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