EVOLUTIE VAN VASTE TOEGANGSNETWERKEN IN BELGIË -DE WEG NAAR FIBER TO THE HOME-

Universiteit Gent Faculteit Ingenieurswetenschappen Vakgroep: Informatietechnologie (INTEC) Voorzitter: prof. dr. ir. P. Lagasse Onderzoeksgroep: Broadband communication networks (IBCN) Voorzitter: prof. dr. ir. P. Demeester EVOLUTIE VAN VASTE TOEGANGSNETWERKEN IN BELGIË -DE WEG NAAR FIBER TO THE HOME- door Elie Boonefaes Promotoren: prof. dr. ir. M. Pickavet en dr. ir. D.Colle Scriptiebegeleiders: ir. B. Lannoo, ir. S. Verbrugge en J. Van Ooteghem Medebegeleider: ir. K. Haelvoet (Telenet) Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk elektrotechnisch ingenieur. Academiejaar 2005-2006

Voorwoord Graag zou ik iedereen willen bedanken die heeft bijgedragen tot de verwezenlijking van dit eindwerk, in het bijzonder dank ik: mijn promotoren, die naast het aanbieden en begeleiden van deze thesis ook geholpen hebben met zoeken naar een stageplaats. mijn begeleiders wil ik bedanken voor de tijd die ze hebben vrijgemaakt voor de verschillende vergaderingen en hun hulp bij de afwerking en sturing van de thesis. Telenet en i.h.b. Kurt Haelvoet, voor het realiseren van de stage, waar ik samen met Lieven Verslegers, een eerste voeling met het onderwerp FttH heb gekregen. Mijn begeleiders en Tim Florizoone voor het herlezen van de thesis. mijn ouders, zonder wiens steun ik onmogelijk deze studies gevolgd zou kunnen hebben. De auteur geeft de toelating dit afstudeerwerk voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van het afstudeerwerk te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit dit afstudeerwerk. Elie Boonefaes, mei 2006 ii

Overzicht Evolutie van vaste toegangsnetwerken in België -De weg naar Fiber to the Home- door Elie Boonefaes Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van Burgerlijk elektrotechnisch ingenieur Academiejaar 2005-2006 Promotoren: Prof. dr. Ir. M. Pickavet en dr. Ir. Colle Scriptiebegeleiders: Ir. B. Lannoo, Ir. S. Verbrugge en J. Van Ooteghem Medebegeleider: Ir. K. Haelvoet. (Telenet) Faculteit Ingenieurswetenschappen Universiteit Gent Vakgroep: Informatietechnologie (INTEC) Voorzitter: prof. dr. ir. P. Lagasse Samenvatting Toegangsnetwerken vormen de bottleneck in het huidige wereldwijde digitale netwerk. De datasnelheden liggen er enkele grootordes lager dan die van het backbonenetwerk enerzijds en het thuisnetwerk anderzijds. De stijgende vraag naar bandbreedte, mede door de opkomst van triple play diensten (besproken in deel II), vereist aanpassingen aan het toegangsnetwerk. Hoofdstuk 1 en 2 bespreken de in België bestaande toegangsnetwerken, met name DSL en kabelnetwerken. Er wordt aangetoond hoe het capaciteitsprobleem kan worden aangepakt door het introduceren van nieuwe technologische standaarden en het invoeren van optische vezel in het netwerk. Om de bottleneck volledig te doen verdwijnen moet men een volledig optische netwerk uitbouwen, dan spreekt men van Fiber to the Home. (Hoofdstuk 3) Deel III gaat na in hoeverre het economisch haalbaar is om in België FttH te realiseren vanuit de huidige netwerken. Hiervoor werd een specifiek kosten-baten model opgesteld. Het model toont aan dat de volledige FttH roll-out in België niet realiseerbaar is. Slechts enkele specifieke scenario s, zoals een bovengronds netwerk of gerichte stedelijke uitbouw blijkt op middellange termijn (2020) haalbaar. Trefwoorden: Fiber to the home, toegangsnetwerken, kosten-baten analyse. iii

Extended Abstract The evolution of fixed access networks in Belgium: the road to Fiber to the Home. An economic assessment of an all optical roll out. E. Boonefaes Abstract- Full optical networks, better know as Fiber to the Home (FttH), are emerging worldwide. Their capacity outperforms that of the other fixed networks, but the costs associated with a FttH roll out still remain challenging. This paper evaluates the feasibility of an optical access network covering the Belgium market. T I. INTRODUCTION HE coverage of data communication services in Belgium is provided both by DSL (digital subscriber line) and HFC (hybrid fiber coax) networks. They rely on copper or coaxial transport media, thus having much smaller bandwidth than optical networks, which use glass fiber. These types of access networks are generally seen as the bottleneck within the entire network architecture, this is often referred to as the last mile problem. Currently telecommunication companies are preparing their networks for triple play, the combination of Internet, TV and telephone services distributed over the same network. This network convergence leads to a substantial increase in the demand of bandwidth. At this moment, the existing access networks are not capable to sustain this increase. Two different solutions can be selected to deal with this problem. Firstly there s the evolutionary approach. This addresses the problem gradually by updating the technological standards and slowly introducing more fiber in the access network The other solution, the revolutionary approach; consists of building a new FttH network. An all optical network completely replaces the existing DSL or HFC networks, hence solving the bottleneck. II. UPDATING THE NETWORK A. Evolutionary approach. The DSL network is controlled by Belgacom and has nationwide coverage. The twisted pair copper wire (TP) in this type of network has a high attenuation and creates a trade-off between copper length and bandwidth. Shortening the TP creates the possibility to introduce new DSL technologies with increased bit rates. See Table 1 HFC networks evolved out of the original TV distribution networks and combine optical fiber with coaxial cable. An optical connection arrives in an optical node that feeds one service area with a shared coaxial network. The number of homes passed within the same service area is generally around 1100. Increasing the capacity requires decreasing the service areas, thus increasing the number of optical nodes hence increasing the amount of fiber in the network. The combination of smaller SA s and new standards make this network capable of offering triple play services in the near future. TABLE 1 EVOLUTIONARY UPDATES Standard DSL standards[1] ADSL ADSL2 / 2+ VDSL VDSL2 HFC standards[2] DOCSIS 1.x DOCSIS 2.0 DOCSIS 3.0 B. Revolutionary approach bit rate DS 4-8 Mbps 12 Mbps 26-52 Mbps 100 Mbps 42-56 Mbps (shared) 42-56 Mbps (shared) 180 Mbps (shared) Instead of a slow evolution towards FttH; this approach corresponds to a fast transformation. The new optical network will be future proof and has no capacity problems anymore. Optical components have reached a competitive price and the operational costs are lower than both DSL and HFC networks. Before being able to enjoy these advantages, network operators will have to invest a lot to build the infrastructure. The main costs will be the digging costs to replace the cables. An economic model has been developed to calculate and analyse these costs. A. Model III. ECONOMIC MODEL Fig. 1 shows the general structure of the created model. The total digging and component costs, specified for different areas, can be calculated. This results in the CAPAX value. If the total cost is related to the duration of the project (defined by the payback period) it is possible to calculate the iv

necessary revenues to finance the investment. The revenues are converted to an extra monthly fee charged to the customer. This will be a crucial value when evaluating the network upgrade. The other important value will be the depreciated (DP) total cost. This is the cost that takes the time value of money into account. Payback Period Revenues Fig. 1. General overview of the used economic model. The different costs are calculated to obtain the CAPEX, this results in the total value. Combined with the payback period one can calculate the necessary revenues. B Scenarios The economic model has been used to evaluate four different scenarios. The evolutionary and revolutionary are related to the two different access networks. Scenario 1 is the revolutionary DSL upgrade, scenario 2 the evolutionary DSL upgrade. Same has been done for the HFC network (scenario 3&4). All the scenarios relate to a complete FttH rollout in Belgium A. Total costs. Digging cost CAPEX Total cost Time Value DP Total cost IV. GENERAL RESULTS Component cost Table 2 shows the different costs for all four scenarios. The evolutionary approach (2&4) is always more expensive than the revolutionary (1&3) one. This is due to the extra equipment costs. TABLE 2 TOTAL COSTS Total cost Depreciated cost Scenario 1 3.517 M 1.889 M Scenario 2 4.589 M 2.043 M Scenario 3 3.809 M 2.045 M Scenario 4 3.918 M 1.634 M Tab. 2. Total costs for the different scenario s, (M is million Euro) Depreciated costs are more significant for project investment analysis. The evolutionary scenarios show the highest difference between total and depreciated costs. When building a network according to the evolutionary approach, FttH related digging costs are concentrated more at the end of the project. This results in a lower depreciated total cost. B. Revenues. The second value that will influence the feasibility of a scenario is the extra monthly fee that will be charged to the costumer. Economically realistic values have to be lower than 20. Table 3 shows that the values from the original scenarios are not permitting a FttH roll out. TABLE 3 REVENUES Extra monthly fee Scenario 1 41,1 Scenario 2 35,6 Scenario 3 43,7 Scenario 4 32,2 Tab. 3. Extra monthly fee charged to costumer. C. other roll-outs. It is not possible to implement one of the original scenarios. However it s interesting to look into some modified FttH roll-outs. The model demonstrates that the digging cost represents more than 80% of the total cost. When looking closer to the costs it shows that rural areas are 3,5 times more expensive to perform the digging operation relative to urban areas. Suburban areas differ by only a factor 1,6 Taking this into account, it is useful to look at a FttH roll-out in these particular areas. A last modification that has been done is inspired by the Japanese FttH success story[3]. They lay the optical network entirely above ground. TABLE 4 MODIFIED FTTH ROLL OUTS Urban&Suburban Urban Above ground Scenario 1 28,6 24,1 10,9 Scenario 2 26,9 24,6 17,1 Scenario 3 31,6 25,0 11,0 Scenario 4 25,1 20,8 12,4 Tab. 4. Extra monthly fee charged to costumer. When evaluating Table 4, only the above ground roll-outs appear economically feasible, some dense urban areas can be successful too. V. CONCLUSION The FttH roll-out in Belgium will follow the evolutionary approach. The current access networks are able to keep up with the growing bandwidth demand for at least 10 more years. A FttH network will not be likely in a medium term period. The total costs are too high and the extra fee charged to the costumers would almost double the current fees. In 2020 Belgium will not have a nationwide FttH coverage. Only some localized roll-outs are economically realistic. REFERENCES [1] Frank Sjöberg, A VDSL Toturial, 2000 [2] Prof Martens, cursus HFC access Networks, 2005 [3] Yano Research Institute, FttH market in Japan, 2005 v

Inhoudstafel VOORWOORD...II OVERZICHT...III EXTENDED ABSTRACT... IV INHOUDSTAFEL... VI LIJST VAN GEBRUIKTE AFKORTINGEN... VIII DEEL I: TECHNOLOGISCH OVERZICHT VAN DE VASTE BREEDBAND TOEGANGSNETWERKEN....1 HOOFDSTUK 1 DIGITAL SUBSCRIBER LINE (DSL)...2 1. Inleidend overzicht...2 2. Technologie DSL...4 2.1 Transmissiekanaal...4 2.2 Duplexing...5 2.3 Modulatie...6 2.4 Netwerk protocol...8 2.5 DSL versies...9 3. Implementatie van VDSL...13 4. VDSL apparatuur...14 4.1 User equipment...14 4.2 Non-user equipment...15 HOOFDSTUK 2 KABELNETWERKEN...17 1. Inleidend overzicht...17 2. Technologie kabelnetwerken [10-11]...18 2.1 Coaxiale kabel...18 2.2 Toegangstechnologie...19 2.3 Modulatie...20 2.4 DOCSIS...20 3. Upgraden van het kabelnetwerk...23 4. Docsis apparatuur...24 HOOFDSTUK 3 FIBER TO THE HOME (FTTH)...26 1. Inleidend overzicht...26 1.1 Active Ethernet...28 1.2 Passieve optische netwerken: PON s...29 1.3 Fiber to the ABC?...30 2. Technologie van FttH...31 2.1 Optische vezel...31 2.2 Frequentiegebruik...32 2.3 Aantal tranceivers...32 3. Uitbouw van FttH...33 4. FttH apparatuur...34 4.1 Active Ethernet...34 4.2 PON...35 DEEL II: DRIVERS VOOR NIEUWE NETWERKARCHITECTUREN...37 HOOFDSTUK 4 ALGEMENE NETWERKEISEN...38 1. Bandbreedte & QoS...38 1.1 Bandbreedte...38 1.2 Quality of Service (QoS)...40 2. Verschillende diensten en hun netwerkeisen...41 2.1 Digitale Telefonie...42 2.2 Interactieve Digitale Televisie (idtv)...43 2.3 Internet diensten...45 3. Trafficscenario s...46 3.1 Scenario 1: Korte termijn...46 3.2 Scenario 2: Middellange termijn [35]...47 3.3 Scenario 3: Lange termijn...47 3.4 Voorspellingen...48 vi

HOOFDSTUK 5 NETWERKARCHITECTUREN EN TRIPLE PLAY...50 1. Shared vs point to point netwerken...50 2. Toegangsnetwerken...51 2.1 Telefoonnetwerk...51 2.2 Kabelnetwerk...52 DEEL III: KOSTEN ANALYSE...55 HOOFDSTUK 6 OPBOUW KOSTEN-BATENMODEL...56 1. Kosten-baten analyse...56 2. Beschrijving van het model...58 3. Opbouw van het model...60 3.1 Berekeningen...60 3.2 Resultaten...61 4. Scenario s...62 4.1 Scenario 1: ADSL FttH...62 4.2 Scenario 2: ADSL VDSL 1000m VDSL 300m FttH...63 4.3 Scenario 3: Kabel FttH...64 4.4 Scenario 4: Kabel Kleinere service area s & DOCSIS 3.0 FttH...65 HOOFDSTUK 7 MODELBEREKENINGEN...67 1. Graafkosten...67 1.1 Kabellengte...67 1.2 Model graafkosten...68 2. Component en installatiekosten...72 2.1 Learning curve model...72 2.2 Model Componentkosten...73 3. Inkomsten...75 HOOFDSTUK 8 ANALYSE...77 1. Resultaten van de originele scenario s...78 1.1 Totaalkosten...78 1.2 Prijs per maand...81 2. Analyse van de model parameters...82 2.1 Take-Rate...83 2.2 Gompertz Parameters...83 2.3 Start- en einddata...85 2.4 Graafopties...85 3. Afwijkende scenario s...85 3.1 Gebieden...85 3.2 Bovengrondse roll-out in stedelijke gebieden...86 3.3 Haalbaarheid per arrondissement...87 HOOFDSTUK 9 BESLUIT...88 BIJLAGEN...90 BIJLAGE A: TRAFFICMODEL...90 BIJLAGE B: GEMIDDELDE KOPERLENGTE...91 BIJLAGE C: GEGEVENS TELENET KAARTEN...91 BIJLAGE D: STANDAARD GOMPERTZ PARAMETERS...92 BIJLAGE E: GRAAFMODELLEN...93 BIJLAGE F: COMPONENTMODELLEN...97 REFERENTIES...101 LIJST VAN FIGUREN...102 LIJST VAN TABELLEN...104 vii

Lijst van gebruikte afkortingen ADSL ASR ATM BNIX BPON BRAS CAP CAPEX CATV CDMA CIF CM CMTS CO CPE CSMA/CD DMT DOCSIS DS DSL DSLAM DTV EFMA EFMC EFMF EPON ETSI FDD FDMA FSAN GPON HDSL HDTV HFC HP idtv IEEE IP IRR ISDN ISP ISPA ITU MP2MP MPEG NGEPON NPV OFDM OLT ONT ONU OPEX Asymmetric DSL Access Switching Router Asynchronous Transfer Mode Belgium National Internet exchange Broadband PON Broadband Remote Access Server Carrier less Amplitude/Phase modulation Capital Expenditures 1. CAble TeleVision 2. Community Antenna TeleVision Code Division Multiple Access Common Intermediate Format Cable Modem Cable Modem Termination System Central Office Costumer Premise Equipment Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Discrete MulitTone Data Over Cable Service Interface Specification Downstream Digital Subscriber Line DSL Access Multiplexer Digital TeleVision Ethernet First Mile Alliance Ethernet in the First Mile Copper Ethernet in the First Mile Fiber Ethernet PON European Telecommunications Standards Institute Frequency Division Duplex Frequency Division Multiple Access Full Service Access Network Gigabit Passive Optical Network High bit-rate DSL High Definition TeleVision hybrid fiber coax Home Passed interactive Digital TeleVision Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Protocol Internal Rate of Return Integrated Services Digital Network Internet Service Provider Internet Service Providers Association International Telecommunication Union Multipoint to Multipoint Moving Picture Experts Group Next Generation Ethernet Passive Optical Network Net Present Value Orthogonal Frequency Division Multiplexing Optical Line Terminator Optical network Terminator Optical network unit Operational Expenditures viii

P2MP P2P PON POTS PSTN QAM QCIF QoS QPSK RADSL SA SDSL SDTV SHDSL SLA SNMP SNR TCM TDD TDMA TP US VC VDC VDSL VoD VoIP Pair to multipoint Pair to Point Passive optical network Plain Old Telephone Service Public Switched telephone Network Quadrature amplitude modulation Quarter Common Intermediate Format Quality of service Quadrature phase-shift keying Rate Adaptive DSL Serving Area Symmetrical DSL Standard Definition TeleVision Single pair High speed DSL Service Level Agreement Simple Network Management Protocol Signal to Noise Ratio Trellis Coded Modulation Time Division Duplex Time Division Multiple Access Twisted Pair Upstream Virtual Channel Verdisconteerd Very high bit-rate DSL Video on Demand Voice over IP Lijst van specifiek FttX afkortingen. FttA FttB FttC FttCab FttD FttE FttEx FttF FttH FttK FttL FttM FttN FttO FttP FttR FttT FttU FttV FttZ Antenna or Amplifier Building Curb or Cabinet Cabinet Desk Exchange or telecom Enclosure Exchange Feeder or Floor Home Kerb (buiten USA) Loop MTU/MDU (Multi-tenant/Dwelling Unit) Node or Neighbourhood Office Premises Radio Terminal or Town User Village Zone ix

DEEL I Deel I: Technologisch overzicht van de vaste breedband toegangsnetwerken. Het doel van deze thesis is het opstellen van een kosten-baten model dat nagaat in hoeverre het economisch haalbaar is om in België een Fiber to the Home (FttH) toegangsnetwerk uit te bouwen vertrekkende van een bestaand toegangsnetwerk. In dit deel van de thesis zal de technologische kant van de vaste (niet-draadloze) toegangsnetwerken besproken worden. Centraal staan de technologieën die de huidige breedbandcapaciteit naar een hoger niveau tillen. Hierbij worden opeenvolgend Digital subscriber line (DSL, hoofdstuk 1), Hybrid Fiber-Coax (HFC, hoofdstuk 2) kabelnetwerk en Fiber to the Home (FttH, hoofdstuk 3) behandeld. Het doel van deel I is inzicht verschaffen in de structuur en opbouw van de verschillende netwerken om zo een duidelijke basis te creëren voor deel III, waar het economisch model zal besproken worden. 1

DEEL I HOOFDSTUK 1: DIGITAL SUBSCRIBER LINE Hoofdstuk 1 Digital Subscriber Line (DSL) 1. Inleidend overzicht Sinds Alexander Graham Bell in 1875 de telefoon uitvond is het telefoonnetwerk wereldwijd continu gegroeid en tegenwoordig bestaat dit netwerk al uit meer dan 700 miljoen individuele telefoonlijnen [1]. Iedereen die hierop is aangesloten, is in staat om verbinding te maken met de rest van dit netwerk. Deze architectuur is dus een ideaal toegangsnetwerk voor toepassingen die globale connectiviteit vereisen; zoals telefonie, Internet en e-mail. Toen Internet zijn intrede deed bij het grote publiek was het slechts mogelijk om via een analoge modem op het telefoonnetwerk in te loggen. Vanaf dan ontstond de zoektocht naar technische oplossingen om over dit netwerk steeds meer informatie aan hogere snelheid te versturen. Door data te verzenden over frequenties die hoger zijn dan die van spraaksignalen en gebruik te maken van digitale in plaats van analoge codering is men door de jaren heen geëvolueerd naar technieken die steeds meer bandbreedte aanbieden. De oplossingen die hieruit ontstonden horen bij de digital subscriber line (DSL) familie. Figuur 1.1: DSL concept Basiswerking Figuur 1.1 geeft de basiswerking van DSL weer. Het telefoonnetwerk voor normale gesprekken, in de literatuur ook dikwijls weergegeven met Public Switched Telephone Network (PSTN) of Plain Old Telephone Service (POTS), maakt gebruik van de < 4 khz frequentieband. Dit komt overeen met het gebied voor spraak. De digitale signalen waarvan 2

DEEL I HOOFDSTUK 1: DIGITAL SUBSCRIBER LINE DSL gebruik maakt worden over hogere frequenties verzonden. Beide signalen kunnen dus samen over één kabel lopen. Aan de ontvangerszijde wordt het signaal via een splitter ontvangen. Deze zorgt voor de splitsing van de analoge signalen (telefoon / fax) en de digitale data (internetdiensten). Zowel analoge telefoonsignalen als digitale data worden over een koperen twisted pair (TP) tussen de gebruiker en de DSL Access Multiplexer (DSLAM) verstuurd. De DSLAM bundelt de verschillende DSL lijnen van een volledige regio. Hier gebeurt ook de (ont)koppeling van de analoge en digitale signalen. De nieuwste DSL technieken leggen een beperking op aan de maximale TP lengte. Hierdoor is men verplicht om bij lange verbindingen een Optical Network Unit (ONU) tussen de DSLAM en de gebruiker te plaatsen. Op de ONU komen dan een tiental koperen TP verbindingen toe maar de verbinding met de DSLAM loopt over een optische vezel. De (analoge) telefoonsignalen gaan naar het publieke telefoonnetwerk en de (digitale) datasignalen worden naar een Broadband Remote Access Server (BRAS) gezonden. Deze BRAS staat in contact met de verschillende Internet Service Providers (ISP s). Alles wat zich op figuur 1.1 in het midden bevindt, wordt dikwijls vereenvoudigd tot Central Office (CO). Deze term gebruikt men bij alle netwerkarchitecturen en wordt gezien als het punt waar het backbonenetwerk eindigt en het toegangsnetwerk begint. Het is ook belangrijk om op te merken dat elke gebruiker beschikt over een eigen (point to point, P2P) verbinding met de DSLAM 1. De TP kabel is dus geen gedeeld medium. Evolutie DSL 2 Integrated services digital netwerk (ISDN) technologie kan gezien worden als de eerste aanloop voor de ontwikkeling van DSL. ISDN werd voor het eerst gebruikt in 1976. Het grote verschil van ISDN met de andere modemtechnologieën van toen is het gebruik van data in digitale vorm. De volgende technologische evolutie en eerste echte DSL standaard was high bit rate DSL (HDSL) die een symmetrische connectie met hoge data rate bracht. HDSL wordt dikwijls gebruikt bij het multiplexen van verschillende telefoon connecties op één HDSL lijn. Andere symmetrische DSL versies zijn Symmetric DSL (SDSL) en singlepair high speed DSL (SHDSL, ook gekend onder HDSL2). Deze symmetrische DSL standaarden hebben wel het 1 Of ONU bij VDSL 2 Alle DSL versies worden na de technologische info meer in detail besproken 3

DEEL I HOOFDSTUK 1: DIGITAL SUBSCRIBER LINE nadeel dat ze niet samen met de analoge telefoonsignalen kunnen werken, door overlappend frequentiegebruik. Wanneer de bit rate in downstream hoger is dan in upstream spreekt men van asymmetric digital subscriber line (ADSL). ADSL voorziet in de vraag van de gewone gebruiker die met Internet surfen, online gaming en videotoepassingen meer data binnenhaalt dan verzendt. ADSL werd verder geoptimaliseerd in RADSL, ADSL lite, ADSL2 en ADSL2+. Very high bit-rate DSL (VDSL) is de laatste stap in de DSL-evolutie. Er worden hogere bandbreedtes aangeboden en men voorziet ook in een mogelijkheid om naast asymmetrische ook symmetrische bit rates te implementeren. VDSL wordt momenteel ook geoptimaliseerd tot VDSL2. 2. Technologie DSL Hier worden eerst de verschillende technieken besproken die in de DSL technologie gebruikt worden. Bij de bespreking wordt dikwijls iets dieper ingegaan op hoe ze bij VDSL is geïmplementeerd, omdat VDSL de technologie is die momenteel door verschillende operatoren wereldwijd wordt uitgebouwd. Op het einde worden dan de verschillende DSLversies in detail besproken. 2.1 Transmissiekanaal De vaste toegangsnetwerken gebruiken ofwel twisted pair koperdraad bij telefoonnetwerken ofwel coaxkabel bij de kabelnetwerken ofwel alleen glasvezel (fiber) bij FttH netwerken. Bij de eerste twee netwerktypes wordt evenwel ook al een stuk glasvezel gebruikt. Onderstaande figuur toont de attenuatie van de drie verschillende transmissiekanalen. De verschillende kanalen werken optimaal bij andere frequenties, die ook de bandbreedte bepalen. Een grote attenuatie zorgt voor sterke demping van de signalen en maakt datatransmissie onmogelijk. 4

DEEL I HOOFDSTUK 1: DIGITAL SUBSCRIBER LINE Figuur 1.2: Breedband transport media [2] Het laatste stuk van het DSL netwerk wordt over twisted-pair kabel gezonden. Zoals te zien is in figuur 1.2 gebruikt een telefoontoegangsnetwerk de laagste frequenties. De attenuatie wordt al behoorlijk sterk wanneer men boven de 1 MHz gaat. Hieruit volgt dat er steeds een afweging moet gemaakt worden tussen de lengte van de kabel en de bandbreedte. Dit blijkt ook uit Tabel 1.1 (p.10). De grote bandbreedte van VDSL, die groter kan zijn dan 10 MHz, zorgt dan ook voor een zeer ernstige beperking van de maximale twisted-pair lengte. Om VDSL maximaal te kunnen gebruiken wordt een TP afstand tussen 300 en 500 meter aanbevolen. 2.2 Duplexing Figuur 1.3: TDD vs FDD [1] Met duplexing wordt bedoeld dat er simultane transmissie is in twee richtingen: data van de CO naar de gebruiker, downstream, en van de gebruiker naar het netwerk, upstream. Traditioneel zijn er twee standaard duplexmethodes: time division duplex (TDD) en frequency division duplex (FDD) 5

DEEL I HOOFDSTUK 1: DIGITAL SUBSCRIBER LINE Time Division Duplexing TDD is de meest natuurlijke manier om een kanaal te verdelen in up- en downstream. Het gebruik van het kanaal wordt in verloop van de tijd verdeeld over beide richtingen. Omdat deze techniek niet echt toelaat om tegelijk het kanaal te gebruiken wordt het ook wel halfduplex genoemd. Om flexibiliteit in up- en downstream data rates te verkrijgen, gebruikt men dikwijls een superframe. Dit frame bestaat uit een aantal upstream en een aantal downstream symbolen. De verhouding tussen beiden kan dan eenvoudig worden veranderd om naast een symmetrische ook asymmetrische verbindingen te ondersteunen. Frequency Division Duplexing De andere klassieke duplexing methode is FDD. Hierbij wordt de bandbreedte opgedeeld in frequentiebanden. Deze frequentiebanden worden dan ofwel in US of DS gebruikt, figuur 1.3. Doordat US- en DS data over verschillende frequenties wordt verzonden kan er wel simultane communicatie ontstaan. VDSL maakt gebruik van FDD. 2.3 Modulatie Modulatie bepaalt hoe digitale signalen worden omgezet naar elektrische/optische symbolen die over het transmissiekanaal gestuurd worden. Via modulatie kan men een aantal bits samen omzetten naar 1 symbool. Door betere modulatie kan men dan ook een hogere data rate bekomen. (vb 16-QAM neemt 4 bits tot 1 symbool, 256-QAM bundelt 8 bits in 1 symbool dit is al een verdubbeling van de data rate.) Een hogere modulatie stelt wel hogere eisen aan de kwaliteit van het kanaal. Ruis en attenuatie kunnen voor een limiet aan de symboolgrootte zorgen. Quadrature Amplitude Modulation (QAM) [3] QAM is een basismodulatie die dikwijls als referentie wordt gebruikt. De data wordt in amplitude gemoduleerd en over twee draaggolven verzonden. Deze golven, meestal sinussen, zijn 90 uit fase met elkaar. (Dit worden kwadratuur dragers genoemd, vandaar de naam QAM) Figuur 1.4 toont drie verschillende versies van de QAM modulatie. 6

DEEL I HOOFDSTUK 1: DIGITAL SUBSCRIBER LINE Figuur 1.4: Verschillende QAM modulaties Voor de ontwikkeling van VDSL zijn er meerdere digitale modulatietechnieken vooropgesteld waarvan er twee centraal staan: Discrete MultiTone (DMT) en Carrierless Amplitude/Phase modulation (CAP). Er blijken twee consortiums te zijn die elk hun eigen VDSL standaard willen uitbouwen, gebaseerd op respectievelijk DMT en CAP. De twee technologieën zijn echter niet compatibel met elkaar. Andere technieken op basis van filterbanken zijn ook overwogen maar zullen naar alle waarschijnlijkheid niet worden gebruikt[1]. Discrete Multitone Modulation (DMT) [1] DMT modulatie is een multicarrier technologie, die bijna gelijk is aan Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). OFDM splitst het spectrum op in meerdere frequentiekanalen met een vaste breedte. Bij ADSL wordt het upstream deel in 25 en downstream deel in 224 subkanalen gesplitst, elk met een breedte van 4.3125 khz (figuur 1.5). OFDM en DMT zijn essentieel dezelfde technieken, maar DMT houdt ook rekening met signaal tot ruis verhouding (SNR) en kan, afhankelijk van de SNR, de symboolgrootte aanpassen. (tot 10-12 bits per symbool). Dit staat bekend als bit-loading. Figuur 1.5: DMT subkanalen bij ADSL Het feit dat ADSL alleen DMT gebruikt zorgt ervoor dat een grote groep fabrikanten, waaronder Alcatel en Texas Instruments, deze techniek zullen ondersteunen voor de uitbouw 7

DEEL I HOOFDSTUK 1: DIGITAL SUBSCRIBER LINE van VDSL. Een ander voordeel van DMT is dat de kwaliteit van de verbinding continu in de gaten wordt gehouden door middel van bit-loading. Hierdoor kiest het systeem voortdurend de beste oplossing. Carrierless Amplitude/Phase Modulation (CAP) [1] CAP is een variant van de traditionele quadrature amplitude modulation (QAM) en heeft ongeveer dezelfde performantie. Het verschil zit in een extra fase-shift, waardoor de implementatie iets eenvoudiger wordt. Deze modulatie is single-carrier. DMT en CAP zijn ongeveer evenwaardige technieken en de uiteindelijke keuze zal dan ook door de markt zelf bepaald worden. De VDSL implementatie door Belgacom in België maakt gebruik van de DMT codering. 2.4 Netwerk protocol Alle toegangsnetwerken die in deze thesis worden besproken moeten in staat zijn om op een transparante manier IP verkeer 3 mogelijk te maken. De manier waarop dit gebeurt wordt door het onderliggende protocol op de datalinklaag 4 geregeld en is netwerkafhankelijk. Bij de vaste toegangsnetwerken zijn drie verschillende protocollen aanwezig: ATM, Ethernet en DOCSIS. Bij VDSL gaat de keuze van het netwerkprotocol tussen Ethernet en ATM. DOCSIS is de standaard bij kabelnetwerken. (Hoofdstuk 2) Asynchronous Transfer Mode (ATM) [4] ATM is een netwerkprotocol, gebaseerd op pakketjes van 53 bytes, die door ATM switches van de bron naar de bestemming worden gevoerd. Dit gebeurt over een virtual channel (VC) dat door het netwerk heen wordt aangelegd bij het opzetten van een verbinding. Een belangrijk kenmerk van een ATM netwerk is dat het in staat is een goede Quality of Service (QoS 5 ) te bieden. Dit betekent dat de prioriteit en de bandbreedte van de verbinding kan 3 Internet Protocol. Het protocol voor de netwerklaag. 4 Verwijzing naar de TCP/IP internetprotocolstack, bevat 5 lagen: fysische-datalink-netwerk-transport-applicatie 5 Zie Hoofdstuk 4 8

DEEL I HOOFDSTUK 1: DIGITAL SUBSCRIBER LINE worden aangegeven, en dat het netwerk deze zal garanderen. ATM wordt gestandaardiseerd door het ATM Forum, opgericht in 1991. Door deze specifieke werking is ATM erg geliefd bij telefoonoperatoren, daarom is het ook logisch dat de DSL familie steunt op dit protocol. Ethernet [4] De Ethernet-specificaties bevatten de functies die men tegenkomt in de fysische en de datalinklaag van het OSI-model [4]. Ethernet maakt gebruik van Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection (CSMA/CD), dit is een eenvoudig toegangsmechanisme dat geen QoS toelaat. Verdere verfijningen aan de Ethernet standaard maken een vorm van QoS wel mogelijk. Door recente uitbreidingen 6 bevat Ethernet een deel specifiek voor VDSL waardoor sommige operatoren de overstap naar Ethernet overwegen. De interesse voor Ethernet als protocol ligt vooral in het feit dat dit goedkoper is dan ATM. 2.5 DSL versies De DSL familie is in drie groepen onder te brengen: xdsl HDSL ADSL VDSL HDSL SDSL HSDSL ADSL RADSL ADSL lite ADSL 2 ADSL 2+ VDSL VDSL2 Figuur 1.6: DSL families Tabel 1.1 toont de vergelijking tussen de verschillende DSL versies. De PSTN kolom geeft weer of de DSL versie in staat is om samen met het telefoonverkeer gebruikt te worden. Daarnaast staan de snelheden in respectievelijk upstream (US) en downstream (DS). Gelijke 6 IEEE std 802.3ah 9

DEEL I HOOFDSTUK 1: DIGITAL SUBSCRIBER LINE snelheden in US en DS duiden op een symmetrische verbinding. De kolom standaard verwijst naar het officiële ITU[5] die de verschillende DSL-versies standaardiseert. De laatste kolom toont een belangrijke eigenschap van de DSL evolutie: de afstandsbeperking voor koperdraad (TP) DSLfamilie HDSL ADSL VDSL Type Symmetrisch PSTN Bit rate Bit rate Maximale US DS Standaard [Mbps] TP lengte [Mbps] HDSL - 2 2 G991.1 7 km SDSL - 2,3 2,3 niet ITU 3.5 km SHDSL - 4 4 G991.2 3 km ADSL - 1 8 G992.1 3.5 km ADSLlite - 0,5 1.5 G992.2 5.5 km RADSL - 1 8 Geen standaard 5.5 km ADSL2-1 12 G992.3/4 3 km ADSL2+ - 1 24 G992.5 1.5 km - 1.2 6.5 1500 m 13 13 VDSL - 3.2 26 G993.1 1000 m 26 26-15 55 300 m VDSL2 100 100 G993.2 <300 m Tabel 1.1: xdsl [5-7] De nieuwste versies bieden weliswaar hogere snelheden door gebruik te maken van hogere frequenties maar hierdoor verkleint de afstand waarbij men gegevens over de TP kabel kan sturen. Dit komt omdat hogere frequenties vlugger uitsterven en dus niet zo ver propageren. Daarom moet men een stuk van het netwerk vervangen door optische vezel. De implementatie van VDSL is dan ook één van de drijvende krachten om fiber dichter bij de gebruiker te brengen. Dit is ook te zien in figuur 1.7. Figuur 1.7: DSL bit rate i.f.v. afstand (downstream) 10

DEEL I HOOFDSTUK 1: DIGITAL SUBSCRIBER LINE Hier zijn de verschillende versies van DSL weergegeven met de maximum data rate in functie van de afstand van de twisted pair. Om de maximale snelheden te halen uit VDSL moet men het stuk TP kabel in het toegangnetwerk beperken tot 300 meter. HDSL [8] HDSL werd ontwikkeld op het einde van de jaren 80 door BellCore met het oog op een meer kostefficiënte manier bij het leveren van een hoge data rate dan de T1/E1 7 alternatieven. HDSL wordt gebruikt voor breedband digitale transmissie binnenin een bedrijf en tussen een telefoonmaatschappij en een klant. SDSL Deze standaard is een Noord-Amerikaanse standaard die nu volledig is overgegaan in SHDSL. SHDSL [8] SHDSL is de eerst gestandaardiseerde multi-rate symmetrische DSL. Het biedt dus verschillende data rates aan, die lopen tussen 192 kbps-2.3 Mbps. Hier wordt het frequentie spectrum gebruikt tot 1.1MHz Figuur 1.8: DSL spectrum ADSL [8] ADSL maakt gebruik van twee gescheiden frequentiebanden (figuur 1.8). Standaard 25.875-138 khz voor upstream en 138-1104 khz voor downstream. Elke band is verder verdeeld in kleinere frequentie banden van 4.3125 khz. Indien er teveel storing zit op een van deze banden wordt het corresponderende stuk niet gebruikt. Er is een directe relatie tussen de gebruikte frequentiedelen en de throughput. De data capaciteit hangt af van de gebruikte 7 T1/E1; Telefoonstandaard voor het transport van verschillende telefoonsignalen. T1 wordt in Noord-Amerika en Japan gebruikt, E1 in de rest van de wereld. 11

DEEL I HOOFDSTUK 1: DIGITAL SUBSCRIBER LINE modulatie. Voor 1996 gebruikten 90% van de modems CAP, maar bij de ITU ADSL standaardisaties in 1999 (G.992.1 en G.992.2) werd geopteerd voor DMT modulatie. Hierdoor zijn alle ADSL modems nu DMT. ADSL2 (2002) [8] ADSL2 is specifiek ontworpen om de data rate en bereik van ADSL te vergroten. Bij langere lijnen wordt de snelheid verhoogd met 50 kbps voor dezelfde afstand of met 200 m voor dezelfde bit rate. Dit wordt bereikt door betere modulatie technieken en betere signaalverwerking. De gebruikte frequentieblokken voor US en DS zijn echter nog steeds dezelfde, zie figuur 1.8. De details van de standaard zijn te vinden in de ITU 992.3 beschrijving. ADSL2+ (2003) [8] ADSL2+ is in 2003 als ITU standaard uitgebracht (G.992.5). De belangrijkste verandering is het verbreden van de downstreamband tot 2.2 MHz. (figuur 1.8) Dit resulteert in een significante verbetering van de DS-snelheid bij korte telefoonlijnen. Het voordeel houdt stand zolang de lijnen niet langer zijn dan 2400 meter, daarna zijn de data rates dezelfde als bij ADSL2. (Figuur 1.2) ADSL2+ kan ook gebruikt worden om crosstalk 8 te verminderen. De standaard kan zo ingesteld worden dat enkel de band tussen 1.1 en 2.2 MHz data verzendt. VDSL (2004) [8] VDSL is de eerste van een nieuwe tak in de DSL familie (figuur 1.6). [9]. VDSL gebruikt een veel groter spectrum dan zijn voorgangers, het frequentiegebied wordt uitgebreid tot 12 MHz (figuur 1.8). Het spectrum wordt opgedeeld in 4 gebieden, die afwisselend voor upstream en downstream gebruikt worden. In tegenstelling tot de ADSL standaarden biedt VDSL ook ondersteuning voor symmetrische data rates met een maximum snelheid van 26 Mbps. De meest voorkomende roll-out zal wel nog steeds asymmetrisch blijven. Dan kan men met VDSL 52 Mbps 9 downstream aanbieden. 8 Dit is de storende invloed van verschillende frequentiebanden. 9 Zoals eerder vermeld zijn dit maximumsnelheden die slechts over maximaal 300 meter koperdraad kunnen lopen 12

DEEL I HOOFDSTUK 1: DIGITAL SUBSCRIBER LINE VDSL2 (2005/6) [8] Zoals bij ADSL wordt VDSL opgevolgd door VDSL2. Deze nieuwe standaard belooft snelheden tot 100 Mbps symmetrisch. Maar hiervoor moet het glasvezel netwerk al dicht bij de gebruiker gebracht worden. ITU heeft VDSL2 midden 2005 gestandaardiseerd, details zijn te vinden in G.993.2. 3. Implementatie van VDSL Figuur 1.9: VDSL Roll-Out [9] In paragraaf 2.1 werd besproken dat de lengte van het koperkanaal een limiterende factor is in de aan te bieden bandbreedte. Om de maximale data rate van in Tabel 1.1 te bereiken moet de lengte van de koperdraad beperkt blijven tot 300 meter. Bij een lengte van 1 km worden de snelheden al gehalveerd. (figuur 1.7) De huidige (Europese) telefoonnetwerken beschikken over koperdraad toegangsnetwerken met een gemiddelde lengte van 1500 meter. Hierover is het onmogelijk om VDSL aan maximale snelheid aan te bieden. In figuur 1.9 staan de verschillende mogelijkheden om VDSL aan te bieden schematisch weergegeven. Links staat de local exchange, dit is de plaats waar het toegangsnetwerk begint. Op figuur 1.1 komt dit overeen met de plaats van de DSLAM. Indien een stuk van het toegangsnetwerk bestaat uit koperdraden die niet langer zijn 13

DEEL I HOOFDSTUK 1: DIGITAL SUBSCRIBER LINE dan 500-1000 meter kan men VDSL aanbieden over dit netwerk zonder veel extra investeringen, dit staat bekend als Fiber to the Exchange (FTTEx). Meestal echter zijn grotere aanpassingen nodig. De meest gebruikte aanpak is de uitbouw van het glasvezel netwerk. Het eerste stuk van het toegangsnetwerk wordt vervangen door glasvezelkabel tot aan een externe optical netwerk unit (ONU), vanwaar VDSL verder gaat over TP. De ONU is een actief element dat dient als een cross-connect tussen het optisch distributienetwerk en de VDSL lijnen. Een laatste mogelijkheid is het volledige toegangsnetwerk tot aan een gebouw in glasvezel te leggen en in het gebouw VDSL voorzien. Deze laatste optie is echter alleen aanwezig in erg dichtbevolkte gebieden met veel appartementsgebouwen. Momenteel wordt echter nog niet altijd gestreefd naar VDSL met maximale bandbreedte. In veel gevallen maakt men de upgrade naar VDSL tot op 1000 meter. Dit vergt minder investeringen maar biedt dan slechts verbindingen met maximale snelheid van 26 Mbps. Bij de berekening van het kostenmodel in deel 3 wordt dergelijk stappenscenario gevolgd. (Eerst VDSL tot 1000m, daarna VDSL tot op 300m om tenslotte te eindigen bij FttH) 4. VDSL apparatuur De apparatuur die hier beschreven wordt kan men terugvinden in het schema op figuur 1.1. Het beschrijven van deze componenten is ook belangrijk voor het verdere economische model. 4.1 User equipment Splitter De splitter is een eenvoudig stuk apparatuur dat het telefoonverkeer, onder de 4 khz, van de digitale VDSL data splitst. Qua werking is deze component volledig analoog aan die bij ADSL. 14

DEEL I HOOFDSTUK 1: DIGITAL SUBSCRIBER LINE Figuur 1.10: VDSL modem en splitter Modem Elke gebruiker die een VDSL-lijn wil gebruiken dient over een VDSL modem te beschikken. Het VDSL kanaal kan uit de muurplug via een gewone telefoonkabel (RJ 11) met de modem verbonden worden. De modem zorgt voor een demodulatie naar Ethernet signalen. De VDSL modem beschikt over minstens 1 LAN interface, typisch 10/100 Mbps Ethernet poort. Dit signaal kan rechtstreeks naar de pc. De VDSL modem in figuur 1.10 is er een van ZyXEL en is momenteel de modem die door Belgacom wordt verkocht voor hun VDSL. Deze modem heeft 4 Ethernet poorten. De kostprijs van een modem upgrade wordt meestal volledig naar de klant doorgerekend. 4.2 Non-user equipment Optical Network Unit (ONU) Wanneer de afstand tussen DSLAM en de gebruiker te groot is, moet men tussen beide een ONU plaatsen. Deze ONU werkt dan als een remote DSLAM. De verbinding met de DSLAM gaat over glasvezel en de verbinding naar de gebruiker blijft de originele koperen TP. Dergelijke remote equipment kan 12 tot 48 lijnen sturen. Een voorbeeld van dergelijke ONU vindt men bij Alcatel onder de naam 7330 ISAM FTTN. Figuur 1.11: Alcatel 7330 ISAM FTTN (ONU) en 7302 ISAM (DSLAM) 15

DEEL I HOOFDSTUK 1: DIGITAL SUBSCRIBER LINE DSL Acces Multiplexer (DSLAM) Een DSLAM is een multiplexer die de data van vele DSL lijnen bundelt naar 1 kanaal dat naar de BRAS loopt. Dit gebeurt nu meestal met ATM technologie maar er wordt stilaan de omschakeling gemaakt naar Ethernet. Een DSLAM architectuur bestaat uit 1 of meer rekken in een vast chassis, elk bestaande uit 2 à 3 horizontale subrekken. (Figuur 1.11 rechts toont 1 rek met 2 subrekken). Een subrek biedt plaats aan een tiental linecards. Deze linecards zijn specifiek aan de xdsl techniek en bevatten 12-48 aansluitingspoorten voor xdsl lijnen. Als de DSLAM bijvoorbeeld bestaat uit 1 rek met 3 subrekken die 20 linecards bevatten, waarbij er per kaart 24 poorten voorzien zijn, dan kan deze DSLAM (3x20x24) 1440 DSL lijnen multiplexen. Figuur 1.11 toont een DSLAM van Alcatel (de 7302 ISAM), wereldleider in DSLAM s. Dergelijke installaties ondersteunen meer dan 1 DSL-standaard, dit kan bepaald worden door de linecard. Broadband Remote Access Server (BRAS) De gemultiplexte lijnen die uit de DSLAM s komen, maken gebruik van netwerklaag 2 verkeer; ATM en Ethernet. Verschillende van die lijnen worden in een BRAS geaggregeerd. In de BRAS wordt de Point-to-Point Protocol (PPP) 10 verbinding getermineerd. Dus login en passwoord worden door de BRAS gecontroleerd. Het is ook via deze component dat gegevens van de gebruiker, zoals facturatie, bijgehouden worden. Een BRAS kan enkele 100.000 den gebruikers en enkele 10.000 de actieve sessies bijhouden. Langs de andere kant is de BRAS rechtstreeks met de Internet service providers (ISP s) verbonden. 10 Omkapselingsprotocol om IP pakketten over een directe link te zenden 16

DEEL I HOOFDSTUK 2: KABELNETWERKEN Hoofdstuk 2 Kabelnetwerken 1. Inleidend overzicht Kabel televisie (CATV) is eind jaren 40 ontstaan in de VS en was bedoeld om de signaalkwaliteit van de tv signalen te verhogen. De kleine individuele tv-antennes werden vervangen door krachtige, gemeenschappelijke antennes die beeld en geluid via coaxiale kabel verder verdelen naar de omliggende gebruikers. Zo ontstond de typische structuur van kabelnetwerken. In een centraal punt bevindt zich het antennestation (head-end, kopstation) en deze zendt dan via een boom/tak structuur de tv kanalen naar de gebruikers. (figuur 2.1a) Eén dergelijke head end kon meer dan 50000 gebruikers van kabeltv voorzien. Net zoals bij de telefoonindustrie is ook de markt van analoge televisie over kabel omgevormd tot die van een provider van triple play diensten. Het kabelnetwerk dat enkel analoge tv-signalen verzond in één richting, evolueert nu naar een netwerk in twee richtingen waar telefoondiensten, internettoegang en digitale tv worden aangeboden. Figuur 2.1: traditioneel kabel- vs. HFC toegangsnetwerk [10] Om deze evolutie te kunnen realiseren moest het traditionele netwerk aangepast worden om de bandbreedte te vergroten en bidirectioneel verkeer toe te laten. Vele kabelmaatschappijen, 17

DEEL I HOOFDSTUK 2: KABELNETWERKEN waaronder ook Telenet in Vlaanderen, hebben hun architectuur omgevormd naar een Hybrid Fiber Coax netwerk (HFC, figuur 2.1.b). Dit houdt in dat de grote coax boomstructuren in kleinere gebieden worden verdeeld, serving areas (SA) genoemd. Deze gebieden kunnen tussen de 500 en 2000 klanten bedienen (dit wordt ook uitgedrukt met de term Homes Passed HP). In elk van die gebieden staat er een optische node in contact met het overblijvende coax netwerk en is de node via glasvezel optisch verbonden met het kopstation. Dit gebeurt eventueel via verschillende glasvezellussen. Bij de meeste kabeloperatoren die over een HFC netwerk beschikken is Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS) de standaard technologie die gebruikt wordt om data over de kabel te leveren. Deze technologie wordt verder uitgebreid behandeld. Basiswerking HFC kabelnetwerken Het HFC toegangsnetwerk wordt afgebakend door de Cable Modem Termination System (CMTS) en de kabelmodem (CM) bij de gebruiker. De CMTS bevindt zich in het kopstation en is te vergelijken met de DSLAM van DSL netwerken. Dit is bijgevolg ook het punt waarnaar de term Central Office verwijst bij kabelnetwerken. Vanuit de CMTS gaat de data over optische vezel naar een optische node. Deze node bestrijkt een gebied van ongeveer 1100 gebruikers 11 en komt overeen met wat hierboven service area werd genoemd. Vanuit de optische node start het coaxnetwerk. In dit stuk zitten verschillende versterkers die de signalen in het coaxdeel bijregelen. Via een aftakdoos in de boomstructuur kan een kabelmodem toegang verkrijgen tot het coaxnetwerk. Uit bovenstaande beschrijving volgt dat alle kabelmodems van eenzelfde optische node hetzelfde stuk coaxkabel gebruiken. Een HFC netwerk is, dus in tegenstelling tot DSL, een gedeeld netwerk (Point to Multipoint P2MP). Dit heeft belangrijke implicaties op het netwerkgebruik. Dit wordt besproken in deel 2. 2. Technologie kabelnetwerken [10-11] 2.1 Coaxiale kabel 11 Node groottes voor Telenet in Vlaanderen 18

DEEL I HOOFDSTUK 2: KABELNETWERKEN Het laatste stuk van het HFC netwerk wordt over coax kabel gezonden. Zoals te zien is in figuur 1.2 laat coaxkabel een grotere bandbreedte toe voor een zelfde attenuatie. Het frequentiegebied van coax bevindt zich tussen 5 en 600 MHz. Deze bandbreedte is ongeveer 50 maal groter dan bij twisted pair. 12 Hierdoor kan men voor gelijke data rates een groter stuk van het toegangsnetwerk in coaxkabel laten. 2.2 Toegangstechnologie Het HFC netwerk is in essentie een gedeeld toegangsnetwerk. Daarom moeten methoden worden geïmplementeerd die de kabelmodems toelaten dit medium gecontroleerd te delen. Wanneer men deze methoden gebruikt om bidirectioneel verkeer te beschrijven spreekt men over duplexing. (Hoofdstuk 1) Er zijn 3 verschillende basistypes van toegangstechnieken. Die zijn op figuur 2.2 geïllustreerd. Figuur 2.2: FDMA TDMA - CDMA Frequency Division Multiplexing Access (FDMA) betekent dat verschillende kanalen zijn toegekend in de upstream band. Een kabelmodem zendt uit op één enkel kanaal met een eigen frequentie. Time Division Multiplexing Access (TDMA) duidt op het feit dat een bepaald kanaal door verschillende CMs wordt gebruikt door middel van dynamische toekenning van tijdsloten. Code Division Multiplexing Access (CDMA) is een techniek waarbij CMs op hetzelfde kanaal op hetzelfde ogenblik kunnen zenden met behulp van verschillende orthogonale codes. Het netwerkprotocol van kabelnetwerken, DOCSIS, ondersteunt enkel de 2 laatste toegangstechnieken: 12 VDSL maakt gebruik van een frequentiegebied 0-12 MHz 19

DEEL I HOOFDSTUK 2: KABELNETWERKEN TDMA Dit is de basisversie zoals hierboven beschreven. Het kanaal wordt verdeeld over de gebruikers door middel van een vast tijdslot. A-TDMA Dit is een verbeterde vorm van de basis TDMA. De A staat voor van advanced. Enkele van deze verbeteringen zijn: ondersteuning voor extra modulatie formaten, hogere symboolsnelheid en aanpassingen aan de preamble. (controlebits voor data) S-CDMA Synchronous CDMA is analoog aan de basis CDMA toegangstechniek. 2.3 Modulatie DOCSIS gebruikt alleen de QPSK en x-qam modulaties. Er worden wel verschillende modulaties ondersteund voor het US en het DS kanaal. De gebruikte modulatie heeft een invloed op de bit rate van het kanaal. Bij een US-kanaal van 6.4 MHz kan men 5120 symbolen per seconde doorzenden en afhankelijk van de modulatie is 1 symbool 2 bits (QPSK) tot 6 bits (64-QAM) groot. Volgende modulaties worden door DOCSIS ondersteund: Upstream: QPSK of 8-16-32-64 QAM. 13 Downstream: 64 of 256 QAM 2.4 DOCSIS 13 Dit komt dus overeen met een bit rate van 10 tot 31 Mbps. 20

DEEL I HOOFDSTUK 2: KABELNETWERKEN Figuur 2.3: DOCSIS concept [12-13] DOCSIS werd in 1997 door CableLabs ontwikkeld en definieert de interface standaarden voor kabelmodems en ondersteunde apparaten. Het doel van DOCSIS is om bij de kabeltelevisie een high speed datacommunicatiepad te voegen dat transparant is voor het Internet Protocol (IP). De originele DOCSIS standaard werd in Europa een beetje aangepast en omgevormd tot eurodocsis. De frequentiebanden en de breedte van de kanalen werden aangepast aan de Europese normen. De gebruikte concepten bleven echter dezelfde. Figuur 2.4: Spectrum [11] De CMTS zendt een digitaal gemoduleerd RF 14 signaal downstream naar de CM in de 65-600 MHz frequentie band. Binnen deze band worden er kanalen gevormd van 6 MHz voor DOCSIS en 8 MHz voor EuroDOCSIS. De CM zendt een upstream signaal in een frequentieband van 5-65 MHz, met maximale kanaalbreedte van 3.2 of 6.4 MHz bij respectievelijk DOCSIS 1.x en DOCIS 2.0/3.0. De DOCSIS standaard heeft sinds zijn ontstaan in 1997 al enkele veranderingen ondergaan. Deze zullen hieronder verder uitgelegd worden. De versie die nu het meest verspreid is, is DOCSIS 1.1. Maar sinds de introductie van DOCSIS 2.0 zijn vele operatoren bezig met het invoeren van deze versie. DOCSIS 1.0 DOCSIS 1.1 DOCSIS 2.0 DOCSIS 3.0 QoS Best effort Gegarandeerde QOS kanaal breedte Bit rate Max # Modulatie [Mhz] [Mbps] kanalen US DS US DS US DS Qpsk/16 3.2 10 1 QAM 64-256 51 6 15-8 QPSK QAM 31 6.4 /8-64 4 120 180 QAM Tabel 2.1: DOCSIS evolutie 14 Radio Frequency 15 6MHz voor DOCSIS en 8 MHz voor EuroDOCSIS 21

DEEL I HOOFDSTUK 2: KABELNETWERKEN DOCSIS 1.0 Dit is de eerste versie van de DOCSIS standaard, bedoeld om high speed Internet toe te laten. De standaard bevatte een set van specificaties die voorzien in een best effort 16 dienst voor Internet toepassingen. Deze standaard was niet in staat om gegarandeerd dataverkeer te ondersteunen. DOCSIS 1.0 leverde ook heel duidelijk een asymmetrische transmissie. De 1.x versies maken gebruik van TDMA als toegangstechnologie. DOCSIS 1.1 De eerste update van de standaard was vooral toegespitst op Quality of Service (QoS). Hierdoor ging men van best effort naar gegarandeerde diensten. QoS laat operatoren toe om verschillende diensten te leveren die een zeker niveau van controle vereisen. Voorbeelden hiervan zijn telefonie, interactief gaming en andere realtime toepassingen. Naast de QoS bevatte de 1.1 standaard ook verbeteringen in de beveiliging. Het ondersteunt kabel modem identificatie en levert een betere data-encryptie. Er werd ook ondersteuning toegevoegd voor SNMPv3 17. Hiermee liet het extra netwerkmanagement toe. DOCSIS 1.1 is ook volledig achterwaarts compatibel met de vorige versie (tabel 2.2), hierdoor was het mogelijk om het netwerk te upgraden met DOCSIS 1.1 CMTS die kunnen samenwerken met de originele kabelmodems. DOCSIS 2.0 Sinds DOCSIS 1.1 QoS en beveiliging toevoegde, lag de nadruk van de volgende standaard op het verbeteren van de performantie en een beter gebruik van de netwerkcapaciteit. De upstream capaciteit wordt verhoogd door het gebruik van geavanceerde modulatie technologieën en een verdubbeling van de kanaalbreedte. Naast de QPSK en 16 QAM wordt in DOCSIS 2.0 ook 8, 32 en 64 QAM ondersteund. De downstream capaciteit wordt echter niet verhoogd. Er worden twee nieuwe duplexing technieken toegevoegd: S-CDMA en A-TDMA. Ook deze versie van DOCSIS is compatibel met de vorige standaarden. 16 Best Effort, geen QoS, zie hoofdstuk 4 17 Simple Network Management Protocol, protocol van de applicatielaag voor netwerkmanagement 22