Infraestructura de red para televisión digital interactiva. Protocolo DOCSIS

Arquitectura de la red de datos

Arquitectura de la red de datos

Protocolo DOCSIS Interés de los operadores de cable
Sistemas de comunicaciones de datos de alta velocidad Soporte de
gran variedad de servicios Distintas alternativas
tecnológicas para el desarrollo de equipos de
comunicaciones Cada fabricante tenía sus propios sistemas
Problemas de compatibilidad Asociación de
compañías CableLabs Cable Television Laboratories
Especificaciones de interfaz para la definición,
diseño, desarrollo y despliegue de sistemas de datos sobre
redes de cable

DOCSIS Data Over Cable Service Interface Specification Esquemas
de modulación, formatos de datos, protocolos Protocolo MAC
para redes de cable Versiones del protocolo Versión
inicial – DOCSIS 1.0 Versión mejorada – DOCSIS 1.1 –
EuroDOCSIS 1.1 Tipos de servicio: UGS, UGS-AD, rtPS, nrtPS, Best
Effort Nuevas versiones – DOCSIS 2.0, DOCSIS 3.0 (Gp:) Wide-Area
Network (Gp:) CMTS Network Side Interface (Gp:) Cable Modem
Termination System CMTS (Gp:) Cable Network (Gp:) Cable Modem
(CM) (Gp:) CM Customer Premises Equipment Interface (Gp:)
Customer Premises Equipment (Gp:) Transparent IP Traffic Through
the System

Arquitectura de protocolos DOCSIS PMD Physical Media Dependent TC
Transmission Convergence MAC Link Security DOCSIS PHY DOCSIS MAC
802.2 LLC OSI Physical Layer OSI Data Link Layer PMD Physical
Media Dependent TC Transmission Convergence MAA Medium Access
Arbitration Link Security 802.14a PHY 802.14a MAC 802.2 LLC ATM
MAC-CS Convergence subprocess ATM SAP MAC SAP DOCSIS Protocol
stack OSI reference model 802.14a protocol stack

Arquitectura de protocolos DOCSIS (Gp:) US PMD (Gp:) US PMD (Gp:)
10 Mbps (Gp:) US Cable PMD (Gp:) DS Cable PMD (Gp:) DS TC Layer
(Gp:) US Cable PMD (Gp:) DS Cable PMD (Gp:) DS TC Layer Fuente:
Agilent Technologies

DOCSIS 1.0 Acceso a internet de alta velocidad Transferencia de
datos en downstream 27Mbps ó 36Mbps (EuroDOCSIS: 42Mbps
ó 52Mbps) Frecuencias: 88-860 MHz (Norte América)
108-862 MHz (Europa) Ancho canal: 6 MHz (Norte América) 8
MHz (Europa) Modulación: 64QAM / 256QAM Flujo continuo de
datos MPEG-2 Transferencia de datos en upstream 320Kbps hasta
10Mbps Frecuencias: 5-42 MHz (Norte América) 5-65 MHz
(Europa) Ancho de canal: 0.2 hasta 3.2 MHz en 5 intervalos Symbol
rates: 160, 320, 640, 1280, 2560 Ksym/sec Modulación: QPSK
/ 16QAM Transmisión en slots de tiempo variables,
controlados por CMTS Al ser el cable un medio compartido, a
medida que más usuarios se conectan al sistema las
velocidades de transferencia disminuyen

DOCSIS 1.1 Soporte de QoS Service Flows Se permiten
múltiples flujos de servicio por CM Establecimiento
dinámico de servicios Para disminuir retardos, jitter e
incrementar la utilización del ancho de banda en upstream
Fragmentation Envío de una trama de un paquete durante una
oportunidad de transmisión Concatenation Envío de
varias tramas durante una oportunidad de transmisión
Piggyback Las solicitudes de transmisión son
“piggybacked” a los datos enviados, reduciendo el
retardo Payload Header Suppression (PHS) Supresión de una
parte de las cabeceras de capas superiores

Principios de comunicación Local head-end Subscribers La
comunicación es bidireccional Canal downstream: compartido
por todos los abonados Canal upstream: abonados asignados a los N
canales upstream La transmisión no es simétrica
(DOCSIS 1.1) Canal downstream 27Mbps ó 38Mbps (EuroDOCSIS:
42Mbps ó 52Mbps) Cada canal upstream 320Kbps a
10.24Mbps

De CMTS a los CMs Mensajes de datos y gestión enviados por
broadcast Todos los CMs escuchan todas las tramas CMs aceptan las
tramas destinadas a ellos Comunicación en canal
downstream

Desde los CMs al CMTS Canal dividido en “mini slots”
de tiempo Mini slot Unidad de oportunidad de transmisión
Uso de slots gestionado por CMTS Slots Grant (reserved) slots
Transmisión de datos Contention slots Reserva de
oportunidades de transmisión Comunicación en canal
upstream slot

Especificaciones capa física

Especificaciones capa física Ráfagas de ruido
Amplificadores de potencia Fuentes de alimentación Errores
de bloque Interleaving en downstream Mezclar datos en emisor
Reensamblarlos en receptor Latencia en las comunicaciones
Downstream interleaver delay (µs)

Subcapa Transmision Convergence Interfaz a PMD para la capa MAC
en downstream DOCSIS emplea MPEG-2 en la subcapa TC Robustez en
la demodulación Faciliar la multiplexación de
vídeo y datos Flujo de bits en DS serie de paquetes MPEG
de 188 bytes Fuente: Agilent Technologies

Operaciones en la capa MAC Fase de inicialización Ranging
Fase de transferencia de información Intervalos upstream
Gestión del ancho de banda Mensajes MAP Colas virtuales
Seguridad en la capa de enlace de datos Servicios de QoS
Algoritmos de resolución de colisiones

Inicialización Fuente: Agilent Technologies

Proceso de ranging Medir offset desde CMTS hasta CM
Múltiples intentos, mensajes SYNC, MAP CMTS
Estación A Estación más lejana SYNC SYNC MAP
Solicitud (REQ) Respuesta (RESP) (a) Configura su tiempo a T1 (b)
Configura tiempo a T2 y ajusta su velocidad de reloj (c)
Envía solicitud de ranging con SID = 0 (d) Ajuste de
acuerdo con los valores recibidos Captura un SID temporal MAP
Solicitud Respuesta (e) Ajuste de acuerdo con los valores
recibidos T1 T2 T3 T4 éxito T5 Área de
mantenimiento inicial Área de mantenimiento de
estación éxito tiempo CMTS tiempo estación
A

Transferencia de información CMTS asigna el uso de ancho
de banda en upstream Bandwidth Allocation MAP message Describe
uso de slots Difundidos periódicamente por CMTS en
downstream Usado por CM para determinar cuándo enviar
datos en upstream

Transmisión en upstream t2: CM receives a MAP, scans for
request opportunities and calculates t6 t4: CM transmits the
request so that it is received by CMTS at t6 t7: CMTS transmits
the map and issues a grant for CM starting at t11 t10: CM
transmits data

Mensajes MAP Mensaje de longitud variable transmitido por CMTS en
DS Define oportunidades de transmisión en upstream
Cabecera de longitud fija + elementos de información (IEs)
Request IE Intervalo para solicitar ancho de banda Request/Data
IE Intervalo para transmitir solicitudes o paquetes cortos de
datos Initial Maintenance IE Intervalo para que nuevas estaciones
se unan a la red Station Maintenance IE Intervalo para
operaciones de mantenimiento (ranging, ajuste de potencia,
…) Short and Long Data Grant IE Intervalo para que un CM
pueda transmitir una o más PDUs Data Acknowledge IE
Asentimiento de que una PDU de datos ha sido recibida Null IE
Termina la actual asignación en la lista de IE

Formato de mensajes MAP Alloc Start time Ranging Backoff start
Ranging Backoff end Data Backoff start Data Backoff end IE1 IE2
… IEN SID IUC IUC: Interval Usage Code Valores de IUC: 1:
Request minislot 2: Immediate access minislot 3: Initial
maintenance 4: Station maintenance 5: Short data grant Data
Backoff Start, Data Backoff End Valores inicial y máximo
del tamaño de la ventana Número de oportunidades de
transmisión que el CM debe esperar antes de transmitir
Valores en potencia de 2 Ranging Backoff Start, Ranging Backoff
End Idem para operaciones de ranging Offset

Mecanismos de transmisión Acceso isócrono Sondeo
periódico solicitud Reserve piggybacking Espera
concesión (Gp:) Espera oportunidad para transmitir Reserva
normal Transmisión Solicitud enviada Recibido mensaje de
concesión Oportunidad transmisión Ocurre
colisión Acceso inmediato Acceso isócrono Sondeo
periódico solicitud Resolución colisiones Acceso
inmediato Completada la inicialización Transmisión
inactiva

Best Effort Patrón “Request, grant, request,
grant” “Requests”? slots de contención
“Datos” ? slots reservados Unsolicited Grant Service
(UGS) Flujos de tiempo real que generan paquetes de datos de
tamaño fijo de forma periódica (VoIP) Ofrece
concesiones de tamaño fijo para enviar datos de forma
periódica. No necesita solicitud Real-Time Polling Service
(rtPS) Flujos en tiempo real que generan datos de tamaño
variable de forma periódica, como video MPEG Non-real Time
Polling Service (nrtPS) Similar a nrtPS, pero las concesiones son
menos frecuentes y también puede enviar datos en los slots
de contención Unsolicited Grant Service with Activity
Detection (UGS-AD) Similar a UGS, pero como rtPS cuando no hay
datos, para ahorrar ancho de banda -VoIP con supresión de
silencios activada QoS – Tipos de servicio en el canal
upstream

Servicios en DOCSIS

Clasificación para operaciones QoS

Clasificación de paquetes CM-CMTS

Resolución de colisiones en DOCSIS Solicitud recibida Cola
lógica vacía CRE inactivo Esperando
asignación MAP Nueva solicitud: tamaño inicial de
ventana backoff a 2DBS Seleccionar número dentro de la
ventana backoff Enviar solicitud Solicitud recibida Cola
lógica tiene backlog Piggyback solicitud Timeout (fallo de
contención) Número de intentos <= 16 (max.
intentos) Tamaño nuevo de ventana = (2*tamaño
anterior, 2DBE) Grant (contención satisfactoria) Esperando
concesión (Grant) Esperando oportunidades de solicitud
Timeout (fallo de contencion) Intentos > 16 (max.
intentos)

DOCSIS 2.0 Capacidad para servicios simétricos Incremento
del ancho de banda en upstream Mejora de la eficiencia espectral
DOCSIS 2.0 es compatible con DOCSIS 1.x

DOCSIS 3.0 Estándar DOCSIS con soporte IPv6 Channel
bonding Uso de múltiples canales US y DS al mismo tiempo
por un único abonado Redundancia Incrementar
throughput

Resumen DOCSIS Elementos de red Cable modem (CM) Cable Modem
Termination System (CMTS) Comunicación Downstream:
broadcast de datos a todos los CM Upstream: allocation MAP
message Determinan el uso de los slots de tiempo Mensajes MaP
contienen Grant slots Contention slots Varios tipos de servicio
UGS, rtPS, UGS-AD, nrtPS, BE, CIR QoS Support
Fragmentación, concatenación, piggyback, PHS