DOCSIS 3.1への移行：大きなアップグレード
3.0仕様のリリースから5年後、DOCSIS 3.1が 利用可能になった。この技術は、以前のDOCSIS大きな変化を見せた。3.0まで、DOCSIS 使われていた変調技術はSC-QAM（Single Carrier Quadrature Amplitude Modulation）でした。この変調技術では、特定の帯域幅で振幅変調と位相変調を使用して単一搬送波信号を変調します。DOCSIS 3.0仕様では、1チャンネルあたり最大256QAM（直交振幅変調）でキャリア信号を変調する。
DOCSIS 3.1は、以下のような新しく高度な変調技術を活用しています。 直交周波数分割多重 (OFDM）と直交周波数分割多元接続（OFDMA）がある。OFDMは、占有帯域幅を1つの広帯域チャネルだけでなく、複数の狭帯域サブチャネル周波数に分割する。OFDMは複数の直交サブキャリアで構成され、それぞれ異なる変調次数で変調できるため、特定の帯域幅を送信のみに使用するのではなく、帯域幅を効率的に使用することができます。サブキャリアは直交しているため、ガードバンドなしで密に間隔を空けることができます。その結果、帯域幅がより効率的に使用され、データレートが向上し、厳しいネットワーク条件下でのパフォーマンスが向上します。OFDMAは、マルチプル・アクセスが意味するように、チャネルを取って細分化するOFDMに似ているが、時間経過とともに、これらのサブチャネルをより効率的に多くの機器や周波数に割り当てることができる。256QAMの代わりに1k-QAMから4k-QAMのような、より高く効率的な変調オーダーを採用することで、ケーブル・プロバイダーは1ヘルツあたりにより多くのビットを詰め込むことができる。
これらの変更は、プロトコルに次のような大きなメリットをもたらした：
- 厳しい水路条件への適応が容易。
- 多重アクセス技術により複数のユーザー間で周波数を共有することで、周波数を効率的に利用する。
- 干渉の低減。
- 柔軟な変調方式。
同時に、このような大規模な変更は、これまでの仕様よりもはるかに複雑なものとなった。ケーブルモデムの導入は一大事業であり、一朝一夕には実現しませんでした。複数のシステム事業者（MSO）はハードウェアの完全な再設計を必要とし、これは新しいケーブルモデム終端装置（CMTS）のパッシブおよびアクティブ・デバイスの展開のための主要なコストとなった。場合によっては、インフラ自体も再設計する必要があった。例えば、「ミッドスプリット」と呼ばれる85MHzのアップストリーム帯域は、既存のDOCSIS 3.0機器が同じ帯域幅を使用するため、問題はかなり少なかったが、「ハイスプリット」と呼ばれる204MHz帯域は、顧客宅内機器を含む機器の変更が必要だった。さらに、ネットワークは下りスペクトラムの上限を引き上げるアップグレードが必要でした。これは、パッシブ機器とアクティブ機器の両方を交換する必要があったため、かなり困難な作業だった。
ネットワーク帯域幅とチャネル拡張
DOCSIS 3.1では、事業者の必要に応じてアップストリームとダウンストリームの両方でネットワークを拡張できるため、DOCSIS 3.1の重要な点は既存のHFCネットワーク上で動作することです。これらのネットワークは、DOCSIS 3.1仕様に概説されているように、より広い帯域幅に対応するために更新することができます：
下流方向では、ケーブル・システムは、54MHz、87.5MHz、108MHz、258MHzのいずれかの下端と、実装に依存するが、通常550～1002MHzの範囲の上端を持つパスバンドを持つと仮定される。1218MHz、1794MHz、その他に伸びる上限の周波数帯は、ネットワーク容量を増やすためのプラントの移行で予想される。
上流方向では、ケーブルシステムは、5-42MHz、5-65MHz、5-85MHz、5-117MHz、5-204MHz、または204MHzを超える上限帯域端を持つパスバンドを持つことができる。
最新のDOCSIS バージョンは？
DOCSIS 3.1の導入後も、顧客はより高速でより広い帯域幅を求め続けました。DOCSIS、需要が常に技術を牽引する。そのため、マルチギガビットサービスの導入を追求し続けるところもありますが、ブロードバンド接続には他にも利点があります。DOCSIS 業界がHFCへの投資を拡大し、10Gへの道を歩み続ける原動力となっているのは、信頼性の高いネットワークと低遅延です。DOCSIS 3.1にはアップストリームの上限が設定されており、市場ではそれが十分でないことが示されている。使用量は毎年50％ずつ増加しており、このままではアップストリームの最大容量をすぐに超えてしまう。さらに、需要はHFCネットワーク上の対称型マルチギガビットスピードに限定されるものではなく、低遅延、一定のジッター、信頼性が求められている。これらがDOCSIS 4.0と次のステップである10Gに移行する原動力となった。10Gは、より高速で、より信頼性が高く、より優れたセキュリティと低遅延を提供します。
昨今、MSOは下りと上りの帯域幅を増やすことで、上りの速度と容量を向上させなければなりません。DOCSIS 4.0では、684 MHzと上りおよび下りの周波数帯域が広がり、下りで10 Gbps、上りで最大7 Gbpsの速度を実現できる可能性があります。
DOCSIS 4.0
これらの結果を達成するために、DOCSIS 4.0には2つの異なる種類がある。周波数分割デュプレックス（FDD）と全二重DOCSIS （FDX）である。
周波数分割デュプレックスおよび全二重DOCSIS （FDX）
FDDモードは基本的にDOCSIS 3.1を拡張したもので、同じ技術を利用している。このモードは拡張スペクトラムDOCSIS （ESD）としても知られ、上り専用スペクトラムと下り専用スペクトラムを互いに独立して拡張することを意味する。FDDの場合、5-85MHzがレガシーに使用され（以前の改定と同様）、上りスペクトラムは684MHzまで拡張できる。これにより、108～684MHzが上り専用となり、新たに4つの分割オプションが導入される：300MHz、396MHz、492MHz、684MHzである。FDDはまた、下りスペクトラムを1.8GHzまで拡大する。MSOは上りと下りの両方でより広い帯域幅とより高いデータレートを提供でき、対称的である。 
出典：Data-Over-Cable Service Interface Specifications DOCSIS® 4.0 -CableLabs
一方、FDXはこれまでにない新しい技術だ。FDX技術は、ネットワーク機器が同じ108〜684MHzの周波数帯でダウンストリームとアップストリームの両チャンネルを同時に送信できるようにすることで、容量を向上させる。さらに、ダウンストリーム専用スペクトラムは1.2GHzまで拡張される。FDXで増加したアップストリーム容量は共有スペクトル内にあり、より柔軟で効率的です。異なるユーザーが異なる目的で108-684帯域を使用しても問題はない。ダウンストリームとアップストリームの伝送は同じ周波数を共有するため、FDXを実現するには新しいエコーキャンセル技術が必要である。ケーブル・モデム（CM）は、ノード、ケーブル・モデム、アンプなどの機器の複雑さを増大させる可能性のある共有スペクトルによって引き起こされる干渉を阻止しなければならない。3.1アーキテクチャとFDDにはこの共有スペクトラムがないため、その心配はありません。
出典：Data-Over-Cable Service Interface Specifications DOCSIS® 4.0 -CableLabs
MSOは、FDDであれFDXであれ、進む技術を柔軟に選択することができるが、両方を選択することはできない。どちらが望ましいかは未定だが、ケーブルラボは両技術の4.0仕様を策定した。
4.0仕様の最初のリリースは2019年の8月だった。何度か改訂されており、今後も改訂される予定である。この仕様には、DOCSIS 4.0の観点から、PHY層に何があり、MAC層に何があり、システムがどのように通信しなければならないかが含まれている。PHY 層は、オープンシステム相互接続モデル(OSI)の物理層を指す。デバイス間のビットレベルの伝送を管理し、通信の同期を助ける。MAC 層はネットワークを運用するために必要な機能を持つ。
シリコンの入手可能性に関しては、DOCSIS 4.0に注力しているチップメーカーはほとんどないため、多くの選択肢がある。MSO のニュースとトライアルによれば、リモート PHY とケーブルモデムを含む FDXとFDD デバイス用のシリコンがある。Broadcom と Maxlinear の両社はDOCSIS 4.0 用のシリコン開発に関与していると報告されている。
FDDとFDXは性質が大きく異なるため、これらの技術の展開は互いに大きく異なる。
FDDは本質的にD3.1の延長であり、配備は容易であるはずだが、帯域が広いため、工場は準備しなければならない。FDDは1.2GHzと1.8GHzの周波数帯を利用するため、工場ではタップやアンプなどのアクティブ・パッシブデバイスを交換する必要がある。これは非常に複雑で高価だ。これまでのアンプは1GHzまでしか届かず、この拡張をサポートするには不十分だった。2023年現在、より新しいアンプが市場に出始めており、解決策が進行中である。
FDXは、N+0トポロジーへの適用を想定しており、これは家庭の近くを走るファイバーネットワークに他ならず、ファイバーディープとも呼ばれる。Nはノードを意味し、数字は必要となるアンプの数を表す。0であるため、アンプは必要ない。しかし、FDXアンプが市場に出回り始めると、N+0トポロジーは結局コストのかかるソリューションとなり、ケーブルフットプリントの大部分には適さないオプションとなります。適切なインフラが整備されていない地方は考慮しなければならない。
ネットワーク帯域幅とチャネル拡張のためのツールと戦略
このような帯域幅の拡張を計画し実施するには、もちろん新しいツールと戦略が必要になる。周波数スペクトルの変化に対応するために導入が必要となる要素には、次のようなものがある：
- 全周波数帯域をカバーできるプロトコルアナライザー。これにより、事業者が上位の周波数帯域を使い始める際の設備投資を最小限に抑えることができる。
- 異なる帯域での運用を可能にするダウンストリームとアップストリームのチャンネル構成。
- 同じハードウェアとコンポーネントを使用し、ネットワークのニーズの変化に応じて、システムの機能をアップグレード、拡張することができます。
- DOCSIS 帯域の拡張カバレッジと分析を提供するために同期可能な複数のシステム。
DOCSIS 4.0のテスト
受託製造業者 が市場に出る前に、PHY 層のケーブルラボの受入試験手順（ATP）に対して認証されなければならない。すべてのデバイスは、他の認証されたデバイスとの相互運用性を証明するために、適用される仕様に準拠するための一連のテストを完了しなければならない。共通の仕様に基づく相互運用可能なデバイスは、消費者の選択を容易にし、新技術の展開を成功させ、MSO と消費者のコストを下げる。MSOはモデムを Kyrio 認証のためである。彼らは、全ての異なる PHY の全ての ATP を実行し、仕様と比較する。
だからこそATPの自動化が重要なのだ。これらのテストを手作業で行うには何ヶ月もかかり、一貫性や再現性も保証できません。自動化された試験システムなら、試験時間は飛躍的に短縮され、毎回信頼性と再現性のある結果が得られます。何度テストを実施しても、常に同じデータ、同じ精度が得られる。
AvernaはDOCSIS テストのエキスパートです。
Jupiter 310 CPE設計検証システム Jupiter 310 CPE設計検証システムは、DOCSIS 3.0、3.1、4.0 の PHY ATP を自動的に実行するためにAverna社によって開発されました。世界中のチップセットメーカーが、Kyrioでの認証を確実にするためにこの装置を活用しています。 認証のためにCMを送る回数が増えれば増えるほど、非常に高価で時間のかかる作業になるため、すべてのテストに合格することが非常に重要です。試験の不合格を避けるため、企業はキリオに製品を送る前にATPとの不一致を事前に確認し、解決するために、自社のJ310を現場に置いています。また、トレーサビリティのために企業が必要とする必要書類を迅速に作成します。
DOCSIS プロトコル分析
基本的なレベルでは、ネットワーク・オペレーターは「パケット・スニッフィング」と呼ばれるプロトコル解析を実行し、パケットをキャプチャしてその構成要素にデコードします。これはプロトコル・アナライザーの伝統的な用途ですが、実際にはパケット・スニッフィング以上のことができます。例えば、ローカル・ネットワークやインターネット接続の分析、デバッグ、保守、監視など、ネットワーク管理の多くの側面で驚くほど役立ちます。
ネットワーク・トラフィックの統計情報を提供することで、プロトコル・アナライザーは、MSO がさらなるネットワーク問題につながる可能性のある傾向を特定するのに役立つ貴重な役割を果たすことができます。これらのツールは汎用性が高いため、ネットワークに責任を持つさまざまな個人や、トラフィックの問題をよりよく理解する必要があるすべての人が使用できます。プロトコル・アナライザーは、次のようなさまざまなシナリオで使用できます：
- リアルタイムの停電やサービス中断のトラブルシューティング
- 奇妙なネットワーク動作の分析
- リンクの健全性と行動を経時的に観察するのに役立つ、リアルタイムおよび履歴統計の作成
- ラボ試験と検証
過去数十年間、プロトコル分析ツール は、ネットワークの問題をデバッグし解決するための効果的なソリューションであることが証明されています。ネットワークの性質が変化しているため、プロトコルアナライザはDOCSIS 4.0のような進化するプロトコル標準に対応できる柔軟性、アップグレード性、拡張性が必要です。また、後方互換性も維持しなければなりません。プロトコル・アナライザーの非侵入型ネットワーク・プロービングは、RF測定とMACレベルの通信解析機能を組み合わせることで、監視レベルを向上させることができます。プロトコル・アナライザーの重要な機能は以下の通りです： 
- MACレベル通信の検証：
- CMTSまたはCMからのメッセージが適切にフォーマットされていることを検証すること。
- CMTSとCMの間のいくつかのトランザクション（例えば、REQ/RSP/ACKメカニズム）が、通常の条件下で適切に行われることを検証する。
- 結果としてのMACメッセージの内容を分析することにより、CMTSまたはCMがあるイベントに対してどのように反応するかを検証すること。
- リアルタイム復調。アプリケーションは以下の通り：
- OFDMチャネル記述子（OCD）のリアルタイム復調と表示により、CMTSのデバッグやCMがロックしない原因を理解するために有用な情報を提供する。
- オペレーターがアラームやしきい値アラートを有効にすることで、さらなる監視機能を提供。
- トリガー機能：
- キャプチャ・トリガーは、特定のタイプのメッセージまたは宛先ソース（MACアドレス）に対して設定できる。
- 特定の種類のメッセージ用に設定できるハードウェアトリガー。このオプションにより、スペクトラムアナライザやカスタムソリューションへの統合など、他の装置や機器によるDOCSIS テストのシナリオや可能性を広げることができます。
- 通信パケットの記録機能
- 複数のプロトコル規格をサポート。
この新しいDOCSIS 規格は複雑さをもたらすため、次世代プロトコル解析ツールは既存のDOCSIS 規格、新しいDOCSIS 規格の厳しい要件、その進化に対応できる柔軟性を持つ必要があります。このようなツールによって、オペレータはリアルタイムでもオフラインでも、実用的で有益な多くの方法でネットワークを効率的に監視、分析、トラブルシューティングできるようになります。
テストの達人に続け
電子ブックやホワイトペーパーなどで、最新の技術トレンドやベストプラクティス、ヒントをご紹介しております。
