DOCSIS-Technik

DOCSIS: Gigabit per TV-Kabel - bald auch symmetrisch

Breit­band-Anschlüsse über Kabel gibt es mitt­ler­weile mit einer Band­breite von 1 GBit/s - dies wird durch den Stan­dard DOCSIS möglich. Bald könnte es noch mehr Speed geben, und zwar symme­trisch.
Von Thorsten Neuhetzki /

Internet per Kabel ist schon heute mit höheren Daten­raten zu haben, als es Tech­no­lo­gien wie VDSL derzeit erlauben. Einige Anbieter ermög­li­chen ihren Kunden inzwi­schen Down­stream-Raten von bis zu 1 GBit/s. Doch die Daten­raten sind endlich - vor allem durch das Teilen der Leitung mit anderen Nutzern auf den letzten Metern zwischen Verstär­ker­punkt und Kunde (Shared Medium). Die Kabel­an­bieter haben 2013 damit begonnen, den Stan­dard DOCSIS 3.1 einzu­führen, der Gigabit-Raten ermög­licht. Mit DOCSIS 4.0 ist nun auch die Spezi­fi­ka­tion des neuesten Stan­dards fertig, die in Deutsch­land aber noch kein Netz­be­treiber einge­führt hat.

DOCSIS bezeichnet den Stan­dard für die so genannte bidi­rek­tio­nale Daten-Über­tra­gung im Kabel­netz - er kommt also in den mit einem Rück­kanal verse­henen Kabel­netzen zur Anwen­dung. Der DOCSIS-Stan­dard wurde nach seiner Einfüh­rung 1997 ständig an neue Gege­ben­heiten ange­passt. So wurden nach und nach Features wie die dyna­mi­sche Dienst­qua­lität (Quality of Service) für Tele­fonie über die Internet-Leitung (Voice over Cable), die Verbes­se­rung der Upstream-Leis­tung oder - 2013 mit der Reali­sie­rung der Version DOCSIS 3.1 - die Kanal-Bünde­lung einge­führt. Mehr Speed im TV-Kabel durch DOCSIS 3.1 Mehr Speed im TV-Kabel durch DOCSIS 3.1
Bild: Unitymedia
Schon bei der Einfüh­rung von DOCSIS 3.1 hatten die Kabel­netz­be­treiber einiges zu beachten: So konnte diese zwar parallel zum Weiter­be­trieb von DOCSIS 3.0 erfolgen, das ging jedoch nur, wenn es auch freie Frequenzen im Netz gab. Zumeist waren die Frequenzen im Kabel­netz aber belegt, entweder mit DOCSIS-Signalen oder mit digi­talem Kabel­fern­sehen. Damit freie Frequenzen geschaffen werden, haben die Kabel­an­bieter inzwi­schen die inef­fi­zi­enten analogen TV-Signale aus ihren Kabel­netzen verbannt. Die freien Frequenzen im Bereich bis 862 MHz ließen sich so in der Folge für Inter­net­si­gnale nutzen.

DOCSIS 4.0: Endlich symme­tri­sches Kabel-Internet

Schon länger empfanden es Kabel-Internet-Kunden als Ärgernis, dass bei den Anschlüssen immer mit einem hohen Down­stream geworben wird, der Upstream aber nur einen Bruch­teil des Down­streams beträgt. Insbe­son­dere bei der Verwen­dung von Kabel-Internet-Anschlüssen bei Firmen war das lästig, doch auch Privat­kunden haben dank Cloud Compu­ting heut­zu­tage mehr Bedarf für eine hohe Upload­ge­schwin­dig­keit.

DOCSIS 4.0 räumt mit dieser Band­breiten-Schief­lage auf. Mussten Kabel­netz­be­treiber bislang die verfüg­bare Band­breite wie in einer Jonglage zwischen Down- und Upstream aufteilen, ermög­licht DOCSIS 4.0 mehrere Über­tra­gungen im glei­chen Frequenz­spek­trum. Die Stan­dar­di­sie­rungs­or­ga­ni­sa­tion CableLabs nennt diese Tech­no­logie "Full Duplex".

Der Stan­dard DOCSIS 4.0 wird auch ein erwei­tertes Frequenz­spek­trum (bis 1,8 GHz) nutzen, wodurch noch­mals höhere Band­breiten möglich sind. Im Down­stream sind es laut CableLabs bis zu 10 GBit/s, im Upstream sollen bis zu 6 GBit/s erzielt werden. Das bedeutet im Vergleich zu DOCSIS 3.1 eine Verdop­pe­lung der Band­breiten im Down- bzw. eine Vervier­fachung im Upstream. Es könnte aber durchaus noch dauern, bis DOCSIS 4.0 in exis­tie­renden Kabel­netzen zum Einsatz kommt. Technik Kabel Internet typischerweise vor den Wohnhäusern Ein Kabel, wie es typischerweise vor den Wohnhäusern unter den Bürgersteigen zu finden ist: Die Signale kommen von den Verstärkerpunkten und zweigen zu den Hausübergabepunkten ab.
Foto: Kabel Deutschland

DOCSIS 3.1 kann Frequenzen bis 1,7 GHz nutzen

Mit DOCSIS 3.1 stehen auch bereits Frequenzen jenseits der 862 MHz zur Verfü­gung. Zumin­dest sieht der Stan­dard vor, dass Frequenzen bis 1,7 GHz verwendet werden können. Das aller­dings war in den meisten deut­schen Kabel­netzen nicht ohne Weiteres möglich, weil viele Verstär­ker­punkte und Abzweige diese bis dahin nicht benö­tigten Frequenzen auch nicht unter­stützten. Hinzu kam, dass Kabel­netz­be­treiber wie Unity­media/Voda­fone ihre Netze nicht selbst gebaut, sondern von der Telekom über­nommen haben. Die Telekom wiederum hat die Netze noch zu Zeiten der Deut­schen Bundes­post errichtet.

Der Frequenz­be­reich wurde in Deutsch­land zunächst bis auf 1218 MHz ausge­weitet. Für die Netz­be­treiber bedeu­tete das aber auch eine erhöhte Kabel­dämp­fung in den oberen Frequenz­be­rei­chen. Ein solcher Ausbau ist immer nur dann sinn­voll, wenn der Kabel­netz­be­treiber die Glas­fa­ser­lei­tung wie bei FTTB bis zum Gebäude führt und erst hier auf das Koaxi­al­kabel wech­selt. Das wird auch von ersten Anbie­tern bereits umge­setzt. So hatte Voda­fone bereits 2017 einen Feld­test mit FTTB-Ausbau durch­ge­führt und dabei in Summe mehr als 8 GBit/s erreicht.

Mit einem Glas­faser-Ausbau bis in die Gebäude entgehen die Anbieter auch einem weiteren Problem, das aus den Bundes­post-Zeiten resul­tiert: Einige Elemente im Verzwei­ger­netz, das einst die Deut­sche Bundes­post gebaut hat, sind den Anbie­tern auch nach Jahren noch nicht bekannt. Deshalb wissen sie auch nicht, ob und welche Frequenzen sie unter­stützen. Werden nun neue Frequenzen verwendet, könnte hier die eine oder andere Über­ra­schung warten. Im Vorteil sind Anbieter wie Tele Columbus, deren Netze vergleichs­weise neu sind und unter eigener Regie neu gebaut oder moder­ni­siert wurden.

Anderes Modu­la­ti­ons­ver­fahren

Kabel-Internet Kabel-Internet
Foto: Unitymedia
DOCSIS 3.1 nutzt, anders als der Vorgänger, OFDM (Ortho­gonal Frequency-Divi­sion Multi­plexing), ein Multi-Carrier-Modu­la­ti­ons­ver­fahren. Der Netz­be­treiber kann so besser auf die jewei­ligen Bege­ben­heiten für den Cluster oder sogar für jedes einzelne Modem eingehen. Eine Unter­drü­ckung von Unterträ­gern vermeidet Fehler durch Einstrah­lungen, Zeit- und Frequenz-Inter­lea­ving ermög­li­chen eine Verbes­se­rung der Immu­nität gegen Impuls­rau­schen und Inter­fe­renzen. Zusätz­lich kommt bei DOCSIS 3.1 ein leis­tungs­fä­higer Fehler­schutz zum Einsatz (Low Density Parity Check LDPC). Möglich sind auch enorm hohe Frequenz­mo­du­la­tionen. Derzeit wird von 4KQAM im Down­stream und 1KQAM im Upstream ausge­gangen, perspek­ti­visch sei aber auch 16KQAM im Down­stream möglich. 4KQAM ermög­licht pro Kanal eine Daten­rate von 84 MBit/s. Die höhere Modu­la­tion bedeutet zwar einen größeren Kanal-Rausch­ab­stand, dem wirkt die neue Fehler­kor­rektur aber entgegen.

Frequenzen können zudem dyna­misch bereit­ge­stellt und genutzt werden, sodass ein Energie-effi­zi­enter Betrieb gemäß der aktu­ellen Anfor­de­rung möglich ist. Anstelle eines schnell modu­lierten breit­ban­digen Signals nimmt man also viele lang­samer modu­lierte Schmal­band­si­gnale.

Unterm Strich wird der Netz­be­treiber in der Frequenz­nut­zung auch flexi­bler. Vor DOCSIS 3.1 musste er verschie­dene Sende­ka­näle defi­nieren, auf denen DOCSIS-Signale über­tragen werden. Bei DOCSIS 3.1 wird pauschal ein Spek­trum von bis zu 192 MHz verwendet. Vergleich Reichweite Kabel-Internet - DSL Vergleich Reichweite Kabel-Internet - DSL: Im Breitband-Kabel ist der Einsatz von Verstärkern viel weiter verbreitet als beispielsweise bei DSL oder VDSL.
Grafik: Unitymedia

Paral­lel­be­trieb zweier Stan­dards

Die flächen­de­ckende Einfüh­rung von DOCSIS 3.1 war und ist ein fort­wäh­render Prozess, deswegen gab es also nicht mit einem Schlag 10-GBit/s-Anschlüsse. DOCSIS 3.0 blieb zunächst noch eine Zeit­lang weiter geschaltet, da andern­falls die Modems bei den Kunden schnell hätten getauscht werden müssten. Eine Firm­ware-Anpas­sung der Modems ist nicht möglich, die beiden Tech­no­lo­gien sind aber auch nicht mitein­ander kompa­tibel. Inzwi­schen verlangen einige Netz­be­treiber den Modem-Tausch bei ihren Kunden für den endgül­tigen Wechsel auf DOCSIS 3.1.

Vorteil der Kabel­netz­be­treiber: Zwar kann ein 3.0-Modem nicht mit 3.1 umgehen, doch können beide Systeme im selben Netz parallel betrieben werden.

Kabel-Radio auf der Kippe

Im Upstream, derzeit dem größten Nach­teil der Kabel­netz­be­treiber, wurden die Netze mit DOCSIS 3.1 eben­falls nach­ge­bes­sert. Auch hier kamen weitere Frequenzen zum Einsatz. Diese stehen seit der Abschal­tung des analogen Kabel-Radios auch zur Verfü­gung. Denn der Internet-Upstream sollte unter anderem in diesem Frequenz­be­reich über­tragen werden.

Damit das volle Poten­zial von DOCSIS 3.1 ausge­nutzt werden kann, müssen die Netz­be­treiber aber viel im Netz umrüsten, um die ausge­wei­teten Frequenz­be­reiche zu unter­stützen. Ferner bedeutet die Auswei­tung der Frequenz­be­reiche aufgrund der stei­genden Signal­leis­tung auch eine höhere Leis­tungs­auf­nahme. Diese Leis­tungs­auf­nahme würde sich jedoch auch wieder rela­ti­vieren, wenn die Glas­fa­ser­lei­tungen nach und nach näher an die Kunden geführt und die Verstär­ker­punkte damit weniger werden würden. Mit der heutigen Frequenz­nut­zung lassen sich mit DOCSIS 3.1 Daten­raten von 1 GBit/s im Down­stream errei­chen. Würden - nach Auswei­tung des Frequenz­spek­trums auf 1,7 GHz - alle Kanäle für Daten­ver­bin­dungen genutzt werden, so wären dann wohl auch Daten­raten von 10 GBit/s kein Problem.

Doch allen Schwie­rig­keiten und Verzö­ge­rungen zum Trotz: DOCSIS 3.1 wurde einge­führt. Inzwi­schen sind bei mehreren Kabel­an­bie­tern in vielen Groß­städten Anschlüsse mit bis zu 1 GBit/s nutzbar. Technik Kabel Internet Kabelverstärker Kabelverstärker wie dieser sind in Städten an vielen Stellen zu sehen. Sie verstärken die Kabelsignale der Kunden in Richtung der Kabelkopfstation, aber auch die TV- und Internetsignale von der Kabelkopfstation zum Kunden.
Foto: teltarif.de

Mit EuroDOCSIS 3.0 waren bis zu 400 MBit/s möglich

Mit der euro­päi­schen Vari­ante EuroDOCSIS 3.0 waren Über­tra­gungen mit bis zu 400 MBit/s denkbar. DOCSIS ist bis zur Version 3.0 abwärts­kom­pa­tibel und ermög­licht den paral­lelen Betrieb der anderen voran­ge­gan­genen Versionen des Stan­dards.

Der an die TV-Normen der Kabel­netze in Europa ange­passte EuroDOCSIS-Stan­dard bot seiner­zeit eine um 2 MHz auf 8 MHz ausge­baute Frequenz-Band­breite pro Kanal für den Down­stream sowie eine Frequenz-Band­breite von 5 bis 65 MHz pro Kanal für den Upstream. Bei einer Modu­la­tion mit QAM-256 und bei einer Symbol­rate von 6,952 MSym/s (MSym/s steht für Mega­sym­bole pro Sekunde) ergab sich dann für einen Kanal ein Daten­durch­satz von brutto 55,616 MBit/s bzw. - unter Abzug der Vorwärts-Fehler­kor­rektur - ein Daten­durch­satz von netto 51,254 MBit/s. Demge­gen­über stand auf der Upstream-Seite ein Durch­satz von brutto 30,72 MBit/s bei einer Modu­la­tion mit QAM-64 sowie einer Symbol­rate von 5,12 MBit/s.

Vier gebün­delte Down­stream-Kanäle mit einer Kanal­band­breite von 8 MHz und QAM-256 ermög­lichten dann eine Daten­über­tra­gung mit bis zu 200 MBit/s. Bei acht gebün­delten Down­stream-Kanälen wurden bis zu 400 MBit/s erreicht. Auch solche EuroDOCSIS-3.0-fähigen Kabel-Modems, welche die Bünde­lung von acht Down­stream-Kanälen und vier Upstream-Kanälen unter­stützen, waren dann irgend­wann im Handel erhält­lich. Ein entspre­chendes Modem empfing aufein­an­der­fol­gend über vier Kanäle aufge­teilte Daten­pa­kete, setzt diese dann in der rich­tigen Reihen­folge zusammen und über­mit­telte die Infor­ma­tionen an den Ethernet-Port. Technik Kabel Internet Cable Modem Termination System CMTS Das Cable Modem Termination System (CMTS) ist netzseitig der Abschluss des Internetsignals.
Foto: teltarif.de
Das Problem: Weil das Kabel­netz ein so genanntes "Shared Medium" ist, konnten und können auch die Kabel-Internet-Anbieter nicht die tatsäch­lich verfüg­baren Band­breiten garan­tieren. Zum einen teilen sich mögli­cher­weise mehrere Nutzer die Band­breite an einem Kabel-Modem pro Haus­halt. Zum anderen aber können auch die soge­nannten Cluster, also die Bereiche ab dem Über­gang von Glas­faser auf Koaxi­al­kabel, zu groß gefasst sein. Buchen dann zu viele Kunden die Internet-Leitungen, so sind die Leitungen vor allem zu Stoß­zeiten (beispiels­weise am Abend) über­lastet. Durch die Zuschal­tung weiterer Kanäle ließe sich zwar weitere Kapa­zität in die Gebiete bringen, doch auch hier sind die Möglich­keiten endlich. Maximal üblich in Deutsch­land waren seiner­zeit 24 gebün­delte Kanäle, bei einem Daten­durch­satz von netto 51,254 MBit/s pro Kanal waren das 1,23 GBit/s. Umfasste nun aber ein Cluster beispiels­weise eine ganze Klein­stadt und 500 Kunden wollten gleich­zeitig surfen, so blieben für jeden Kunden rech­ne­risch nur noch etwas weniger als 2,5 MBit/s. Entspre­chend mussten die Cluster mit stei­gender Kunden­dichte verklei­nert (segmen­tiert) werden. In den Kabel-Anfangs­zeiten hatten Cluster nach Angaben aus Netz­be­trei­ber­kreisen eine Größe von 15 000 Haus­halten.

In einem sepa­raten Ratgeber zeigen wir auf, wie Sie vorgehen können, wenn der Provider Ihnen nicht die verspro­chene Geschwin­dig­keit liefert.