Datenübertragung im Kabelnetz (eBook)

Andres Keller absolvierte sein Studium an der Hochschule für Technik in Zürich, Abschluss in Elektrotechnik, danach Tätigkeiten als Entwicklungsingenieur auf dem Gebiet der Breitbandkommunikation, im technischen Management, im internationalen Projektmanagement und für den Aufbau eines schweizweiten Glasfasernetzes für die übergeordnete und die regionale Verteilung von Daten, Radio- und Fernsehprogrammen. Heute befasst sich Herr Keller mit der Einführung von Geoinformationssystemen für die Dokumentation und Analyse von Leitungen und Anlagen sowie der Qualitätssicherung für das Hybrid-Fibre-Coax-Netz (Programm- und Datenübertragung) bei Cablecom, dem führenden Schweizer Kommunikationsnetzbetreiber. Herr Keller ist Mitglied beim IEEE und bei der SCTE.

Vorwort 5
Inhalt 7
1 Einleitung 12
1.1 Besonderheit Kabelnetz 12
1.2 Begriff der Bandbreite 13
1.3 Rauschen bei analoger und digitaler Übertragung 14
2 Qualitätsanforderungen an das HFC-Kabelnetz 16
2.1 Einführung 16
2.2 Pegelrechnung 16
2.2.1 Definitionen 16
2.2.2 Absoluter Pegel 17
2.2.3 Pegeltoleranz 18
2.2.4 Pegelunterschied 18
2.3 Rauschen 19
2.3.1 Widerstandsrauschen 19
2.3.2 Andere Arten des Rauschens 20
2.4 Intermodulation CSO, CTB 21
2.5 Normen und Spezifikationen 21
2.5.1 Gesetz und Verordnung (Sammlung am Bsp. der Schweiz) 21
2.5.2 Fremde Gesetzgebung (informativ von Bedeutung) 22
2.5.3 Normen 22
2.6 Elektromagnetische Verträglichkeit EMV 24
2.6.1 Einstrahlung und Abstrahlung 24
2.6.2 Ingress 24
2.6.3 Radiowellen 24
3 Technischer Aufbau des Kabelnetzes 30
3.1 Technisches Konzept 30
3.2 Aufbau des Kabelnetzes 31
3.2.1 Glasfaserübertragung Kopfstation - Hub - Node 31
3.2.2 Koaxiales Verteilnetz 33
4 Analoge Modulation 42
4.1 Frequenzbänder 42
4.2 Amplitudenmodulation 43
4.3 Spezielle Formen der Amplitudenmodulation 44
4.4 Restseitenband-Modulation (Vestigial Sideband) 45
4.5 Frequenzmodulation und Phasenmodulation 47
5 Digitale Modulation 50
5.1 Einführung 50
5.1.1 Digitale Zahlendarstellung 50
5.1.2 Datenrate 51
5.2 Konstellationsdiagramm 52
5.3 Wirkung von Störungen auf QAM 53
5.4 Modulation Error Ratio MER 54
5.4.1 Definition 54
5.4.2 Ursachen 56
5.5 Bitfehlerrate BER 57
5.6 Zusammenhang MER und BER 58
5.7 Umrechnung Eb/No in C/N 58
6 Abriss der Informationstheorie 60
6.1 Einführung 60
6.2 Beispiele und Definitionen 62
6.3 Zum Informationsgehalt digitaler Signale 62
6.4 Informationsgehalt analoger Signale 63
6.5 Codierungstheorie 63
6.5.1 Definitionen und Begriffe 63
6.5.2 Informationsübertragung 67
6.6 Fehlerschutz 71
6.6.1 Einführung 71
6.6.2 Fehlererkennung 72
6.6.3 Fehlerkorrektur 72
7 Analoge Übertragung im Kabelnetz 82
7.1 Rauschen 82
7.2 Frequenzgang (lineare Verzerrungen) 83
7.3 Intermodulation (nichtlineare Verzerrungen) 83
7.4 Gruppenlaufzeit 84
7.5 Brumm 84
7.6 Reflexionen 84
8 Protokolle 86
8.1 Zweck von Protokollen 86
8.2 Das OSI-Schichtenmodell 86
8.3 Ethernet 88
8.4 IP Protokoll Version IPv4 89
8.5 TCP Protokoll 90
8.6 Internet Protokoll Architektur 91
9 Unterscheidung von Netzen nach Zugriffsart 94
9.1 Allgemeine Zugriffsverfahren 94
9.1.1 Zeitmultiplex 95
9.1.2 Frequenzmultiplex 95
9.1.3 Spread Spectrum 95
9.2 Spezielle Zugriffsverfahren 99
9.3 Unterscheidung von Netzen nach Vermittlungsart 100
9.3.1 Leitungsvermittlung 100
9.3.2 Speichervermittlung 101
10 Basisspezifikation für das Kabelnetz 102
10.1 Frequenzbandbelegung 102
10.2 DOCSIS Qualitätsanforderungen 102
10.2.1 Auszug aus DOCSIS 1.1 Spezifikation 102
10.2.2 Auszug aus EuroDOCSIS3 1.1 Spezifikation 103
10.2.3 Zusatzanforderungen bei DOCSIS 2.0 104
10.3 Definition Rauschabstand für DOCSIS im Upstream 104
10.4 Spektrum-Überwachungssystem 104
10.5 DOCSIS Betriebs-Geräuschabstand im Upstream 105
10.6 Zielkriterien für den logischen Layer 106
10.7 Weitere Entwicklung von DOCSIS 107
11 DOCSIS Versionen 108
11.1 Einführung 108
11.2 DOCSIS 1.0 108
11.3 DOCSIS 1.1 109
11.4 DOCSIS 2.0 109
11.4.1 Störungsunterdrückung durch Filter (ICF) 110
11.4.2 Verbesserte Entzerrung für A-TDMA 111
11.4.3 Verbesserte Burst-Acqusition für A-TDMA 111
11.4.4 Verbesserte Fehlerkorrektur für Impulsstörungen 111
11.4.5 S-CDMA 111
11.5 Belegung des physischen DOCSIS Layers 112
11.5.1 Varianten der DOCSIS-Kanalcodierung 112
11.5.2 Übersicht DOCSIS Netz 113
11.6 DOCSIS Referenz-Schema 115
12 Verbindung zwischen Modem und CMTS 118
12.1 Übersicht 118
12.2 Erstmalige Anmeldung eines Modems beim CMTS 120
12.2.1 Installation 120
12.2.2 Downstream Kanalsuche 120
12.2.3 Das Kabelmodem wartet auf SYNC Message 120
12.2.4 Das Kabelmodem beschafft die Upstream Parameter 121
12.2.5 Initial Ranging 121
12.2.6 Automatische Modemeinstellung 121
12.2.7 Zulassungsprozess 122
12.2.8 Bandbreitenanforderung 122
12.2.9 Bandbreiten-Zuweisungstabelle MAP 122
12.2.10 IP-Verbindungsfähigkeit 122
12.2.11 Time of Day 123
12.2.12 Übertragung der Betriebsparameter 123
12.2.13 Registrierung 123
12.2.14 Baseline Privacy 123
12.3 Einzelheiten zum Ranging 126
12.3.1 Ranging-Ablauf 126
12.3.2 Einstellen der Sendeleistung am Kabelmodem 127
12.3.3 Contention Resolution 128
12.4 Zusammenhang Ticks, Mini-Slots und Symbole 128
12.5 Zugriffsverfahren im Rückweg 130
12.6 Timeout Zähler 131
12.7 Grenzen des Datendurchsatzes 132
12.7.1 Im Downstream 132
12.7.2 Im Upstream 133
12.8 Aufbauen des IP-Layers 134
12.9 Registrierung 134
12.10 Data Link Encryption 134
12.11 Quality of Service 135
12.12 MAC Layer Fragmentation 135
12.13 MAC Layer Concatenation 135
12.14 Präambel 135
12.15 Forward Error Correction 136
12.15.1 Fehlerschutz im Downstream 136
12.15.2 Fehlerschutz im Upstream 137
12.16 Interleaving 137
12.16.1 Aufgabe des Interleavings 137
12.16.2 Interleaving im Downstream 138
12.16.3 Interleaving im Upstream 139
12.17 Scrambling 139
12.18 Upstream Vergleich DOCSIS 1.x und 2.0 139
12.19 Zusammenfassung der Modem Zustände 140
13 Gestörte DOCSIS-Übertragung 142
13.1 Ungenaue Pegelung im Vorwärtsweg 142
13.2 Pegelfehler Im Downstream 142
13.3 Schlechter Geräuschabstand 142
13.4 Schlechtes Carrier-to-Junk-Ratio 143
13.5 Headend Zusammenschaltung 144
13.6 Zuviele Nodes auf einem Upstream Port 145
13.7 Zuviele Kabelmodems an einem Upstream Port 145
13.8 Mikroreflexionen 145
13.9 Gruppenlaufzeit 145
13.10 Common Path Distortion 145
13.11 Laser Clipping 148
13.12 Störungen durch Schwachstellen 152
13.12.1 Material und Installation 152
13.12.2 Planung, Material und Einstellungen 152
13.12.3 Materialmängel und Alterung 152
13.12.4 Äussere Ursachen für Ingress (Man Made Noise) 154
14 Auswertungen aus CMTS und Kabelmodem 156
14.1 Rauschabstand Downstream SNR 156
14.2 Rauschabstand Upstream SNR 158
14.3 Ermittlung der Codeword Error Rate CER 163
14.4 Flap-List 167
14.4.1 Insertions 168
14.4.2 Hits and Misses 168
14.4.3 Power Adjustments 169
14.4.4 Auswertung 169
14.4.5 Show Cable Abfrage Show cable Hop 171
14.4.6 CPU Auslastung im CMTS 172
14.5 Ausgewertete technische Informationen von CISCO 173
15 Erhöhte Anforderungen an den Netzunterhalt 176
15.1 Störungsbehebung 176
15.2 Präventiv-Unterhalt 176
15.3 Modifikationen 176
15.4 Netz Upgrade 176
15.5 Mitarbeiterschulung 177
15.6 Die Besonderheit im Zweiwegnetz 177
15.7 Fehlersuche durch Korrelation von Informationen 178
15.8 Fehlersuche durch geografische Darstellung 178
15.9 Flankierende Massnahmen 180
15.9.1 Abfiltern von Liegenschaften ohne Zweiwegdienste 180
15.9.2 Einsatz von Ingressblockern 181
15.10 Objektive Funktionsüberwachung im DOCSIS Netz 183
Literaturverzeichnis 186

15 Erhöhte Anforderungen an den Netzunterhalt (S. 165-166)

15.1 Störungsbehebung

Die Störungsbehebung befasst sich mit der raschen Behebung von Ausfällen. Ziel ist, den regulären Betrieb raschmöglichst wieder zu etablieren. Bei der Störungsbehebung müssen Ursachen und Massnahmen rapportiert werden. Diese Informationen werden ausgewertet und erlauben so eine Ausmerzung von Schwachstellen.

15.2 Präventiv-Unterhalt

Der präventive Unterhalt, auch Wartung genannt, hat zum Ziel, die zu erwartenden Störungen zu reduzieren und damit die Verfügbarkeit zu steigern. Dazu gehört auch die periodische Kontrolle vor Ort, um den Zugang im Störungsfall sicherzustellen. Der präventive Unterhalt erfordert ein klares Konzept, welches aus der detaillierten Störungsstatistik erarbeitet werden muss. Der zu erwartende Nutzen ist den Kosten gegenüber zu stellen.

15.3 Modifikationen
In einem Kabelnetz kann es immer wieder vorkommen, dass die Auswertung der Störungen und die Feststellungen anlässlich der präventiven Wartung Schwachstellen zeigen. Diese müssen dann analysiert und systematisch und im Rahmen des Change Managements in Wartungsfenstern (vereinbarte Blockzeit, während der das Netz abgeschaltet werden darf) angegangen werden. 15.4 Netz Upgrade Der Netz-Upgrade ist eine Investitions- und keine Unterhaltsmassnahme, weil er nicht den Status Quo sichert. Vielmehr geht es darum, einen bestimmten Teil des Netzes so anzupassen, dass weitere Resourcen nutzbar werden (z.B. grössere Bandbreite oder Rückwärtsübertragung).

15.5 Mitarbeiterschulung
Auch die Mitarbeiterschulung gehört zu den Aktivitäten, welche den Status Quo des Netzes sichern. Die zu schulenden Mitarbeiterkenntnisse verteilen sich auf folgende Bereiche: . Technisches (theoretisches und praktisches) Wissen über das Kabelnetz (Konzept, Planung, Bau, Unterhalt), . Wissen um die Zusammenhänge mit den transportierten Dienste, . Wissen über die Geografie des Kabelnetzes, . Kenntnis der Messtechnik, . Kenntnis der Abläufe.

15.6 Die Besonderheit im Zweiwegnetz

Während bei rein vorwärtsübertragenden Netzen die Überwachung und die präventiven Massnahmen noch eine untergeordnete Rolle spielten, so werden die Verhältnisse mit dem Vorhandensein eines Rückweges massiv komplexer. Im Gegensatz zum reinen Vorwärtsnetz bei dem Störungen nur am Netzende sehr lokal wirken und meist die Störungsverursacher treffen, pflanzen sich beim Hinzukommen des Rückweges die Störungen vom Netzende gegen die Kopfstation fort und legen schlimmstenfalls ganze Zellen für Dienste wie Internet oder Telefonie, lahm. Zur Entstörung, aber auch zum Präventivunterhalt gehören deshalb die permanente Überwachung des Rückweges und die erforderlichen Massnahmen zur Beseitigung des Ingress.

Damit der Ingress unter Kontrolle bleibt, ist ein Arsenal von Aktivitäten vorzuhalten: . Servicetechniker im Feld mit geeigenten Messgeräten, . Auswertung der erledigten Störungen bezüglich den Ursachen und Prüfung auf allfällig erforderliche Modifikationen am Netz oder an der Hausverteilanlage. Spektrumüberwachung mindestens an jeder Upstream Linecard, . Katalogisierung der Zellenzustände nach Ingressklassen und gezielte Massnahmen ergreifen, . Auswertung aller hilfreichen Daten aus den CMTS und aus den Modem. Für die Störungssuche müssen Methoden angewendet werden, welche ohne Unterbruch eine Diagnose erlauben. Arbeiten an intakten Netzabschnitten müssen in der Folge in ein Wartungsfenster gelegt werden. Störungen, die keine oder nur eine beschränkte Auswirkung auf den Kunden haben, sind vorzugsweise ebenfalls in ein Wartungsfenster zu legen. Selbstverständlich sind Störungen, wie Unterbrüche bei den Diensten, sofort behebbar. Wartungsfenster sind Zeiten, während denen wenig Kunden von Unterbrüchen betroffen sind und welche bekannt gemacht werden. Naturgemäss liegen solche Wartungsfenster in der Nacht.