème. Étant donné que les transmissions en aval et en amont partagent le même spectre, une nouvelle technologie d'annulation d'écho est nécessaire pour faire du FDX une réalité. C'est le modem-câble (CM) qui doit arrêter toute interférence causée par le spectre partagé, ce qui pourrait augmenter la complexité de l'équipement tel que le nœud, les modems-câbles et les amplificateurs. Étant donné que l'architecture 3.1 et la technologie FDD n'ont pas ce spectre partagé, ce n'est pas un problème.
Source : Spécifications de l'interface du service de données sur câble DOCSIS® 4.0 -CableLabs
Les MSOs ont la possibilité de choisir la technologie qu'ils utiliseront, qu'il s'agisse de la technologie FDD ou FDX, mais ils ne peuvent pas choisir de faire les deux ; la différence entre les approches de déploiement et l'équipement requis rend la chose trop onéreuse. La préférence n'est pas encore arrêtée, mais CableLabs a élaboré des spécifications 4.0 pour les deux technologies.
La version initiale de la spécification 4.0 a été publiée en août 2019. Elle a été révisée à plusieurs reprises et continuera de l'être. Cette spécification comprend ce qui se trouve dans la couche PHY, ce qui se trouve dans la couche MAC et comment les systèmes doivent communiquer en termes de DOCSIS 4.0. La couche PHY fait référence à la couche physique du modèle d'interconnexion des systèmes ouverts (OSI). Elle gère les transmissions au niveau des bits entre les appareils et aide à synchroniser la communication. La couche MAC possède les fonctions nécessaires au fonctionnement du réseau.
En ce qui concerne la disponibilité du silicium, les options sont nombreuses car très peu de fabricants de puces se sont concentrés sur DOCSIS 4.0. D'après les informations et les essais des MSO, il existe du silicium pour les dispositifs FDX et FDD, y compris les PHY à distance et les modems câble. Broadcom et Maxlinear seraient tous deux impliqués dans le développement de composants pour DOCSIS 4.0.
Les technologies FDD et FDX étant de nature si différente, leur déploiement est très différent.
La technologie FDD est essentiellement une extension de la technologie D3.1. Elle devrait être plus facile à déployer, mais en raison de l'élargissement de la bande, l'installation doit être préparée. La technologie FDD utilise le spectre de 1,2 GHz à 1,8 GHz, ce qui oblige l'opérateur à remplacer les dispositifs actifs et passifs, tels que les prises et les amplificateurs. Cette opération est très complexe et coûteuse. Jusqu'à présent, les amplificateurs n'atteignaient que 1 GHz, ce qui n'est pas suffisant pour supporter cette extension. À partir de 2023, de nouveaux amplificateurs commenceront à arriver sur le marché, de sorte qu'une solution est en cours.
Le FDX a été conçu pour s'appliquer à la topologie N+0, qui n'est rien d'autre que des réseaux en fibre optique proches du domicile, également connus sous le nom de "fibre profonde". Le N désigne le nœud et le nombre représente le nombre d'amplificateurs nécessaires. S'il est égal à zéro, aucun amplificateur n'est nécessaire. Cependant, lorsque les amplificateurs FDX commencent à arriver sur le marché, la topologie N+0 devient une solution coûteuse et une option inadaptée pour la majeure partie de l'empreinte du câble. Les zones rurales ne disposant pas de l'infrastructure appropriée doivent être prises en compte.
Outils et stratégies pour l'expansion de la bande passante et des canaux du réseau
La planification et la mise en œuvre de ces largeurs de bande étendues nécessiteront, bien entendu, de nouveaux outils et de nouvelles stratégies. Certains éléments devront être déployés pour s'adapter à l'évolution du spectre des fréquences :
- Un analyseur de protocole capable de couvrir l'ensemble de la bande de fréquences. Cela permettra de minimiser les dépenses d'investissement lorsque les opérateurs commenceront à utiliser les bandes de fréquences supérieures.
- Configurations des canaux en aval et en amont permettant le fonctionnement dans les différentes bandes.
- Instruments modulaires qui permettent de mettre à niveau et d'étendre les capacités du système au fur et à mesure de l'évolution des besoins du réseau avec des caractéristiques et des fonctions supplémentaires en utilisant le même matériel et les mêmes composants.
- Plusieurs systèmes pouvant être synchronisés afin d'offrir une couverture et une analyse étendues de la bande DOCSIS .
Test de DOCSIS 4.0
Avant qu'un CM puisse débuter la commercialisation, il doit être certifié selon les procédures d'essai d'acceptation de CableLab ou ATP pour la couche PHY. Tous les appareils doivent subir une série de tests de conformité avec la spécification applicable afin de démontrer leur interopérabilité avec d'autres appareils certifiés. Des appareils interopérables basés sur des spécifications communes facilitent le choix du consommateur, le déploiement réussi de nouvelles technologies et la réduction des coûts pour les MSO et les consommateurs. Les MSO doivent envoyer leurs modems à Kyrio pour la certification. Ils exécutent tous les ATP pour tous les différents PHYs et les comparent à la spécification.
C'est pourquoi l'automatisation de l'ATP est cruciale. Réaliser ces tests manuellement prendrait des mois et ne peut garantir la cohérence ou la reproductibilité. Un système de test automatisé réduit la durée des tests de manière exponentielle et fournit des résultats fiables et reproductibles à chaque fois. Il y aura toujours les mêmes données et la même précision, quel que soit le nombre de fois que les tests seront exécutés.
Averna est un expert en matière de tests DOCSIS
Le système de vérification de la conception du CPE Jupiter 310 système de vérification de la conception du CPE Jupiter 310 a été développé par Averna pour exécuter automatiquement les ATP PHY pour DOCSIS 3.0, 3.1 et 4.0. Les fabricants de puces du monde entier utilisent cet instrument pour assurer la certification avec Kyrio. Il est extrêmement important que tous les tests soient réussis, car cela peut devenir une entreprise très coûteuse et chronophage au fur et à mesure qu'un CM est envoyé pour être certifié. Pour éviter tout échec aux tests, les entreprises conservent leur propre J310 sur place afin de procéder à une préqualification et de résoudre toute anomalie par rapport à l'ATP avant d'envoyer leur produit à Kyrio.Il génère également rapidement la documentation requise par les entreprises pour la traçabilité.
Analyse du protocole DOCSIS
Au niveau de base, les opérateurs de réseaux peuvent effectuer une analyse de protocole, souvent appelée "reniflage de paquets", pour capturer des paquets et les décoder en leurs éléments constitutifs, en particulier pour dépanner les problèmes de communication. Bien qu'il s'agisse de l'application traditionnelle des analyseurs de protocole, ils peuvent en réalité faire bien plus que renifler des paquets ; par exemple, ils peuvent être étonnamment utiles dans de nombreux aspects de la gestion de réseau pour l'analyse, le débogage, la maintenance et la surveillance des réseaux locaux et des connexions Internet.
En fournissant des statistiques sur le trafic du réseau, les analyseurs de protocole peuvent jouer un rôle précieux en aidant les MSO à identifier les tendances susceptibles d'entraîner d'autres problèmes de réseau. Ces outils étant polyvalents, ils peuvent être utilisés par diverses personnes ayant une responsabilité dans le réseau ou par toute personne ayant besoin de mieux comprendre les problèmes de trafic. Un analyseur de protocole peut être utilisé pour différents scénarios, tels que :
- Dépannage des pannes en temps réel et des interruptions de service
- Analyse des comportements étranges du réseau
- Produire des statistiques en temps réel et historiques pour aider à observer la santé et le comportement des liens dans le temps
- Essais en laboratoire et validation
Au cours des dernières décennies, les outils d'analyse des protocoles se sont révélés être des solutions efficaces pour le débogage et la résolution des problèmes de réseau. En raison de la nature changeante des réseaux, un analyseur de protocole doit être flexible, évolutif et extensible pour gérer les normes de protocole en évolution telles que DOCSIS 4.0. Il doit également rester rétrocompatible. Le sondage non intrusif du réseau par un analyseur de protocole, combiné à sa capacité à prendre des mesures RF et à effectuer des analyses de communication au niveau MAC, peut fournir ce niveau supplémentaire de surveillance. Les fonctions importantes d'un analyseur de protocole sont les suivantes 
- Validation de la communication au niveau MAC, y compris :
- Valider qu'un message provenant d'un CMTS ou d'un CM est correctement formaté.
- Vérifier que certaines transactions entre le CMTS et le CM (par exemple, les mécanismes REQ/RSP/ACK) se déroulent correctement dans des conditions normales.
- Vérifier comment le CMTS ou le CM réagit à certains événements en analysant le contenu des messages MAC qui en résultent.
- Démodulation en temps réel. Les applications peuvent inclure
- La démodulation et l'affichage en temps réel du descripteur de canal OFDM (OCD) fournissent des informations utiles pour déboguer un CMTS et comprendre pourquoi le CM ne se verrouille pas.
- Fournir des capacités de surveillance supplémentaires en permettant à l'opérateur d'activer des alarmes et des seuils d'alerte.
- Capacités de déclenchement :
- Un déclencheur de capture, qui peut être configuré pour des types de messages spécifiques ou une adresse source de destination (MAC).
- Un déclencheur matériel, qui peut être configuré pour des types de messages spécifiques. Cette option permet à d'autres dispositifs et équipements - tels qu'un analyseur de spectre ou même l'intégration dans une solution personnalisée - d'étendre les scénarios et les possibilités de test DOCSIS .
- Capacités d'enregistrement des paquets de communication
- Prise en charge de plusieurs normes de protocole.
Cette nouvelle norme DOCSIS apporte son lot de complexités, c'est pourquoi les outils d'analyse de protocole de la prochaine génération devraient être suffisamment souples pour gérer la norme DOCSIS existante, les exigences strictes de la nouvelle norme DOCSIS et son évolution. Ces outils permettront aux opérateurs - à la fois en temps réel et hors ligne - de surveiller, d'analyser et de dépanner efficacement leurs réseaux de nombreuses façons pratiques et bénéfiques.
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