DOCSIS

La especificación de interfaz de servicio de datos por cable ( DOCSIS ) es un estándar internacional de telecomunicaciones que permite añadir transferencia de datos de alto ancho de banda a un sistema de televisión por cable (CATV) existente. Muchos operadores de televisión por cable la utilizan para proporcionar acceso a Internet por cable a través de su infraestructura híbrida de fibra coaxial (HFC).

DOCSIS fue desarrollado originalmente por CableLabs y empresas colaboradoras, entre ellas Broadcom , Comcast , Cox , General Instrument , Motorola , Terayon y Time Warner Cable . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

DOCSIS 1.0

Lanzado en marzo de 1997, DOCSIS 1.0 incluía elementos funcionales de módems de cable propietarios anteriores . ^{[ 3 ]}

DOCSIS 1.1

Publicado en abril de 1999, DOCSIS 1.1 estandarizó los mecanismos de calidad de servicio (QoS) que se describieron en DOCSIS 1.0. ^{[ 4 ]}

DOCSIS 2.0 (abreviado D2)

Lanzado en diciembre de 2001, DOCSIS 2.0 mejoró las velocidades de transmisión de datos en sentido ascendente en respuesta a la creciente demanda de servicios simétricos como la telefonía IP.

DOCSIS 3.0 (abreviado D3)

Lanzado en agosto de 2006, DOCSIS 3.0 aumentó significativamente las velocidades de transmisión de datos (tanto de subida como de bajada) e introdujo la compatibilidad con el protocolo de Internet versión 6 (IPv6).

DOCSIS 3.1

Lanzada por primera vez en octubre de 2013 y posteriormente actualizada varias veces, la suite de especificaciones DOCSIS 3.1 admite capacidades de hasta 10 Gbit/s de bajada y 1 Gbit/s de subida utilizando 4096 QAM . Las nuevas especificaciones eliminaron el espaciado de canales de 6 MHz y 8 MHz de ancho y en su lugar utilizan subportadoras de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) más estrechas (25 kHz o 50 kHz de ancho) ; estas se pueden unir dentro de un espectro de bloque que podría terminar siendo de unos 200 MHz de ancho. ^{[ 5 ]} La tecnología DOCSIS 3.1 también incluye características de administración de energía que permitirán a la industria del cable reducir su consumo de energía, y el algoritmo DOCSIS-PIE ^{[ 6 ]} para reducir la hinchazón del búfer . ^{[ 7 ]} En los Estados Unidos , el proveedor de banda ancha Comcast anunció en febrero de 2016 que varias ciudades dentro de su área de cobertura tendrán disponibilidad de DOCSIS 3.1 antes de fin de año. ^{[ 8 ]} A finales de 2016, Mediacom anunció que se convertiría en la primera gran compañía de cable estadounidense en realizar la transición completa a la plataforma DOCSIS 3.1. ^{[ 9 ]}

DOCSIS 4.0

Mejora DOCSIS 3.1 para utilizar todo el espectro de la red de cable (de 0 MHz a ~1,8 GHz) simultáneamente en ambas direcciones, de subida y de bajada. Esta tecnología permite servicios simétricos multigigabit, manteniendo la compatibilidad con versiones anteriores de DOCSIS 3.1. CableLabs publicó la especificación completa en octubre de 2017. ^{[ 10 ]} Anteriormente conocidas como DOCSIS 3.1 Full Duplex, estas tecnologías han sido renombradas como parte de DOCSIS 4.0. ^{[ 11 ]}

DOCSIS 5.0

Actualmente, CableLabs no ha declarado oficialmente ninguna versión de DOCSIS como DOCSIS 5.0. Se especula que se pretenden alcanzar velocidades de 25 Gbit/s de bajada y al menos 5 Gbit/s de subida a 3 GHz, y se ha demostrado una implementación de referencia en 2024. ^{[ 12 ]}

Varias versiones de DOCSIS pueden coexistir utilizando multiplexación por división de frecuencia y separando las nuevas versiones de DOCSIS de las antiguas según sus frecuencias de operación. ^{[ 13 ]}

Dado que los planes de asignación de ancho de banda de frecuencia difieren entre los sistemas CATV de Estados Unidos y Europa, los estándares DOCSIS anteriores a la versión 3.1 se modificaron para su uso en Europa. Estas modificaciones se publicaron bajo el nombre de EuroDOCSIS . Las diferencias en el ancho de banda se deben a que la televisión por cable europea cumple con los estándares PAL / DVB-C de 8 MHz de ancho de banda por canal de RF, mientras que la televisión por cable norteamericana cumple con los estándares NTSC / ATSC , que especifican 6 MHz por canal. El mayor ancho de banda por canal en las arquitecturas EuroDOCSIS permite asignar más ancho de banda a la ruta de datos descendente (hacia el usuario). Las pruebas de certificación EuroDOCSIS las realiza la empresa belga Excentis (anteriormente conocida como tComLabs), mientras que las pruebas de certificación DOCSIS las realiza CableLabs. Normalmente, el equipo en las instalaciones del cliente recibe la "certificación", mientras que el equipo CMTS recibe la "cualificación".

El Sector de Normalización de las Telecomunicaciones de la UIT (UIT-T) ha aprobado las distintas versiones de DOCSIS como normas internacionales. DOCSIS 1.0 fue ratificada como Recomendación J.112 Anexo B de la UIT-T (1998), pero fue sustituida por DOCSIS 1.1, que fue ratificada como Recomendación J.112 Anexo B de la UIT-T (2001). Posteriormente, DOCSIS 2.0 fue ratificada como Recomendación J.122 de la UIT-T . Más recientemente, DOCSIS 3.0 fue ratificada como Recomendación J.222 de la UIT-T ( J.222.0 , J.222.1 , J.222.2 , J.222.3 ).

Nota: Si bien el Anexo B de la Recomendación J.112 de la UIT-T corresponde a DOCSIS/EuroDOCSIS 1.1, el Anexo A describe un sistema de módem de cable europeo anterior (" DVB EuroModem") basado en estándares de transmisión ATM. El Anexo C describe una variante de DOCSIS 1.1 diseñada para operar en sistemas de cable japoneses. El cuerpo principal de la Recomendación J.122 de la UIT-T corresponde a DOCSIS 2.0, el Anexo F de la J.122 corresponde a EuroDOCSIS 2.0, y el Anexo J de la J.122 describe la variante japonesa de DOCSIS 2.0 (análoga al Anexo C de la J.112).

DOCSIS ofrece una variedad de opciones disponibles en las capas 1 y 2 del modelo de interconexión de sistemas abiertos (OSI): las capas física y de enlace de datos .

• Ancho del canal:
  • En sentido descendente: Todas las versiones de DOCSIS anteriores a la 3.1 utilizan canales de 6 MHz (por ejemplo, Norteamérica) o canales de 8 MHz ("EuroDOCSIS"). DOCSIS 3.1 utiliza anchos de banda de canal de hasta 192 MHz en el sentido descendente. ^{[ 14 ]}
  • En sentido ascendente: DOCSIS 1.0/1.1 especifica anchos de canal entre 200 kHz y 3,2 MHz. DOCSIS 2.0 y 3.0 especifican 6,4 MHz, pero pueden usar anchos de canal más estrechos anteriores para garantizar la compatibilidad con versiones anteriores. DOCSIS 3.1 utiliza anchos de banda de canal de hasta 96 MHz en el sentido ascendente.
• Modulación:
  • Descendente: Todas las versiones de DOCSIS anteriores a la 3.1 especifican que se utilice QAM de 64 niveles o de 256 niveles (64-QAM o 256-QAM) para la modulación de datos descendentes, utilizando el estándar ITU-T J.83-Anexo B ^{[ 15 ]} para la operación de canales de 6 MHz y el estándar de modulación DVB-C para la operación de 8 MHz (EuroDOCSIS). DOCSIS 3.1 agrega 16-QAM, 128-QAM, 512-QAM, 1024-QAM, 2048-QAM y 4096-QAM, con soporte opcional para 8192-QAM/16384-QAM.
  • Transmisión ascendente: Los datos de transmisión ascendente utilizan QPSK o QAM de 16 niveles (16-QAM) para DOCSIS 1.x, mientras que QPSK, 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM y 64-QAM se utilizan para DOCSIS 2.0 y 3.0. DOCSIS 2.0 y 3.0 también admiten 128-QAM con modulación codificada en red en modo S-CDMA (con una eficiencia espectral efectiva equivalente a la de 64-QAM). DOCSIS 3.1 admite modulaciones de datos desde QPSK hasta 1024-QAM, con soporte opcional para 2048-QAM y 4096-QAM.

• DOCSIS emplea una combinación de métodos de acceso deterministas para las transmisiones ascendentes, específicamente acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) para DOCSIS 1.0/1.1 y tanto TDMA como S-CDMA para DOCSIS 2.0 y 3.0, con un uso limitado de contención para las solicitudes de reserva de ancho de banda. En TDMA, un módem de cable solicita un tiempo para transmitir y el CMTS le asigna una ranura de tiempo disponible. ^{[ 16 ]}
• Para DOCSIS 1.1 y versiones posteriores, la capa de datos también incluye amplias funciones de calidad de servicio (QoS) que ayudan a admitir de manera eficiente aplicaciones que tienen requisitos de tráfico específicos, como baja latencia, por ejemplo, voz sobre IP .
• DOCSIS 3.0 incluye la agregación de canales , que permite que un solo suscriptor utilice simultáneamente varios canales de bajada y subida. ^{[ 17 ]}

El ancho de banda se comparte entre los usuarios de una HFC, dentro de grupos de servicio que son grupos de clientes que comparten canales de RF . ^{[ 18 ]}

Las tres primeras versiones del estándar DOCSIS admiten un rendimiento de bajada con 256-QAM de hasta 42,88 Mbit/s por canal de 6 MHz (aproximadamente 38 Mbit/s después de la sobrecarga), o 55,62 Mbit/s por canal de 8 MHz para EuroDOCSIS (aproximadamente 50 Mbit/s después de la sobrecarga). El rendimiento de subida posible es de 30,72 Mbit/s por canal de 6,4 MHz (aproximadamente 27 Mbit/s después de la sobrecarga), o 10,24 Mbit/s por canal de 3,2 MHz (aproximadamente 9 Mbit/s después de la sobrecarga).

DOCSIS 3.1 admite un rendimiento de bajada con 4096-QAM y espaciado de subportadoras de 25 kHz de hasta 1,89 Gbit/s por canal OFDM de 192 MHz. El rendimiento de subida posible es de 0,94 Gbit/s por canal OFDMA de 96 MHz. ^{[ 19 ]}

• Los módems DOCSIS se gestionan mediante una dirección de Protocolo de Internet (IP).
• La especificación 'DOCSIS 2.0 + IPv6' permitió la compatibilidad con IPv6 en módems DOCSIS 2.0 mediante una actualización de firmware. ^{[ 20 ] [ 21 ]}
• DOCSIS 3.0 añadió gestión sobre IPv6 . ^{[ 17 ]}

Las tablas asumen modulación 256-QAM para la transmisión descendente y 64-QAM para la transmisión ascendente en DOCSIS 3.0, y modulación 4096-QAM para OFDM/OFDMA (primeros métodos descendentes/ascendentes) en DOCSIS 3.1, aunque las velocidades de datos reales pueden ser menores debido a la modulación variable que depende de la relación señal/ruido (SNR). Se pueden alcanzar velocidades de datos más altas, pero requieren esquemas QAM de orden superior que exigen una mayor relación de error de modulación (MER) descendente. DOCSIS 3.1 se diseñó para admitir hasta 8192-QAM/16 384-QAM, pero solo es obligatorio admitir hasta 4096-QAM para cumplir con los estándares mínimos de DOCSIS 3.1.

Para DOCSIS 3.0, el rendimiento máximo teórico para el número de canales enlazados se muestra en la tabla siguiente. ^{[ 22 ]}

Tenga en cuenta que la cantidad de canales que puede soportar un sistema de cable depende de su configuración. Por ejemplo, el ancho de banda disponible en cada dirección, el ancho de los canales seleccionados en la dirección ascendente y las limitaciones de hardware limitan la cantidad máxima de canales en cada dirección. ( Véase más abajo ).

Tenga en cuenta que el ancho de banda máximo de bajada en todas las versiones de DOCSIS depende de la versión de DOCSIS utilizada y del número de canales de subida utilizados si se utiliza DOCSIS 3.0, pero el ancho de los canales de subida es independiente de si se utiliza DOCSIS o EuroDOCSIS.

El DOCSIS tradicional de subida en Norteamérica utiliza el rango de frecuencias de 5 a 42 MHz. EuroDOCSIS utiliza el rango de 5 a 65 MHz. Esto se conoce como un diseño de "baja división" o "subdivisión", capaz de una capacidad compartida total de ~108 Mbit/s de subida (suponiendo 4 canales de subida SC-QAM) para el grupo de servicio. ^{[ 23 ]}

Desde DOCSIS 3.0, los operadores de cable han comenzado a aumentar la cantidad de ancho de banda dedicado a la subida. Las dos opciones más populares para esto incluyen una "división intermedia" o una "división alta". ^{[ 24 ]}

Una división intermedia aumenta el rango de frecuencia ascendente a 5–85 MHz, lo que admite una capacidad ascendente compartida total de ~450 Mbit/s (suponiendo 4 canales SC-QAM + OFDMA) para el grupo de servicio. ^{[ 25 ]}

Una división alta aumenta el rango de frecuencia ascendente a 5–204 MHz, lo que admite una capacidad ascendente compartida total de ~1,5 Gbit/s (suponiendo 4 canales SC-QAM + OFDMA) para el grupo de servicio. ^{[ 25 ]}

DOCSIS 4.0, tanto en configuraciones de dúplex completo (FDX) como de espectro extendido (ESD), admitirá velocidades de subida superiores a 5 Gbit/s. ^{[ 26 ]}

Una arquitectura DOCSIS incluye dos componentes principales: un módem de cable ubicado en las instalaciones del cliente y un sistema de terminación de módem de cable (CMTS) ubicado en la cabecera de CATV. ^{[ 27 ]}

El ordenador del cliente y sus periféricos asociados se denominan equipos de cliente (CPE). Los CPE están conectados al módem de cable, que a su vez está conectado a través de la red HFC al CMTS. El CMTS enruta el tráfico entre la red HFC e Internet. Mediante sistemas de aprovisionamiento y a través del CMTS, el operador de cable controla la configuración del módem de cable. ^{[ 27 ]}

En Irlanda, Digiweb también utilizó DOCSIS 2.0 en frecuencias de microondas (10 GHz) , empleando enlaces inalámbricos dedicados en lugar de la red HFC. En cada domicilio del abonado, el CM convencional se conecta a una caja de antena que convierte la señal a/desde frecuencias de microondas y transmite/recibe en 10 GHz. Cada cliente dispone de un enlace dedicado, pero la antena transmisora ​​debe estar en línea de visión (la mayoría de los emplazamientos se encuentran en la cima de una colina). ^{[ 28 ]}

DOCSIS incluye servicios de seguridad de la capa de control de acceso al medio (MAC) en sus especificaciones de la Interfaz de Privacidad Básica (BPI). DOCSIS 1.0 utilizó la especificación inicial de la Interfaz de Privacidad Básica (BPI). Posteriormente, la BPI se mejoró con el lanzamiento de la especificación BPI+ (Interfaz de Privacidad Básica Plus), utilizada por DOCSIS 1.1 y 2.0. Más recientemente, se añadieron varias mejoras a la Interfaz de Privacidad Básica como parte de DOCSIS 3.0, y la especificación pasó a llamarse "Seguridad" (SEC).

El propósito de las especificaciones BPI/SEC es describir los servicios de seguridad de la capa MAC para las comunicaciones entre el CMTS DOCSIS y el módem de cable. Los objetivos de seguridad de BPI/SEC son dos:

• Proporcionar privacidad de datos a los usuarios de módems de cable en toda la red de cable.
• Proporcionar a los operadores de servicio de cable protección del servicio (es decir, evitar que módems y usuarios no autorizados accedan a los servicios MAC de RF de la red).

BPI/SEC tiene como objetivo impedir que los usuarios de cable se escuchen entre sí. Para ello, cifra los flujos de datos entre el CMTS y el módem de cable. BPI y BPI+ utilizan el cifrado DES ( Estándar de Cifrado de Datos ) de 56 bits , mientras que SEC añade compatibilidad con el cifrado AES ( Estándar de Cifrado Avanzado ) de 128 bits . Sin embargo, la clave AES solo está protegida por una clave RSA de 1024 bits. ^{[ 29 ]}

BPI/SEC está diseñado para permitir que los operadores de servicio de cable rechacen el servicio a módems de cable no certificados y usuarios no autorizados. BPI+ reforzó la protección del servicio al agregar autenticación basada en certificados digitales a su protocolo de intercambio de claves , utilizando una infraestructura de clave pública (PKI), basada en autoridades de certificación digital (CA) de los evaluadores de certificación, actualmente Excentis (anteriormente conocido como tComLabs) para EuroDOCSIS y CableLabs para DOCSIS. Normalmente, el operador de servicio de cable agrega manualmente la dirección MAC del módem de cable a la cuenta de un cliente con el operador de servicio de cable; ^{[ 30 ]} y la red permite el acceso solo a un módem de cable que pueda certificar esa dirección MAC utilizando un certificado válido emitido a través de la PKI. La especificación BPI anterior (ANSI/SCTE 22-2) tenía una protección de servicio limitada porque el protocolo de administración de claves subyacente no autenticaba el módem de cable del usuario.

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• Cable de telecomunicaciones  : conjunto de cables utilizados para transmitir información.

• DOCSIS 3.1 Esta nota de aplicación de Rohde & Schwarz analiza los avances tecnológicos fundamentales de DOCSIS 3.1.
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