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



Úkolem bylo vytvořit telekomunikační standart, který měl zajistit jednoduché a levné řešení
pro připojení k Internetu přes už existující sítě CATV. To dalo k vytvoření standartu
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 použivají 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 uživali jsou poslána všem kabelovým modemům.
Každý modem příjme pouze data, která jsou určena pro jeho MAC adresu. Samotné kabelové modemy
nemůžou mezi sebou komunikovat. Data jsou zapouzřena do rámců MPEG-2, tyto rámce můžou obsahovat
video a audio data, která jsou dekódována jako TV obraz a zvuk a společně k tomu je možné přidat data, které 
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 Klíčování fázovým posuvem (QPSK)
\end{itemize}


\begin{flushleft}
První verze standartu 1.0 byla certifikována v roce 1999 bez funkce Quality of Service (QoS). V roku 2001 byla certifikována 
navazující verze 1.1 která přinesla základní QoS mechanismus. Roku 2002 vychází certifikovaná verze standartu 2.0, která
hlavně rozšiřuje upstream kanál a tím jeho přenosovou rychlost. Srpnu roku 2006 vychází certifikovaná verze standartu 3.0 a přináší
slučování kanálu, funkce která mnohonásobně navyšuje downstream a upstream přenosovou rychlost. Roku 2013 vychází zatím poslední verze 
3.1, která přínáší novou modulační techniku a s tím i větší přenosovou rychlost u obou kanálů.

\end{flushleft}
\subsection{DOCSIS a EuroDOCSIS}\label{druhy DOCSISU}

Při vytváření standartu došlo k problému, že Americké 
a Evropské televizní kabelové systémy používají rozdílné rozčlenění 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 standartem je použítá šířka kanálu, která je v Americe
6 MHz a v Evropě 8 MHz.To vede k větší přenosové rychlosti sítě k zákazníkovi v Evropském standartu.

\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 zde 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 zde více využívá 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 Klíčové šifrování s použitím 168-bitového protokolu Data Encryption Standard (DES)
  \item 1024-bitový veřejný klíč 
\end{itemize}

\begin{flushleft}
Mezi další vylepšení dále patří fragmentace dat a vylepšená registrace mezi modemem a CMTS.
Tento standart je kompatibilní s predchozí 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 predchozími 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, 8QAM, 16QAM, 32QAM, 64QAM, 128QAM. 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 (inverzní multiplex). 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, kabelovej modem poté poskládá pakety pokuď přišli mimo 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 . Kanálů můžeme teoreticky spojovat dohromady kolik chceme.
Z obrázku 2.1 můžeme vidět jak sloučení probíhá 

\begin{figure}[h]
	\centering
		\includegraphics[width=0.65\textwidth]{../SEMESTRALNI PRACE DANK MEMES/docsis/bounding.jpg}
	\caption{Slučování kanálů}
	\label{fig:bounding}
\end{figure}



Při použití DOCSIS 3.0  je ale nutné zasáhnout do infrastruktůry CATV sítě. Provider musí nainstalovat nové aktivní prvky do CMTS a uživatel musí 
zakoupit kabelový modem který podporuje 3.0 standart. Tato verze  přináší spoustu dalších věcí jako:
\begin{itemize}
	\item Podpora protokolu IPv6, rozšíření adresního prostoru (128-bitová adresace)
	\item Zvětšení frekvenčního pásma u downstream kanálu z 860 MHz na  1002 MHz
  \item Zvětšení frekvenčního pásma u upstream kanálu z 42 MHz na  85 MHz
	\item BPI autorizační autorita, která ověřuje na základě RSA klíče
	\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 ješte není tolik využívaná ve světě přichazí s obrovským nárustem přenosové rychlosti a s plno dalšími novinkami. Místo klasického používání
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 používán Low Density parity-check code (LDPC), který je založen na Forward error correction (FEC), samoopravný kód díky kterému je možné využít modulaci signálu až 4096QAM. Tohle vše 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=0.85\textwidth]{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 zařízení} \label{Architektura}

\section{Architektura}\label{archi}

\begin{figure}[h]
	\centering
		\includegraphics[width=0.80\textwidth]{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. Jestli operátor poskytuje své síti další služby
jako např. VoIP, je zde rovněž IP Telephony gateway napojená na PSTN síť. Může zde být také hromada 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). Zařizení CMTS v sobě může obsahovat
DHCP, TFTP server, ale pokuď 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 právě 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 zde použit pro přenos pouze koaxiální kabel a signál vedený z CMTS je zde 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 zde 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 modularní CMTS (určeno pro připojení až desítek tisíc kabelových modemů), které lze osazovat různýma modulama 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 sloučují do slučovače, poté se tento sloučení signál  dále sloučí s Tv signálem. Tento sloučený signal se poté rozděluje přes splitter pro
více uživatelů.U uživatele se poté ješte používá splitter pro rozdělení TV a internetového signálu.



Vzledem k tomu, že je nutné nějakým způsobem řídit CMTS síť  je zde 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 pokuď 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 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, frekvenční 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 možne mít kabelový modem ve formě PCI karty. Směrem k počítači se používá rozhraní Ethernet a směrem k CMTS se zde využívá koaxiální rozhraní. Ke konfiguraci zařízení je zde možné využít USB rozhraní a nebo Ethernet rozhraní.
Základní architektura modemu je následující :

\begin{itemize}
	\item \textbf{Tuner -} 
	Tuner je připojen do kabelového vývodu 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 zde 
	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 sítových protokolů. MAC se stará hlavně o alokaci 
	časových slotů pro upstream, přiřazování frekvence pro downstream a upstream a zpozdění 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}[h]
		\centering
			\includegraphics[width=0.85\textwidth]{modem.png}
		\caption{Architekrura 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. Doporučené hodnoty pro správné 
fungování přenosu jsou napsané v tabulce 3.1. SNR hodnoty se můžou lišit podle použité modulace.

	\begin{table}[h]
	\centering
  \begin{tabular}{l|rr}
		\multicolumn{3}{c}{\bfseries Doporučené 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 modemů 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. Pokuď 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 parametrů -} 
	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 modemů v síti.
	
	
	\item \textbf{Ranging -} 
	Řada dalších provozních parametrů uvnitř modemu je důležité upravit, aby bylo zaručeno, že všechny modemy na přístupové lince
	budou spolu spolupracovat. Vzledem k tomu, že každý modem je od CMTS jinak vzdálen a vytvářejí se zde různé zpozdění, 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 zde mohlo docházet ke kolizím používají se zde sloty, ve kterých může každý modem vysílat.
	CMTS se stará o rozdělování slotů pro každý modem, délka slotu záleží na použité modulaci. 
	
	
	
	\item \textbf{Vytváření IP konektivity -} 
	Jakmile jsou všechny parametry správně nastavené, modem by měl správně komunikovat s CMTS. Nyní zacně 
	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 může poslat další informace o parametrech, které jsou důležité pro 
	modem.
	
	\item \textbf{Synchronizace času -} 
	Pro správnou synchronizaci vysílaní  paketů a pro bezpečnost je důležité zařídit, aby modem a CMTS 
	měli 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{Konfigurační 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 přidelí modemu Service IDs (SIDs), hodnota která identifikujou 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 zde 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.Pokuď by došlo k výpadku
spojení, modem se pokusí znovu inicializovat.

\chapter{Modulace} \label{modul}
Modulace je v telekomunikačních přenosech velice důležitá věc.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 Frekvence (Měníme počet opakování signálu)
		\item Amplituda (Měníme sílu signálu)
			\item 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{Frekvenční 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}
 \begin{flushleft}
Dělíme modulaci dále na analogovou a digitální. Analogové modulace přenášejí nekonečný množství  možných stavů, kdežto
digitální modulace přenášejí vzorokovaný signál s definovaným počtem stavů. Většina moderních modulací využívají 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 jaký pozorujeme SNR při vysílání signálu v systému. Mohlo by dojít k velkému šumu a došlo by ke špatnému odečtení hodnot.
\end{flushleft}



\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 cosinus. Využívá se zde kombinace amplitudové a fázové modulace. Kapacitu kanálu určuje frekvence nosné a poměr 
signál/šum. Na obrázku 4.1 můžeme vidět využítí 16QAM, kdy každá bitová hodnota má svojí amplitudu a fázi. Celkově je zde 16 bitových kombinací.

\begin{figure}[ht]
	\centering
		\includegraphics[width=0.50\textwidth]{qam16.png}
	\caption{Ukázka QAM16 modulace}
	\label{fig:qam16}
\end{figure}


U DOCSIS se v downstream kanálu nejvíce využívá 256QAM, tedy je možné přenášet až 8bitu na jednu hodnotu signálu.U upstream kanálu 
se využívají nižší úrovně QAM.


\section{Kvadraturní klíčování fázovým posuvem}\label{QPSK}
