什么是DOCSIS ，它是如何发展的？

DOCSIS 解释：定义

电缆数据服务接口规范》，更广为人知的名称是DOCSIS 是一种用于通过射频或同轴电缆高速通信和传输数据的技术。这项技术的使用始于 1997 年的DOCSIS 1.0，由 CableLabs.它最初是利用已有的有线电视基础设施建立起来的，从而使这项技术的推广成为可能。

20 世纪 90 年代末，互联网成为公众使用的主流，而在当时，一般用户对互联网的需求微乎其微。从那时起，互联网已经成为大多数人离不开的依赖。互联网不仅必须随时随地都能访问，而且必须快速、零延迟。

作为对需求的回应，DOCSIS 协议不断发展，以保持其相关性和竞争力。通过监测互联网使用情况和用户习惯，DOCSIS 规范以更低的延迟持续快速发展。

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电缆数据服务接口规范的演变

DOCSIS 1.0

DOCSIS 1.0 获得了高达 40 Mbps 的下行带宽和 10 Mbps 的上行带宽。在当时，这些速率足以满足全球的使用要求。没过多久，人们就坚定地接受了高速互联网，并在两年内发布了DOCSIS 1.1。1.1 保留了相同的比特率（40 Mbps DS/10 Mbps US），但允许有线电视用户使用 VoIP 服务。

DOCSIS 2.0

随着对更大带宽需求的不断增长，DOCSIS 2.0 于 2002 年发布。在上游信道中提供了更宽的频带，调制方案也变得更加有效。这些变化带来了 40 Mbps 的下载速率和 30 Mbps 的上传速率。

DOCSIS 3.0 技术

2006 年，DOCSIS 3.0 进入人们的视野，大大提高了游戏的难度。这一新规范提供了信道绑定功能，能够将上游和下游信道结合起来。通过连接 6 或 8 MHz 信道，速度可达 340 Mb/s（EuroDOCSIS 下行速度为 440 Mb/s，上行速度为 120 Mb/s）。该版本还支持 IP 组播、IPv6 功能和 AES 加密。

转向DOCSIS 3.1：重大升级

3.0 规范发布五年后，DOCSIS 3.1 正式面世。这项技术与之前的DOCSIS 相比发生了巨大变化。在 3.0 之前，下游DOCSIS 使用的调制技术一直是 SC-QAM，即单载波正交调幅。在这种调制技术中，单载波信号在特定带宽下使用幅度和相位调制进行调制。DOCSIS 3.0 规范对载波信号进行调制，每个信道最多可达 256 QAM（正交幅度调制）。

DOCSIS 3.1 采用了更新、更先进的调制技术，称为正交频分复用技术 (OFDM) 和正交频分多址 (OFDMA)。OFDM 将占用的带宽分为多个窄带子信道频率，而不是只有一个宽带信道。OFDM 由多个正交子载波组成，每个子载波可以用不同的调制顺序进行调制，因此可以有效地利用带宽，而不是只使用特定带宽进行传输。由于子载波是正交的，因此它们之间的间隔很近，不需要任何保护带。这样就能更有效地利用带宽，从而提高数据传输速率，在具有挑战性的网络条件下获得更好的性能。OFDMA 意味着多重接入，它与 OFDM 相似，都是对信道进行细分，但可以更有效地将这些子信道分配给许多设备和频率。通过采用 1k-QAM 至 4k-QAM 等更高级、更高效的调制阶次，而不是 256 QAM，有线电视供应商可以在每赫兹中传输更多比特。

这些变化为协议带来了巨大的好处，包括

易于适应恶劣的渠道条件。
通过多重接入技术让多个用户共享频谱，从而有效利用频谱。
减少干扰。
灵活的调制方案

与此同时，如此巨大的变化使得推出工作比以往的规格复杂得多。推出新系统过去是（现在也是）一项艰巨的任务，并非一蹴而就。多个系统运营商（MSO）需要对硬件进行全面重新设计，这成为部署新的电缆调制解调器终端系统（CMTS）无源和有源设备的主要成本。在某些情况下，基础设施本身也需要重新设计。例如，被称为 "中分流 "的 85MHz 上游频段问题不大，因为现有的DOCSIS 3.0 设备使用相同的带宽；但被称为 "高分流 "的 204MHz 频段则需要更换设备，包括客户驻地设备。此外，网络需要升级，以提高下行频谱的上限。由于需要更换无源和有源设备，因此这项工作相当具有挑战性。

网络带宽和通道扩展

由于DOCSIS 3.1 允许运营商根据需要在上游和下游进行网络扩展，因此DOCSIS 3.1 的一个重要方面是它可以在现有的 HFC 网络上运行。这些网络可以根据DOCSIS 3.1 规范的要求进行更新，以容纳更多带宽：

在下游方向，假定电缆系统有一个通频带，其下缘为 54 MHz、87.5 MHz、108 MHz 或 258 MHz，上缘取决于实施情况，但通常在 550 至 1002 MHz 之间。为提高网络容量，预计在设备迁移过程中，频率上沿将延伸至 1218 兆赫、1794 兆赫和其他频率。

在上游方向，电缆系统可以有 5-42 MHz、5-65 MHz、5-85 MHz、5-117、5-204 MHz 或上带边缘超过 204 MHz 的通带。

DOCSIS 的最新版本是什么？

DOCSIS 3.1 实施后，客户继续要求更高的速度和更大的带宽。在DOCSIS 中，需求始终是技术的驱动力。因此，尽管有些人会继续追求推出千兆位服务，但宽带连接还有其他好处。正是可靠的网络和低延迟促使DOCSIS 行业扩大 HFC 投资，并继续向 10G 发展。DOCSIS 3.1 为上游设定了上限，而市场显示这一上限还不够高。使用量每年增长 50%，按照这个速度，上游的最大容量很快就会被超过。此外，对 HFC 网络的需求不仅限于对称的千兆位速率，而且还要求低延迟、恒定抖动和可靠性。这些都是进入DOCSIS 4.0 和 10G 的驱动力，而 10G 是下一步。10G 提供更高的速度、更高的可靠性、更好的安全性和更低的延迟。

如今，MSO 必须通过增加下行和上行带宽来提高上行速度和容量。DOCSIS 4.0 为上下游提供了更宽的频率范围（684 MHz），有可能提供 10 Gbps 的下行速度和高达 7 Gbps 的上行速度。

DOCSIS 4.0

为了达到这些效果，DOCSIS 4.0有两种不同的版本。它们是频分双工 (FDD) 和全双工DOCSIS (FDX)。

频分双工和全双工DOCSIS (FDX)

FDD 模式本质上是DOCSIS 3.1 的扩展，利用的是相同的技术。它也被称为扩展频谱DOCSIS (ESD)，这意味着它扩展了上行专用频谱和下行专用频谱，两者相互独立。使用 FDD 时，5-85 MHz 用于传统频段（与上一版本相同），而上游频谱可扩展至 684MHz。这样，108-684 兆赫就可用于纯上游，并引入了四个新的分频选项：300 MHz、396 MHz、492 MHz 和 684 MHz。FDD 还将下行频谱扩展到 1.8GHz。MSO 可以为上游和下游提供更大的带宽和更高的数据传输速率，而且是对称的。

资料来源电缆数据服务接口规范 DOCSIS® 4.0 -CableLabs

另一方面，FDX 是一种以前从未使用过的新技术。FDX 技术使网络设备能够在同一 108-684MHz 频谱中同时传输下行和上行信道，从而提高了容量。此外，纯下行频谱进一步扩展至 1.2GHz。使用 FDX 增加的上行容量是在共享频谱内，因此更加灵活高效。不同的用户可以将 108-684 波段用于不同的目的，不会出现任何问题。由于下行和上行传输共享同一频谱，因此需要一种新的回声消除技术来实现 FDX。电缆调制解调器 (CM) 必须阻止共享频谱造成的任何干扰，这可能会增加节点、电缆调制解调器和放大器等设备的复杂性。由于 3.1 架构和 FDD 没有这种共享频谱，因此不存在这种问题。

资料来源电缆数据服务接口规范 DOCSIS® 4.0 -CableLabs

多业务运营商可以灵活选择他们将采用的技术，无论是 FDD 还是 FDX，但不能同时选择这两种技术；部署方法和所需设备之间的差异使得成本过于昂贵。目前尚未确定哪种技术更可取，但 CableLabs 已为这两种技术制定了 4.0 规范。

4.0 规范于 2019 年 8 月首次发布。该规范已修订多次，并将继续修订。该规范包括 PHY 层的内容、MAC 层的内容以及DOCSIS 4.0 系统必须如何通信。物理层指的是开放系统互连模型（OSI）的物理层。它管理设备之间的比特级传输，并帮助同步通信。MAC 层具有运行网络的必要功能。

至于芯片的可用性，由于很少有芯片制造商专注于DOCSIS 4.0，因此有很多选择。根据 MSO 的新闻和试验，有用于 FDX 和 FDD 设备的芯片，包括远程 PHY 和电缆调制解调器。据报道，Broadcom 和 Maxlinear 都参与了DOCSIS 4.0 芯片的开发。

由于 FDD 和 FDX 的性质不同，这两种技术的部署也大相径庭。

FDD 本质上是 D3.1 的延伸，应该更容易部署，但由于频带更宽，设备厂必须做好准备。FDD 利用 1.2GHz 至 1.8GHz 的频谱，这就要求工厂更换有源和无源设备，如抽头和放大器。这非常复杂和昂贵。到目前为止，放大器最高只能达到 1 千兆赫，不足以支持这一扩展。截至 2023 年，更新的放大器开始投放市场，因此解决方案正在制定中。

FDX 适用于 N+0 拓扑，即靠近家庭的光纤网络，也称为光纤深层网络。N 代表节点，数字代表所需的放大器数量。如果为零，则不需要放大器。然而，一旦 FDX 放大器开始投放市场，N+0 拓扑就会成为一种成本高昂的解决方案，并且不适合大部分光缆覆盖范围。必须考虑没有适当基础设施的农村地区。

网络带宽和通道扩展工具与策略

当然，规划和实施这些扩展带宽需要新的工具和策略。为适应不断变化的频谱，需要部署的一些要素包括

能够覆盖整个频段的协议分析仪。随着运营商开始使用更高的频段，这将最大限度地减少资本支出。
可在不同频段运行的下游和上游信道配置。
模块化仪器，可根据网络需求升级和扩展系统功能，使用相同的硬件和组件提供更多特性和功能。
多个系统可同步运行，以扩大DOCSIS 波段的覆盖范围并进行分析。

测试DOCSIS 4.0

在 CM 进入市场之前，它必须通过 CableLab 的 PHY 层验收测试程序或 ATP 认证。所有设备都必须完成一系列符合适用规范的测试，以证明与其他认证设备的互操作性。基于通用规范的互操作性设备有利于消费者选择、新技术的成功部署以及降低 MSO 和消费者的成本。MSO 必须将其调制解调器发送到基里奥进行认证。他们为所有不同的 PHY 运行所有 ATP，并将其与规范进行比较。

这就是 ATP 自动化至关重要的原因。手动执行这些测试将耗时数月，而且无法保证一致性或可重复性。自动测试系统可成倍缩短测试时间，每次都能提供可靠、可重复的结果。无论进行多少次测试，数据和准确性都是一样的。

Averna 是DOCSIS 测试专家

Jupiter 310 CPE 设计验证系统 Jupiter 310 CPE 设计验证系统由Averna开发，用于自动运行DOCSIS 3.0、3.1 和 4.0 的 PHY ATP。全世界的芯片组制造商都在利用该仪器来确保通过 Kyrio 认证。所有测试都通过是非常重要的，因为 CM 的认证次数越多，成本就越高，耗时就越长。为了避免任何测试失败，公司在将产品送往 Kyrio 之前，会在现场使用自己的 J310 进行预鉴定，并解决与 ATP 的任何差异。此外，它还能快速生成公司所需的文件，以实现可追溯性。

DOCSIS 协议分析

在基本层面上，网络操作员可以执行协议分析（通常称为 "数据包嗅探"），捕获数据包并将其解码为各个组成部分，特别是用于排除通信问题。虽然这是协议分析仪的传统应用，但实际上它们能做的远不止数据包嗅探；例如，在网络管理的许多方面，它们都能发挥惊人的作用，用于分析、调试、维护和监控本地网络和互联网连接。

通过提供网络流量统计数据，协议分析仪可以发挥重要作用，帮助 MSO 识别可能导致进一步网络问题的趋势。由于这些工具用途广泛，因此各种负责网络的人员或任何需要更好地了解流量问题的人都可以使用。协议分析仪可用于各种情况，如

排除实时停电和服务中断故障
分析奇怪的网络行为
生成实时和历史统计数据，帮助观察一段时间内链接的健康状况和行为
实验室测试和验证

过去几十年来，协议分析工具已被证明是调试和解决网络问题的有效解决方案。由于网络的性质不断变化，协议分析仪需要具有灵活性、可升级性和可扩展性，以处理不断发展的协议标准，如DOCSIS 4.0。它还必须保持向后兼容。协议分析仪的非侵入式网络探测功能与其进行射频测量和执行 MAC 级通信分析的能力相结合，可提供额外的监控水平。协议分析仪的重要功能包括

验证 MAC 级通信，包括
- 验证来自 CMTS 或 CM 的报文是否格式正确。
- 验证 CMTS 和 CM 之间的某些事务（如 REQ/RSP/ACK 机制）是否在正常条件下正常进行。
- 通过分析 MAC 信息的内容，验证 CMTS 或 CM 对某些事件的反应。
实时解调。应用包括
- 实时解调和显示 OFDM 信道描述符 (OCD)，为调试 CMTS 和了解 CM 为何无法锁定提供有用信息。
- 通过允许操作员启用警报和阈值警报，提供额外的监控功能。
触发能力：
- 捕获触发器，可针对特定类型的报文或目标源 (MAC) 地址进行配置。
- 硬件触发器，可针对特定类型的信息进行配置。该选项允许其他装置和设备（如频谱分析仪，甚至集成到定制解决方案中）扩展DOCSIS 测试场景和可能性。
通信数据包记录功能
支持多种协议标准。

新的DOCSIS 标准带来了复杂性，因此下一代协议分析工具应具有足够的灵活性，以处理现有的DOCSIS 标准、新DOCSIS 标准的严格要求及其演变。这些工具将使运营商能够实时和离线地以多种实用和有益的方式有效监控、分析和排除网络故障。

结论

DOCSIS 是一个不断发展的协议，将随着用户需求的不断变化而持续增长。现有基础设施的优势使其发展成为可能，并且价格合理。这确保了 DOCSIS 将在未来的漫长道路上继续存在。

随着许多 MSO 开始评估和部署DOCSIS 4.0 设备和功能，他们还必须考虑所需的工具，以确保最大网络可用性的到位和维护。正确的测试设备必须快速、自动化和灵活，才能跟上行业发展的步伐。通过在内部保留认证设备，MSO 一定能在具有竞争力的时间范围内高效交付。此外，协议分析将使他们既能了解其网络的复杂性，又能确保其网络按预期运行。