                                                  \chapter*{Úvod}
\phantomsection
\addcontentsline{toc}{chapter}{Úvod}


Dřívější kabelové modemy byly navrženy podle specifikací vyvinutých jednotlivými výrobci pomocí jejich proprietárních protokolů.
Tento systém, ale velice omezoval uživatele ve výběru zařízení. Jakmile poskytovatel služeb vybral svoje proprietární zařízení, 
jeho zákazníci byli okamžite nuceni používat zařízení od stejného poskytovatele. Proto bylo potřeba vymyslet jeden univerzální standard, 
díky kterému by měli uživatelé větší volnost.

Za účelem standardizace protokolů, bylo vytvořeno sdružení kabelových operátorů. Toto sdružení je nazývané
Multimedia Cable Network System (MCNS), jejich cílem bylo připravit návrh, vývoj a nasazení datových kabelových systémů na jednotný 
otevřený základ pro více dodavatelů. Tyto specifikace jsou kolektivně označovány jako Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS). Výhoda využití kabelového Internetu je ta, 
že základ infrastruktury je už dávno vytvořen. Většina budov v sobě má zabudované koaxiální kabely pro kabelové televize, po kterých se přenáší televizní signál 
a je v nich spousta nevyužitého frekvenčního pásma do kterého se vejdou počítačová data. Výhoda oproti populární DSL technologii je v tom, že přenosová rychlost 
není vázána na vzdálenost ústředny od zákazníka. Nevýhoda, je ale v tom, že přenosové médium je sdíleno se všemi aktivními uživateli a proto se o celkovou rychlost 
podílí více uživatelů.

První kapitola se zabývá samotným standardem a jeho vývojem po letech. Druhá kapitola popisuje samotnou infrastrukturu CATV sítě a použité zařízení.
Třetí kapitola se zabývá použitou modulací, která se využívá při přenosu informací v analogovém systému. Poslední kapitola je praktická část, ve které je 
realizováno zapojení a následně testování komunikace mezi zařízeními.

\chapter{DOCSIS standard} \label{Standart}   %%první kapitola  co je to DOCSIS

Úkolem bylo vytvořit telekomunikační standard, který má zajistit jednoduché a levné řešení
pro připojení k Internetu, přes už existující sítě CATV. To dalo k vytvoření standardu
od společnosti CableLabs a dalších přispívajících společností s názvem
Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS), který specifikoval pravidla pro obousměrné 
širokopásmové datové přenosy. Kabelové modemy používají RF signály a transportují data přes 
hybridní koaxiální-optickou síť (HFC) do terminálového systému (CMTS) podle DOCSIS specifikací. DOCSIS využívá asymetrickou
datovou komunikaci, která je bežná u vysokorychlostního internetu.


Specifikace DOCSIS definují dvě nejnižší vrstvy v OSI modelu, fyzickou a spojovou. 
Data, která se vysílají směrem k uživateli, jsou poslána všem kabelovým modemům.
Každý kabelový modem přijme pouze data, která jsou určena pro jeho MAC adresu. Samotné kabelové modemy
nemůžou mezi sebou komunikovat. Data v downstream kanálu jsou zapouzdřena do rámců MPEG-2, tyto rámce mohou obsahovat
video a audio data, která jsou dekódována jako TV obraz a zvuk. Společně k tomu je možné přidat data, která 
se používají v počítačích. Díky tomu je možné přenášet Internetové data a TV data přes jeden koaxiální kabel. 
Při přenosu analogového signálu se používají 2 druhy modulace které jsou:

\begin{itemize}
	\item Kvadraturní amplitudová modulace (QAM)
	\item Kvadraturní Klíèování fázovým posuvem (QPSK)
\end{itemize}

\begin{table}[h]
\centering
\label{Tabulka verzi}
\begin{tabular}{|l|l|l|}
\hline
\textbf{DOCSIS verze} & \textbf{Rok certifikace} & \textbf{Základní informace}         \\ \hline
1                     & 1999                     & Bez služby Quality of Service (QoS) \\ \hline
1.1                   & 2001                     & Pøináší základní QoS mechanismus    \\ \hline
2                     & 2002                     & Rozšíøení upstream kanálu           \\ \hline
3                     & 2006                     & Sluèování kanálu                    \\ \hline
3.1                   & 2013                     & Nová modulaèní technika OFDM        \\ \hline
\end{tabular}
\caption{Verze DOCSIS standardu}
\end{table}

Tabulka 1.1 popisuje  základní informace o vývoji DOCSIS standardu.

\section{DOCSIS a EuroDOCSIS}\label{druhy DOCSISU}

Při vytváření standardu došlo k problému, že Americké 
a Evropské televizní kabelové systémy používají rozdílné rozdělení frekvenčního pásma.
Vzledem k tomu, že v Americe se používá NTSC kódování a v Evropě PAL kódování bylo nutné
specifikace DOCSIS změnit pro Evropu. 
Hlavní rozdíl mezi Americkým a Evropským standardem je použitá šířka kanálu, která je v Americe
6 MHz a v Evropě 8 MHz. To vede k větší přenosové rychlosti sítě k zákazníkovi v Evropském standardu.

\section{DOCSIS 1.0}\label{1 verze}
Downstream kanál má šířku 6 MHz, což je jeden televizní kanál. Poskytovatel může umístit kanál ve frekvenčním rozsahu
od 54 až 860 MHz. Frekvenční rozsah může mít jiné hodnoty zvláště u downstreamu;
záleží na parametrech sítě. Maximální přenosová rychlost záleží 
hlavně na šířce pásma a použité modulace. U downstreamu se používá 64-QAM varianta s maximální rychlostí okolo 30,34 Mbit/s nebo
256-QAM varianta s maximální rychlostí 42,88 Mbit/s (55,62 Mbit/s v EuroDOCSIS).


Upstream kanál je umístěn v pásmu mezi 5 až 42 MHz a narozdíl od downstreamu používá časový multiplex, Time division multiple access (TDMA).
Šířka kanálu je možná od 0,2 do 3,2 MHz, výběr ovlivňuje maximální rychlost. U upstream modulace se používá  QPSK nebo 16QAM,
s použítím 3,2 MHz kanálu je maximální rychlost 10,24 Mbit/s. Modulace QPSK se využívá více vzledem k tomu, že je odolnější
proti vnějšímu rušení, které je více nebezpečné pro upstream kanál vzledem k danému frekvenčnímu rozsahu.


\section{DOCSIS 1.1}\label{1.1 verze}
Vylepšená verze sice nepřináší zvětšení rychlostí v kanálech, ale její hlavní vylepšení je podpora
QoS. Je zde možné rozpoznat o jaký typ provozu se jedná (video,audio,data) a podle toho dávat službám
větší prioritu, je zde tedy možnost používat služby jako VoIP.
Dále je zde vylepšená bezpečnost přenosu dat pomocí Baseline Privacy Interface Plus (BPI),
která přináší:

\begin{itemize}
	\item Digitální certifikace pro identifikaci a autentikaci
	
	\item Klíèové šifrování s použitím 168-bitového protokolu Data Encryption Standard (DES)
	
  \item 1024-bitový veøejný klíè 
\end{itemize}

\begin{flushleft}
Mezi další vylepšení dále patří fragmentace dat a vylepšená registrace mezi modemem a CMTS.
Tento standard je kompatibilní s předchozí verzí. Modulace se zde používají stejné jako ve starší verzi.
 
\end{flushleft}

\section{DOCSIS 2.0}\label{2.0 verze}
Verze 2.0 je kompatibilní  s předchozími verzemi. Největší vylepšení této verze je zlepšení
upstream kanálu díky lepším přístupovým metodám jako Advanced TDMA (A-TDMA) a také Synchronous CDMA (S-CDMA).
S pomocí přístupové metody A-TDMA, je možné používat šířku kanálu upstreamu  200, 400, 800, 1600, 3200, 6400 kHz. 
Jako modulace se zde dá použít QPSK, 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM. Podle použití šířky kanálu a modulace pak existuje okolo 
30 možných kombinací přenosové rychlosti. Maximální rychlost upstream kanálu kterou můžeme dosáhnout je 30,72 Mbit/s. S použitím
S-CDMA je možné použít šířku kanálu 1600, 3200, 6400 Khz a použité modulace jsou samé jako u A-TDMA.


\section{DOCSIS 3.0}\label{3.0 verze}
Největší výhodou verze 3.0 je mnohonásobné navýšení přenosových rychlostí za pomocí slučování kanálů. Sloučíme 
několik kanálu do jednoho virtuálního a tím můžeme násobit přenosovou rychlost jak downstream tak upstream kanálu. Každý paket je označen 
pomocí CMTS a poslán na jednom z kanálu, kabelový modem poté poskládá pakety pokud přišli ve špatném pořadí. Řekněme, že
vezmeme čtyři 6 MHz (8 MHz v případě EuroDOCSIS) downstream kanály, sloučíme je do jednoho virtuálního a místo maximálni rychlostí 42,88 Mbit/s budeme mít okolo 160 Mbit/s. To samé se dá aplikovat na upstream kanál kdy z 30,72 Mbit/s vytvoříme 122 Mbit/s. Konečný kanál lze teoreticky sloučit se všemi kanály, které nejsou využívané.
Z obrázku 2.1 můžeme vidět jak sloučení probíhá 

\begin{figure}[h]
	\centering
		\includegraphics[width=0.65\textwidth]{obrazky/bounding.jpg}
	\caption{Sluèování kanálù}
	\label{fig:bounding}
\end{figure}



Při použití DOCSIS 3.0, je ale nutné, zasáhnout do infrastruktury CATV sítě. Poskytovatel musí nainstalovat nové aktivní prvky do CMTS a uživatel musí 
zakoupit kabelový modem který podporuje 3.0 standard. Tato verze  přináší spoustu dalších věcí jako:
\begin{itemize}
	\item Podpora protokolu IPv6, rozšíøení adresního prostoru (128-bitová adresace)
	\item Zvìtšení frekvenèního pásma u downstream kanálu z 860 MHz na  1002 MHz
  \item Zvìtšení frekvenèního pásma u upstream kanálu z 42 MHz na  85 MHz
	\item BPI autorizaèní autorita, která ovìøuje na základì RSA klíèe
	\item Zlepšení IP multicastu (QoS multicast )
	
\end{itemize}

\section{DOCSIS 3.1}\label{3.1 verze}
Nejnovější verze, která je kompatibilní s předchozí verzí a ještě není tolik využívaná ve světě, přichazí s obrovským nárustem přenosové rychlosti a s plno dalšími novinkami. Místo klasického
6 MHz kanálu je zde využívána modulační dělící technologie Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), která dovoluje rozšířit kanál z 24 MHz na 192 MHz.
K tomu je zde použit Low Density parity-check code (LDPC), který je založen na Forward error correction (FEC), samoopravný kód, díky kterému je možné využít modulaci signálu až 4096-QAM. Toto dovoluje teoretickou rychlost v downstreamu až 10 Gbit/s a 1 Gbit/s v upstreamu. Zajímavá novinka je možnost použítí sleep režimu u modemu, který šetří elektrickou energii v době, kdy není modem využíván.

Momentálně se pracuje na vylepšené verzi 3.1, která bude přinášet full-duplex komunikaci. To znamená, že upstream a downstream budou mít stejnou přenosovou rychlost, v tomto případě 10 Gbit/s upstream a 10 Gbit/s downstream. Tato vylepšená verze by měla přijít do světa koncem roku 2017.


\begin{figure}[h]
	\centering
		\includegraphics[width=0.70\textwidth]{obrazky/ofdm.png}
	\caption{Využití OFDM modulace u DOCSIS 3.1}
	\label{fig:ofdm}
\end{figure}

Z obrázku 2.2 je vidět, že signál je vysílán na více vzájemných ortogonálních frekvencích, kterým se říká subnosné.

\chapter{Architektura systému a zaøízení} \label{Architektura}

\section{Architektura}\label{archi}

\begin{figure}[h]
	\centering
		\includegraphics[width=0.80\textwidth]{obrazky/DOCSIS.jpg}
	\caption{Architektura CATV}
	\label{fig:DOCSIS}
\end{figure}


Centrální prvek je Headend, který je napojen přes vysoce výkonné switche a router na zbytek internetu. Jestliře operátor poskytuje své síti další služby,
jako např. VoIP, je zde rovněž IP Telephony gateway napojená na PSTN síť. Mùže zde být také spousta serverů, které se starají o služby jako -
DHCP, DNS, TFTP , proxy, e-mail a nástroje pro management sítě (DHCP a TFTP se používají dále při konfiguraci modemu). Zařízení CMTS v sobě mùže obsahovat
DHCP, TFTP server, ale pokud je naše sít většího rozsahu je nepraktické zatěžovat zařízení těmito službami. 

Na tomto ringu je umístěno mnoho dalších uzlů, označovaných jako Distribution HUB. Na nich začíná HFC síť kabelové televize. Nejduležitější zařízení,
které v této části najdeme je CMTS. Na jedné straně je CMTS připojeno přes router do optické Metropolitní sítě (MAN) a na druhé straně připojeno přes HFC síť, která se skládá z optických a koaxiálních kabelů. V domech je použit pro přenos pouze koaxiální kabel a signál vedený z CMTS je rozdělen pro více uživatelů pomocí splitteru.

Při rozdělovaní signálu uživatelům, je ale důležité dávat pozor na sílu signálu. Signál se cestou přes přenosová média a zařízení, jako třeba splitter, zmenšuje a proto
je důležité  kontrolovat hodnoty signálu, tak aby vyhovovali propojení modemu s CMTS. Do cesty se proto dávají různé zesilovače, které zesilují signál. Je také důležité
udržovat velkou hodnotu SNR (Signal to Noise Ratio), vztah mezi úrovní signálu a hladinou šumu, aby nedocházelo k přenosu chyb. Při použití větší úrovně modulace je důležité mít větší hodnotu SNR. Je možné mít, ale i úroveň signálu na kanálu moc velkou, a proto se dají používát do cesty různé utlumovací prvky. Doporučené hodnoty signálu dále najdeme v sekci Kabelový modem.  


\section{CMTS}\label{cmts}
Toto zařízení je většinou umístěno v hlavní stanici provozovatele CATV. Vyrábí se plno druhů CMTS od miniCMTS, které mají jeden downstream
a jeden upstream směr (určeno pro připojení stovek kabelových modemů) až po větší modulární CMTS (určeno pro připojení až desítek tisíc kabelových modemù), které lze osazovat různými moduly a také je zde myšleno na redudanci, kdyby se nějaký z modulů porouchal. Hlavní práce CMTS je modulace 
signálu ze vstupního rozhraní (Ethernet) na výstupní rozhraní, které je reprezentováno koaxiálním výstupem, tento směr je označován jako downstream. Upstream 
směr je opak, kdy dochází k demodulaci signálu z koaxiálního rozhraní a signál je dále poslán na Ethernet rozhraní.


U downstream a upstream výstupu a vstupu je důležité realizovat útlumové poměry odděleně, vzledem k tomu, že oba dva směry použivají jiné frekvenční pásma.
Oba dva směry se většinou slučují do slučovače, poté se tento sloučený signál  dále sloučí s Tv signálem. Tento sloučený signál se poté rozděluje přes splitter pro
více uživatelů. U uživatele se poté ještě používá splitter pro rozdělení TV a internetového signálu.



Vzledem k tomu, že je nutné nějakým zpùsobem řídit CMTS síť je používán protokol SNMP pro řízení a správu sítě. Tento protokol nám dáva spoustu informací
o celé síti. Každý modem ma svojí unikátní MAC adresu, podle této adresy jsou vedeny údaje v CMTS a pokud se do sítě připojí modem, který není zaregistrován u CMTS nemůže v té síti modem komunikovat. Do nastavení CMTS se dá přistupovat dvěma způsoby, jeden je přes USB port pro připojení do konzole a konfigurovat zařízení přímo v konzoli a nebo druhý, použít WEB UI, rozhraní které je graficky zpracováno a dá se v něm sledovat grafické vytížení kanálů. Při základní konfiguraci je důležité dávat pozor na druh modulace, frekvenčního pásma, registrování modemu a nastavení konfiguračního souboru pro modem.






\section{Kabelový modem}\label{modem}
Kabelový modem je zařízení, které se hlavně stará o demodulaci analogového signálu na digitální a modulaci digitálního signálu na analogový. Pracuje hlavně na 
první a druhé vrstvě OSI modelu. Kabelový modem je většinou brán jako externí zařizení, ale je možné mít kabelový modem ve formě PCI karty. Směrem k počítači se používá rozhraní Ethernet a směrem k CMTS se využívá koaxiální rozhraní. Ke konfiguraci zařízení je možné využít USB rozhraní a nebo Ethernet rozhraní.
Základní architektura modemu je následující:

\begin{itemize}
	\item \textbf{Tuner -} 
	Tuner je připojen do kabelového vývodu a většinou  je v cestě splitter, který rozděluje internet a TV data. Tuner většinou obsahuje 
	diplexer, který slouží k naladění signálu ve správném frekvenčím pásmu pro downstream a upstream. Signál, který tuner obdrží dále pošle
	na demodulátor.
	\item \textbf{Modulátor -} 
	Modulátor se používá pro upstream kanál. Konvertuje digitální signál na RF signál. Používá se zde D/A převodník a využívá se 
	QAM a QPSK modulace. Také se zde do zprávy dáva informace pro samoopravný kód.
	
	\item \textbf{Demodulátor -} 
	Demodulátor má většinou čtyři funkce. Demodulátor vezme RF signál, který je modulovaný v QAM modulaci a přemění ho na jednoduchý
	signál, který se pošle do A/D převodníku. Převodník vezme tento signál a přemění ho na digitální 1 a 0. Poté se zde uplatní nějaký 
	samoopravný kód, který zkontroluje zprávu.
	
	
	\item \textbf{MAC	-} 
	MAC	je mezi upstream a downstream kanálem a chová se jako rozhraní mezi hardwarovou a softwareovou částí síťových protokolů. MAC se stará hlavně o alokaci 
	časových slotů pro upstream, přiřazování frekvence pro downstream a upstream a zpoždění v samotných koaxiálních kabelech.
	
	\item \textbf{CPU -} 
	Vzledem k tomu, že MAC část je mnohem komplexnější u modemů, stará se o některé jeho funkce mikroprocesor, který zpracovává informace.
	
	
	\begin{figure}[ht]
		\centering
			\includegraphics[width=0.85\textwidth]{obrazky/modem.png}
		\caption{Architektura kabelového modemu}
		\label{fig:modem}
	\end{figure}
	
	
\end{itemize}
\begin{flushleft}
Při připojení kabelového modemu do CATV sítě a k CTMS je důležité mít správně nastavené úrovně signálu a také SNR. Doporučné hodnoty pro správné 
fungování přenosu jsou napsané v tabulce 2.1. SNR hodnoty se mohou lišit podle použité modulace.

	\begin{table}[h]
	\centering
  \begin{tabular}{l|rr}
		\multicolumn{3}{c}{\bfseries Doporuèené hodnoty}\\
		\hline\hline
		Kanál&Síla signálu&SNR\\
		\hline
		Downstream&-15dbmV až +15dbmV&+30dB\\
		Upstream&37dbmV až 55dbmV&+30dB
\end{tabular}
\caption{Hodnoty signálu}
  \label{tab:table3}
\end{table}
\end{flushleft}



\section{Inicializace mezi CMTS a CM}\label{CM-CMTS}
Jakmile je kabelový modem poprvé připojen  do sítě, začne se provádět inicializace mezi modemem a CMTS stanicí.
Tato inicializace obsahuje 8 kroků, které jsou velice komplexní. Modem celý svůj čas neví o prezenci dalších modemù v síti a
všechen provoz jde přes CMTS. Postup inicializace od začátku po konec je následující: 

\begin{enumerate}
	\item \textbf{Downstream synchronizace -} 
	Kabelový modem začne prohledávat 6MHz/8MHz downstream kanál a hledá CMTS signál. Pokud modem 
	byl restartován a nebo byl náhle vypnut, tak se nejdříve pokusí navázat spojení s dříve
	používaným kanálem. Modem bude hledat signál, který správně detekuje a v pořádku se s ním 
	synchronizuje.
	
	
	\item \textbf{Získání upstream parametrù -} 
	CMTS pravidelně vysíla zprávy, kterým se říka Upstream Channel Descriptors (UCDs) na všech 
	downstream kanálech. Zprávy se posílají každé 2 sekundy a popisují správné parametry pro to 
	, aby mohl modem vysílat na různých upstream kanálech.
	
	Modem si tuto informaci může uchovat a využít ji pro budoucí používání upstream kanálu.
	
	Stejně jako UCDs, CMTS pravidelně vysílá SYNC zprávy, které slouží k synchronizaci modemu s CMTS 
	a dalších modemù v síti.
	
	
	\item \textbf{Ranging -} 
	Řadu dalších provozních parametrů uvnitř modemu je dùležité upravit, aby bylo zaručeno, že všechny modemy na přístupové lince
	budou spolupracovat. Vzledem k tomu, že každý modem je od CMTS jinak vzdálen a vytvářejí se zde různě spoždění, a mohlo by se 
	vysílání z dvou modemů překrývat.
	
	Aby bylo možné tyto úpravy provést, musí modem aktivně vyměňovat informace s CMTS. Od toho je tu proces zvaný ranging.
	Vzledem k tomu, že by mohlo docházet ke kolizím používají se sloty, ve kterých může každý modem vysílat.
	CMTS se stará o rozdělování slotů pro každý modem, délka slotu záleží na použité modulaci. 
	
	
	
	\item \textbf{Vytváøení IP konektivity -} 
	Jakmile jsou všechny parametry správně nastavené, kabelový modem by měl správně komunikovat s CMTS. Nyní začne 
	modem komunikovat s DHCP. Modem pošle DHCP discover zprávu a zažádá o IP adresu. Jako odpověd mu DHCP server
	vydá IP adresu z povoleného rozsahu. DHCP dále taky mùže poslat další informace o parametrech, které jsou důležité pro 
	modem.
	
	\item \textbf{Synchronizace èasu -} 
	Pro správnou synchronizaci vysílaní  paketů a pro bezpečnost je důležité zařídit, aby modem a CMTS 
	měl správně synchronizovaný čas. Jeden z parametrů co DHCP vysílá je adresa serveru, který se stará o čas.
	Tento server může být i samotný DHCP server.
	
	\item \textbf{Konfiguraèní soubor pro modem -} 
	Modem si po synchronizaci času začne stahovat konfigurační soubor za pomocí serveru, který je obstarán 
	protokolem Trivial File Transfer Protocol (TFTP). Tento server v sobě obsahuje konfigurační soubor, který si 
	modem stáhne a jsou v něm obsáhlé informace jako upstream a downstream kanály, datové rychlosti, adresy ruzných 
	serverů a časové hodnoty.
	
	
	Konfigurační soubor může obsahovat jiné frekvenční kanály než modem momentálne používá, v tomto případě
	se modem přepne na nově zadané kanály a začne znova Ranging inicializace.
	
	\item \textbf{Registrace -} 
	Jakmile modem dostane konfigurační soubor, informuje o tom CMTS a pošle Registration Request zprávu. Tato zpráva zažádá 
	o registraci modemu do stanice. Stanice CMTS poté přidělí modemu Service ID (SIDs), hodnota která identifikuje různé služby 
	pro zadaný modem. CMTS pošle modemu zprávu o tom jaký SID mu byl přidělen.
	
	
	\item \textbf{Inicializace BPI -} 
	Vzledem k tomu, že je možné odposlouchávat komunikaci mezi modemem a CMTS je používán bezpečností protokol BPI,
	který vytváří bezpečné spojení za pomocí 56-bit DES šifrování.
	
	
\end{enumerate}

Jakmile se provede všech 8 kroků inicializace, modem je připraven komunikovat v CATV síti. Pokud by došlo k výpadku
spojení, modem se znovu pokusí o inicializaci spojení.

\chapter{Modulace signálu} \label{modul}
Modulace je v telekomunikačních přenosech velice důležitá. Modulace je proces, kdy měníme charakter nosného signálu pomocí nějakého 
modulujícího signálu. Jak CMTS tak i kabelový modem používají modulační metody za pomocí modulátoru. Do analogového signálu modulujeme 
bity, které se na druhé straně převedou přes demodulátor na digitální signál. U RF signálu můžeme měnit 3 jeho vlastnosti:
\begin{itemize}
	\item \textbf{Frekvence} (Měníme poèet opakování signálu)
		\item \textbf{Amplituda} (Měníme amplitudu signálu)
			\item \textbf{Fáze} (Změna fáze signálu)
\end{itemize}
\begin{flushleft}

Díky těmto vlastnostem signálu můžeme vytvořit 3 základní modulační techniky:
\end{flushleft}

\begin{itemize}
	\item \textbf{Amplitudová modulace -}	 která reprezentuje digitální data pomocí změn amplitudy nosné vlny
	\item \textbf{Frekvenèní modulace -} která reprezentuje digitální data pomocí změn frekvence  nosné vlny 
		\item \textbf{Fázová modulace -} která reprezentuje digitální data pomocí změn fáze nosné vlny 

\end{itemize}

Modulaci dále dělíme na analogovou a digitální. Analogové modulace přenášejí nekonečné množství  možných stavů, kdežto
digitální modulace přenášejí vzorokovaný signál s definovaným počtem stavů. Většina moderních modulací využívá kombinace
modulačních technik. Díky tomu je možné dosáhnout vetší přenosové rychlosti a nebo vyšší spolehlivosti přenosu. Při použítí složitější modulace
je důležité si dávat pozor, jakou hodnotu SNR v systému pozorujeme. Mohlo by dojít k velkému šumu a došlo by ke špatnému odečtení hodnot.



\section{Kvadraturní amplitudová modulace}\label{QAM}

Tato modulace používá amplitudové klíčování na dvě různé nosné. Tyto nosné musejí být vzájemně ortogonální, takže se zde využívají
funkce sinus a kosinus. Využívá se kombinace amplitudové a fázové modulace. Kapacitu kanálu určuje frekvence nosné a poměr 
signál/šum.

U DOCSIS se v downstream kanálu nejvíce využívá 256-QAM, tedy je možné přenášet až 8bitu na symbol.
U nejnovější verze standardu je možné využít az 4096-QAM, což je 12bitu na symbol. U upstream kanálu 
se využívají nižší úrovně QAM vzledem k použitému frekvenčímu pásmu, které je více náchylné k rušení.

\begin{figure}[ht]
	\centering
		\includegraphics[width=0.45\textwidth]{obrazky/qam16.png}
	\caption{Ukázka 16QAM modulace}
	\label{fig:qam16}
\end{figure}

Z obrázku 3.1 je vidět konstelační diagram modulace pro 16-QAM. Mùžeme zde vidět 4 různé amplitudy (2+2 s opačnou polaritou)
a rùzné hodnoty fáze.

\section{Kvadraturní klíčování fázovým posuvem}\label{QPSK}
Je prakticky identická jako 4-QAM. Tento druh modulace používá čtyři body na diagramu, tedy je možné 
posílat 2bity na symbol. Využívají se zde 4 různé hodnoty fáze po 90°, tedy hodnoty 45°, 135°, 225° a 315°. Použití QPSK hlavně najdeme 
u upstream kanálu, kde se hojně využívá spolu s 16-QAM modulací.

Stejně jako u QAM se zde využívají dvě nosné vlny (sinus a kosinus), kde jsou liché bity reprezentovány jako soufázová
složka a sudé jako kvadraturní složka. Součet obou těchto složek je poté výsledný signál.

\begin{figure}[h]
	\centering
		\includegraphics[width=0.75\textwidth]{obrazky/QPSK.png}
	\caption{Fáze u QPSK modulace }
	\label{fig:QPSK}
\end{figure}

Z obrázku 3.2 můžeme vidět výsledný signál složený z obou složek. Každá hodnota bitu má jinou fázi. 

\chapter{Praktická èást} \label{prakt}

Praktická část se zaměřuje na jednoduchou komunikaci mezi dodaným zařízením DOCSIS Access Hub (DAH100) a kabelovým modemem Cisco EPC3925. 
Vzledem k tomu, že DAH100 obsahuje 1 downstream výstup a 1 upstream vstup, využil jsem zařizení splitter na propojení 2 signálù do jednoho toku, který 
je poté veden do koaxiálního vstupu kabelového modemu. Jako přenosové médium zde byl zvolen koaxiální kabel RG-6 s charakteristickou impedancí 75 \textohm, 
tento druh kabele je v CATV sítích velice často využíván. Při připojování koaxiálního kabelu bylo nutné vybrat správný typ konektorù, vybral jsem
F konektor FF 0WP. Tento typ konektoru má těsnící kroužek pro lepší odolnost proti dešti a hodí se pro průměr kabelu 6,8 mm, který RG-6 koaxiální kabel má.

\begin{figure}[h]
	\centering
		\includegraphics[width=0.70\textwidth]{obrazky/zapojeni.jpg}
	\caption{Základní propojení DAH100 a modemu}
	\label{fig:zapojeni}
\end{figure}

Z obrázku 4.1 můžeme vidět propojení DAH100 s kabelovým modemem za pomocí splitteru a třech koaxiálních kabelů s F konektorama.

\subsection{Koaxiální kabel}\label{coax}

Koaxiální kabel Maximum RG-6, který jsem vybral jako přenosové médium v praktické části je vhodný pro náročnější televizní i satalitní rozvody.
Tento kabel se skládá ze 4 hlavních částí: 
\begin{itemize}
	\item \textbf{Vnitøní vodiè} - jádro které se skládá z mědi a většinou je duté 
	\item \textbf{Dialektrikum} - izolační vrstva, která je mezi vnitřním vodičem a vnějším, většinou zhotoven z polyethylenu.
	\item \textbf{Vnìjší vodiè} - stínění, které se využívá pro elektromagnetické rušení. Tvořené jako opletení a fólie.
	\item \textbf{Pláš} - použivá se pro ochranu kabelu.
\end{itemize}

Ve vodiči vzniká útlum signálu podle toho jaké frekvenèní pásmo využíváme, tyto hodnoty jsou důležité při navrhování CATV sítě. Hodnoty útlumu jsou napsáné
v tabulce 4.1.

\begin{table}[h]
\centering

\label{tabulka dB}
\begin{tabular}{|l|l|}
\hline
\multicolumn{1}{|c|}{Frekvence {[}MHz{]}} & Útlum {[}dB/100 m{]} \\ \hline
1                                         & 0,82                 \\ \hline
10                                        & 2,3                  \\ \hline
50                                        & 4,6                  \\ \hline
100                                       & 6,4                  \\ \hline
200                                       & 8,96                 \\ \hline
400                                       & 13                   \\ \hline
800                                       & 19                   \\ \hline
1000                                      & 21,2                 \\ \hline
\end{tabular}
\caption{Tabulka útlumu signálu}
\end{table}



\begin{figure}[h]
	\centering
		\includegraphics[width=0.50\textwidth]{obrazky/kabelAkonektor.jpg}
	\caption{RG-6 s F konektorem}
	\label{fig:kabelAkonektor}
\end{figure}

Na obrázku 4.2 je vidět hotový RG-6 kabel s nasazeným konektorem.

\subsection{Splitter}\label{splitt}
Zařízení splitter se používá pro rozbočení signálu na větší počet signálů. V úloze jsem využil anténní rozbočovač FV 3, 
který využívá F konektory, průchozí útlum je 5,2 dB a přenáší přenosové pásmo od 5 MHz až po 1000 MHz. Obsahuje jeden vstup 
a 3 výstupy, takže se zde celkově dají zapojit 3 kabelové modemy. Je možné zakoupit rozbočovače, které mají až 16 výstupů.



\begin{figure}[ht]
	\centering
		\includegraphics[width=0.60\textwidth]{obrazky/splitter.jpg}
	\caption{Splitter FV 3}
	\label{fig:splitter}
\end{figure}


Na obrázku 4.3 je zakoupený FV 3 splitter, který obsahuje 1 vstup a 3 výstupy.


\subsection{DAH100}\label{dah}
DOCSIS Access Hub (DAH100) je v zásadě miniCMTS, ke kterému je možné připojit okolo 500 kabelových modemù. Obsahuje 2 Ethernetové
porty, které se dále připojují do Internetu. Zařízení obsahuje 1 downstream výstup, který dokáže obsloužit 16 kanálù a 1 upstream
vstup, který dokáže obsloužit 4 kanály. Konfiguraci je zdé možné provést přes USB port a webové rozhraní. Dále je zde zabudována
DHCP a TFTP služba, která se dá využít pokud v síti nemáme externí DHCP a TFTP server. Pro správu sítě je možné využít SNMP protokol.
Kabelové modemy, které můžeme k DAH100 připojit musí podporovat DOCSIS 2.0 / 3.0. Zařízení podporuje VLAN taggování, je zde tedy možné rozdělit
síť na menší části na úrovni 2-hé vrstvy OSI modelu.

\begin{figure*}[h]
	\centering
		\includegraphics[width=0.60\textwidth]{obrazky/DAH100.jpg}
	\caption{DAH100 neotevøený kryt }
	\label{fig:DAH100}
\end{figure*}
 
Na obrázku 4.4 je vidět zařízení DAH100 bez otevřeného krytu. Vepředu obsahuje vstupní a výstupní porty a vzadu je zde umístěn napájecí kabel.

 \begin{figure*}[h]
	 \centering
		 \includegraphics[width=0.50\textwidth]{obrazky/DAH101.jpg}
	 \caption{DAH100 otevøený kryt }
	 \label{fig:DAH101}
 \end{figure*}

Otevřená část zařízení DAH100 je vidět na obrázku 4.5. Na levé straně jsou zde připojeny Ethernet rozhraní, které vedou do Internetu a konfigurační port pro USB.
Pravá strana se stará o downstream a upstream  kanál, kde je možné nastavit zesílení kanálů. Horní část se stará o napájení zařízení.

\subsection{Cisco modem EPC3925}\label{mod}

Kabelový modem od společnosti Cisco obsahuje 2 porty pro telefonní přípojku, 4 Ethernet porty pro lokální síť a 1 USB port pro lokální konfiguraci.
Koaxiální kabel se zde připojuje za pomocí F konektoru. Podporuje DOCSIS 3.0, je tedy možné využít sloučení kanálů. Místo klasického připojení přes 
Ethernet je možné využít zabudouvanou Wi-fi, která podporuje 802.11n standard. Dále je možné nastavit věci jako firewall, DHCP pro lokální síť, 
přesměrování portů a sledování DOCSIS připojení směrem k CMTS. 

\begin{figure}[ht]
	\centering
		\includegraphics[width=0.60\textwidth]{obrazky/modem3925h.jpg}
		\caption{Přední strana modemu EPC3925 s LED diodama}
	\label{fig:modem3925h}
\end{figure}


Obrázek 4.6 ukazuje přední stranu kabelového modemu. Jsou zde umístěné kontrolní LED diody, které znázorňují stav připojení do 
LAN a WAN sítě. 

\section{Konfigurace úlohy}\label{config}

Jako první věc se  provedlo propojení kabelového modemu za pomocí koaxiálního kabelu do splitteru, ze splitteru poté vedou 2 koaxiální kabely směrem 
k CMTS rozhraní (downstream výstup a upstream vstup). Po zapojení zařizení, bylo nutné začít konfigurovat DAH100 přes USB rozhraní (konzole).
K jednodušímu nastavení zařízení byla nastavena v konzoli management IP adresa pro použití webového rozhraní.

\begin{figure}[h]
	\centering
		\includegraphics[width=0.65\textwidth]{obrazky/terminal1.PNG}
	\caption{Pøíkazový øádek DAH100}
	\label{fig:terminal1}
\end{figure}
  
\begin{figure}[h]
	\centering
		\includegraphics[width=0.65\textwidth]{obrazky/terminal2.PNG}
	\caption{Druhy pøíkazù v DAH100}
	\label{fig:terminal2}
\end{figure}


Obrázek 4.7 a 4.8 ukazuje příkazový řádek, kde se dá nastavit zařízení DAH100.

Poté co byla nastavena management IP adresa se šlo dostat na webové rozhraní pomocí protokolu HTTP. Zde došlo k přihlášení 
a mohlo se jít konfigurovat služby, které jsou důležité pro správnou komunikaci mezi modemem a CMTS.

\begin{figure}[h]
	\includegraphics[width=1.0\textwidth]{obrazky/WEBUI.PNG}
	\caption{Webové rozhraní}
	\label{fig:WEBUI}
\end{figure}


\begin{figure}[h]
	\centering
		\includegraphics[width=1.00\textwidth]{obrazky/WEBUI2.PNG}
	\caption{Služby ve webovém rozhraní }
	\label{fig:WEBUI2}
\end{figure}




Na obrázku 4.9 je vidět základní monitoring downstream a upstream kanálu a počet připojených modemů. Obrázek 4.10 ukazuje 
druhy služeb, které se dají využít při nastavování DAH100. Pro základní komunikaci mezi modemem a CMTS, bylo nutné zapnout 
DHCP a TFTP servery, které poskytnou IP adresu a konfigurační soubor pro modem. Obrázek 4.11 popisuje základní nastavení DHCP 
serveru pro lokální síť a zapnutí TFTP serveru, který v sobě obsahuje základní konfigurační soubor od firmy Teleste. Vzledem k tomu, že
se jedná o zapojení jen jednoho zařízení, byla vybrána síťs malým rozsahem.
\begin{figure}[ht]
	\centering
		\includegraphics[width=0.80\textwidth]{obrazky/WEBUI3.PNG}
	\caption{Nastavení DHCP a TFTP}
	\label{fig:WEBUI3}
\end{figure}

\begin{figure}[ht]
	\centering
		\includegraphics[width=1\textwidth]{obrazky/upstream.PNG}
	\caption{Upstream konfigurace}
	\label{fig:upstream}
\end{figure}

\begin{figure*}[ht]
	\centering
		\includegraphics[width=1\textwidth]{obrazky/downstream.PNG}
	\caption{Downstream konfigurace}
	\label{fig:downstream}
\end{figure*}

Po nastavení DHCP a TFTP služby, bylo nutné nastavit samotné kanály a jejich druh modulace. Obrázek 4.12 popisuje konfiguraci upstream
vstupu (4 kanály), který používá 6,4 MHz šířku kanálu a QPSK modulaci. Obrázek 4.13 popisuje konfiguraci downstream výstupu (16 kanálù), šířka
kanálu je zde 8 MHz a použitá modulace 256-QAM. Jakmile je nastaven vstup a výstup kabelový modem a CMTS spolu mohou začít komunikovat. Po zapnutí 
modemu došlo k 8 krokům inicializace a z obrázku 4.14 můžeme vidět informace o zapojeném modemu (status modemu, jeho MAC a IP adresa, upstream a downstream 
informace), které nám DAH100 nabízí. Registrace zde probíhá za pomocí MAC adresy, kterou má kabelový modem danou od výrobce.

\begin{figure}[h]
	\centering
		\includegraphics[width=0.85\textwidth]{obrazky/modem3925.PNG}
	\caption{Informace o zapojeném modemu}
	\label{fig:modem3925}
\end{figure}
\clearpage
\begin{figure}[]
	\centering
		\includegraphics[width=1.00\textwidth]{obrazky/docsisjede.PNG}
	\caption{Vytížení modemu}
	\label{fig:docsisjede}
\end{figure}
Z posledního obrázku 4.15 je vidìt, že 1 modem byl úspìšnì registrován k CMTS a je v aktivním stavu. Díky použití DOCSIS 3.0 využívá modem
více kanálu. Je zde také napsáno kolik modemù využívá jaký kanál a samotné využití kanálu. Z toho lze usoudi, že komunikace mezi DAH100 a Cisco 
modemem EPC3925 je funkèní.


\chapter{Závìr}
Účelem této semestrální práce bylo prozkoumat technologii DOCSIS, k čemu se využívá, jakým zpùsobem funguje
a následně vytvořit jednoduchou komunikaci mezi kabelovým modemem a CMTS za použití DOCSIS standardu.

V teoretické části byl pečlivě prozkoumán DOCSIS standard, byly zde popsány jeho verze, které ho postupem času vylepšovaly. Dále
zde byla popsána modulace, která se používá při přenosu digitálních informací, za pomocí analogového signálu. V poslední řade byla popsána
architektura celé CATV sítě a detailně popsána komunikace mezi kabelovým modemem a CMTS.

V praktické části došlo k jednoduchému propojení kabelového modemu a CMTS za pomocí  koaxiálního kabelu a splitteru. Vzledem k  tomu, že 
samotné zařízení v sobě obsahovalo zesilovač, nebylo nutné do cesty žádný dávat. Po připojení došlo k nastavení zařízení DAH100 přes konzoli 
a následně přes webové rozhraní. Po nastavení se kabelový modem úspěšně připojil k CMTS a probíhala komunikace.

Realizace CATV sítě je v reálných podmínkách mnohem složitější. Musí se zde myslet 
na to kolik uživatelů chceme připojit, vytvořit konfigurační soubory pro kabelové modemy a dávat si pozor na nízkou sílu signálu, kterou můžeme 
vylepšit za použití zesilovače.


