DOCSIS 3.1

DOCSIS 3.1 は、DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) という通信規格の現在のイテレーションです。この規格は、高速・高帯域幅のデータ転送およびすべてのインターネットサービスの、ケーブルモデムとの関連で使用されている既存の同軸ケーブル回線への追加を規制するものです。

原版が 1998 年に CableLabs により策定されたこの規格は、複数の改訂を経て、その後毎年サービススピードの面で急成長を見せてきました。

DOCSIS のテストやサービス展開を行う請負業者や作業者は、この使いやすいテストセット上で高度な機能を有効にする必要があります。VIAVI は、あらゆるサービスプロバイダをサポートするテスト機器を幅広く揃えており、あらゆる DOCSIS 3.1 ケーブルモデムおよびルーターのサービスを提供しています。 当社のDOCSIS メーターは市場最速で、お客様の時間とコストを節約します。

ファイバーは同軸ケーブルに比べて帯域幅および速度の面でいくつかの利点がありますが、チャンネルボンディングなどの最先端技術のおかげで DOCSIS はファイバーとのギャップを狭めています。DOCSIS 3.1 は、他の面でもファイバーの合理的な代替品として他製品から差別化してきています。DOCSIS 3.1 は優れた速度と利点を提供します。

全二重の開発により、DOCSIS の将来は今後数年間約束されるようです。事実、通信界のインサイダーは DOCSIS 4.0 が完了すると、6GHz までの利用可能なケーブルスペクトルを使用することでケーブルインターネットのダウンストリームは DOCSIS 3.1 の 6 倍の 60Gbps に達することをほのめかしています。これらの期待をそそる性能向上の兆しにより、DOCSIS の上昇傾向は来る 10 年間もとどまることを知らないと予想されます。

DOCSIS 規格

1994 年、米国電気電子学会 (IEEE) は国際ケーブルモデム規格を策定するための業界エキスパート作業部会を結成しました。その後 2 年を過ぎても待ち望まれた規格がまだ実現されなかったため、ケーブル通信事業者は Multimedia Cable Network System Partners Ltd. (MCNS) を結成して独自の新企画の草案を開始しました。その結果が DOCSIS 1.0 でした。

CableLabs は 1998 年に DOCSIS 機器の認証制度を開始し、異なるベンダー製機器間の相互運用性を打ち立てました。その後複数イテレーションを重ねて、DOCSIS 3.1 および 3.1 フルデュープレックスの誕生に至りました。国際電気通信連合 (ITU) は複数版の DOCSIS を国際 DOCSIS 規格として批准しましたが、米国外では 「EuroDOCSIS」 など、異なる周波数や帯域幅の割り当てを含めるために、個別の拡張規格が必要となる場合もあります。認証は多くの場合、原産国または地域内の独立機関が実施します。

DOCSIS 速度の向上

ケーブルテレビの激増が同軸ケーブル接続の共通規格策定の原動力となったのは確かですが、その結果、帯域幅需要の留まることのない増加に遅れを取らない、インターネットデータ伝送の超高速モードが実現されました。

初期の DOCSIS インターネット接続はそれ以前のどの接続をも凌ぐ速度を達成しましたが、当初の適応段階では同軸テレビケーブル経由のインターネット伝送という構想自体が十分に革新的なものであったと思われます。1999 年に DOCSIS 1.1 が到来したとき、焦点は DOCSIS の速度を向上させることではなく、プライバシーの改善とトラフィックの優先順位付けによるサービス品質 (QoS) の向上でした。まだ単一チャンネルを使用しながら、DOCSIS ダウンロード速度は 40Mbps を記録しました。一方、標準的な DOCSIS アップロード速度は 10Mbps でした。

ピアツーピアファイル共有や VoIP など、対称アプリケーションが必要とするアップロード速度の向上を得ることが、新しいミレニアム世代の開発者にとっての課題となりました。2002 年にリリースされた DOCSIS 2.0 では、より広い帯域幅の使用により、DOCSIS アップロード速度が 30Mbps まで向上しましたが、ダウンロード速度は DOCSIS 1.1 のままでした。

ストリーミングやその他のデータ使用の激しい革新の出現により、DOCSIS 速度と容量のさらなる向上が必須となりました。既存の同軸回線の置き換えや再設計は実行可能なオプションではなかったため、指数的な速度の向上が得られた一方で、より大量のトラフィックが同一幾何空間に押し込まれることが必要となりました。これを高速道路で実現しようとすると、最低でも交通渋滞を招くことは間違いありません。DOCSIS 3.0 は、この難題に挑戦するために出現した革新でした。

DOCSIS 3.0 の最大速度

ファイバーは、帯域幅と速度においては、同軸ケーブルより優っていることに疑いの余地はありません。超薄プロファイルで、長距離における低消費電力かつ光速度での伝送を実現する、FTTH (Fiber to the Home) を含む光ファイバーケーブルのサービス展開により、速度と信頼性が大きく向上しました。DOCSIS が取り残されないようにするには説得力のある改善が必要であり、DOCSIS 3.0 は 1Gbps を超える最大ダウンロード速度を提供しながらアップロード速度を 200Mbps 以上に上げることに成功しました。この DOCSIS 速度の飛躍的な向上を可能にした革新的なテクノロジーはチャンネルボンディングでした。

ここでの「ボンディング」とは、データをセグメント化したものを複数チャンネルを通して送信した後、送信先でデータを再合成することで、利用可能な帯域幅をより効率的に使用する方法を意味します。モデムにとっては、ボンドされたチャンネルは物理的には離散しており互いに隣接しているとは限りませんが、1 つの大きいチャンネルの個別の部分ピースです。この進化により、ケーブルモデムがデータの送信と受信両方で複数直角位相振幅変調 (QAM) チャンネルを組み合わせてグループにできるようになりました。

追加の各チャンネルごとに、その方向へのデータ搬送容量が倍加します。例えば、40Mbps 上り回線/30Mbps 下り回線 DOCSIS 2.0 構成は、DOCSIS 3.0 を使用すると下り回線で 32x、上り回線で 8x となり、最大合計速度 1.2Gps 上り回線/240Mbps 下り回線が得られます。

DOCSIS 3.1 の最大速度

高速インターネットサービスがレースであるとすれば、光ファイバーは確実な勝者です。波長分割多重方式 (WDM) および空間多重方式 (SDM)などの新しい革新技術を用いることで、9.6Tbps を超えるファイバー経由での伝送速度がテストで記録されています。これは、DOCSIS 3.1 の最高速度のおよそ 1000 倍です。従来方式ケーブルの物理的な限度を考慮すると、性能のこのギャップは決して完全に埋めることはできません。DOCSIS 3.1 は、他の重要面でも実現可能な位置づけを保つために他製品から差別化してきています。

サービス展開コストの面において、DOCSIS 3.1 では、これらのインターフェイスをフィードするケーブルはますますファイバーで置き換えられてはいるものの、ノードと契約者間の「ラストマイル」での同軸インフラを維持できます。このラストマイルは、純粋な FTTH 敷設では掘る、耕す、敷設、接続作業のほとんどが行われる場所であるため、DOCSIS 3.1 オプションの金銭的な含みは多大なものです。

DOCSIS 3.1 は DOCSIS 3.0 と完全に下位互換であり、これはユーザーは機器を全面的に交換する必要なく、既存のモデムを継続使用できることを意味します。この下位互換性により、DOCSIS イテレーション間での段階的でシームレスな移行が可能になります。 誤り訂正の改善も DOCSIS 3.1 に含まれるため、4096QAM および最大 16384QAM までの拡張もサポートされるようになります。

• DOCSIS 3.1 のダウンロード速度
  DOCSIS のダウンロード速度はユーザーのニーズを一貫して満たし続けており、DOCSIS 3.0 からの 10 倍の改善によりこの仕様が 10Gbps までも向上しました。これは主として、信号間の空間を最小化することで有限空間内により多くの信号を詰め込むためにデザインされた高度な変調方式である直交周波数分割多重方式 (OFDM) の導入により実現されたものです。
• DOCSIS 3.1 のアップロード速度
  DOCSIS 3.1 のアップロード速度は 2Gbps に達することが可能です。これにより、以前はアップロードに数時間かかっていた大型ファイル、ビデオ、その他のコンテンツもほぼ即時で伝送できるようになりました。バーチャルリアリティやゲーミングといった新しいアプリケーションにより、ここでも対称データ配信の需要が高まり、上りと下りの両回線で 10Gbps の速度を提供するために全二重 DOCSIS 3.1 が作成されました。これは、同一スペクトルを使用した上りと下りの両方向での 10Gbps の同時伝送を意味します。
• DOCSIS 3.1 の上り回線
  現在の上り回線性能の重視を考慮すると、DOCSIS 3.1 上り回線伝送品質を最適化できる各機会をフルに活用することが重要です。ケーブルモデム終端システムリターンポートの等価は、これを実現する一つの方法です。もう一つの重要考慮事項は、上り回線の変調プロファイルです。変調誤り率に注意を払うことで、変調シグナルに含まれる情報の実際の量を定量化して最適化することができます。

DOCSIS 3.1 の遅延

近年、伝送速度はほとんどのユーザーの要件を超えるようになったため、ウェブページのアップロードや通信応答の遅延、およびその他の性能上の問題は DOCSIS の早期に比べてより遅延に依存するようになってきました。多くのウェブページでは、完全に読み込むまでに多数回往復する必要があるため、毎回 500ms 程度の遅延でも累積されて容易に感じられるようになります。

DOCSIS 3.1 テクノロジーは、パケットキューアルゴリズムにより改善され、パケットの総遅延に多大な改善がもたらせられました。これは、オンラインゲーミングなど、目に見えるシステム遅延により敏感なアプリケーションでは特に重要です。DOSCIS 3.1 にはアクティブキューマネジメントが搭載されており、これによりトラフィックフローやバッファレベルを最適化するために伝送制御プロトコル (TCP) が監視されます。低遅延 DOCSIS (LLD) テクノロジーは、遅延をわずか 1ms までに低減します。

DOCSIS のプロビジョニング

DOCSIS ネットワークは、適切なプロビジョニングステップを実施してネットワークを DOCSIS 3.1 用にセットアップおよび最適化しない限り、完全に実現されません。例えば、契約者は多様なモデムやデバイスを使用することができますが、ファームウェア管理を統合するプロビジョニング戦略により、最適性能に必要な最新更新がインテリジェントに展開されることが保証されます。

DOCSIS 構成ファイルの検証は、エラーの低減と効率的なデバイス登録に重要なもう一つのプロビジョニング機能です。既存のプロビジョニングプラットホームに加えられる新しいデバイスは自動的に検出され、DOCSIS のバージョンが識別されます。このようにすることで、適切なサービスをそのユーザーに割り当てることができます。プライバシーとセキュリティは、DOCSIS のプロビジョニングで対処できるもう一つの QoS 事項です。デバイスのリースを日常的にスキャンするサービスは、不正ユーザーを検出してブロックし、不要なネットワーク侵入を防止するために使用されるアプローチの一つです。

DOCSIS 3.1 は、クリエイティブな物理レイヤー (層) の使用、革新的な変調プロセス、および高度なプロビジョニングプロトコルを通して DOCSIS プラットフォームでの高速インターネット会話を維持します。過去 20 年間にわたる 5 世代の DOCSIS により実証されたとおり、速度および品質の改善は常に可能です。DOCSIS 3.1 の速度は既にテラビット範囲に進入しましたが、これはほんの出だしに過ぎない可能性があります。

このケーブルテレビの普及は、1990 年代中期のインターネットの到来と時を同じくしています。早期のインターネットテクノロジーは、ダイヤルアップモデムを使用しており、オンライン中は電話回線を使用できず、通信速度は 56 Kbps 程度でした。進化の次のステップであったデジタル加入者線 (DSL) は、通信速度が改善され、既存の固定回線に依存しないという利点をもたらしました。

これらの改善にもかかわらず、DSL は依然としてツイストペア電話回線アーキテクチャに依存していました。1990 年代の後期までには、既存の同軸ネットワークを新しく論理的なインターネットパスウェイとする可能性が認識され、DOCSIS 規格がケーブルモデムを相互接続するための共通仕様を提供するに至りました。

オリジナルの DOCSIS バージョン 1.0 は下り 40Mbps および上り 10Mbps のインターネット通信速度に過ぎなかったものの、これは DSL に比較すると 10 倍もの改善となっています。将来への進路が明らかになる。DOCSIS 2.0 では、下り速度は改善されなかったものの、上り速度は 3 倍の 30Mbps に達しました。2006 年の DOCSIS 3.0 のリリースはもう一つの大きな進展をみせており、チャンネルボンディングテクノロジーにより、長年待ち望まれていた下り速度の増加が達成され、驚くべき 1Gbps に到達、一方上り速度は 30Mbps に近づきました。ビデオストリーミング、ソーシャルメディアおよびユーザーの受け入れの増加が継続し、限界を押し広げることとなりました。この急増する需要を満たすために、DOCSIS 3.1 はこの基礎的なテクノロジーを次のレベルに押し上げました。

最新のイテレーション DOCSIS 3.1 はさらにレベルを引き上げ、下り速度が 10Gbps で上り速度が 2Gbps までという向上を見せ、サービスプロバイダーが顧客にギガビットインターネットサービスを提供できるようになりました。この範囲の速度はそれまでには光ファイバーテクノロジーを使用してのみ可能であったため、DOCSIS 3.1 テクノロジーによるこのブレークスルーは、宅内接続に使用されている同軸ケーブルを維持しても性能が大きく影響されることがないという柔軟性をサービスプロバイダにもたらすことになりました。

DOCSIS 3.1 の複数の先進機能により、ケーブルが超高速領域でも妥当なプレイヤーとしてとどまれることとなりました。3.1 のサービス展開は下位互換性があるため、高速移行を遅らせた顧客もモデムをアップグレードできます。DOCSIS 3.1 でのこの改善により、DOCSIS の基本コンポーネントをより詳細に吟味し、速度、帯域幅、および信頼性をその中で最適化するに値することになりました。

物理層
物理層 (PHY) はその名が示すとおり、機器、配線、伝送に使用される周波数など、目に見えるハードウェア要素を指します。25～50 kHz の搬送波を使用することで、かつてはほんの少数のアナログテレビチャンネルのみを収容していたケーブル内で、数千もの信号が通信できるようになりました。これらの信号は副搬送波の形を取り、信号を個別要素に分解し、後で受信機によって再結合されるようにすることで、密度と処理量を最適化します。

OFDM
狭い搬送波を使用するためには、ガードバンドや信号間のスペースを最小化または排除することが必要です。DOCSIS 3.1 では、これは直交周波数分割多重方式 (OFDM) によって達成されました。この方式では、最初に DOCSIS 3.0 で見られた既存のチャンネルボンドの概念を使用して、数学的な直交という原理の上に構築します。根本的には、横にピッタリつけて並べた副搬送波信号を直交的に交互に伝送することで、受信機が個々の信号を正確に復調できるようにします。この概念は、図的には 1 つの波のピークを隣接する同一周波数の波の低ポイントに揃えることと同等です。

順方向誤り訂正
前方誤り訂正 (FEC) は、受信機が重複信号のエラーを検知して再送信する必要なく訂正できるようにする手法です。DOCSIS 3.1 の新機能の一つに、低密度パリティ検査 (LDPC) として知られる FEC 方式があります。FEC は DOCSIS の旧バージョンにもありましたが、エンコーディングの改善により LDPC コードエラーをほぼ 100% 訂正可能となりました。この改善により、ノイズ回復力が増し、より高いレベルの変調が可能となりました。

DOCSIS 3.1 の周波数範囲
DOCSIS 3.1 の周波数範囲は段階的に拡張されてきました。この広い範囲全体は、上りと下りの超高速を達成する上で重要な要素の一つです。現在の 3.1 の周波数範囲は 5～1218MHz で、上限が 1794MHz に達します。DOCSIS 3.0 の周波数上限は多少低く 1002MHz でした。3.1 スペクトル以内のチャンネル帯域幅は上りが 96MHz、下りが 192MHz に達し得ます。

2006 年にリリースされた DOCSIS 3.0 の DOCSIS 2.0 からの改善は顕著かつタイムリーなものでした。今回のリリースまでには、アプリケーションのユーザー数と必要な帯域幅は共に相当な増加が見られています。DOCSIS 3.0 は上りと下り両方の著しい速度の向上と IPv6によってそれらの懸念に対処しました。IPv4 でサポートされていたアドレス数が限界に達しつつあったため、ユーザー人口の増加の面で後者は特に著しいものでした。

DOCSIS 3.0 の最も革新的で比類のない特徴であり、DOCSIS 3.1 でさらに利用が進んだのは、チャンネルボンディングだと言えましょう。これにより、ケーブルモデムがデータの送信と受信両方で複数 直角位相振幅変調 (QAM) チャンネルを組み合わせてグループにできるようになりました。DOCSIS 3.0 テクノロジーは複数の 6MHz チャンネルをボンディングすることで、速度と帯域幅を比例的に増加させました。

新しい DOCSIS レビジョンごとの改善は、根本的な物理ケーブルが経時的に不変のままであったことを考慮すると真に注目に値します。DOCSIS 3.0 はチャンネルボンディングにより革新的なものになりましたが、DOCSIS 3.1 は今では OFDM の革新的な使用により著名になっています。

この概念を基盤として、6MHz チャンネルがより一層高い密度でパックできる 25 または 50kHz チャンネルで置き換えられました。エネルギー管理の改善は DOCSIS 3.1 に含まれているもう一つの改善ですが、あまり知られていません。DOCSIS 3.1 ケーブルモデムはスリープモードを使用するようになり、これによってシャットオフ時間をインテリジェントに決めることで効率が改善されました。

DOCSIS 3.1 以前は、ファイバートゥザホーム (FTTH) が最高次のデータ伝送速度を求める消費者にとって唯一のオプションでした。光ファイバーネットワークがソースとユーザー間で普及するにつれて、光ファイバーの敷設ベースと究極的には光ファイバーによる同軸ケーブルの置き換えは当然の結論だと思われていました。DOCSIS 3.1 は、高速が必要となった環境での家庭への従来的な同軸接続の継続的な妥当性がもたらされました。

これらのネットワークの大部分向けの包括的なアーキテクチャは HFC (Hybrid Fiber Coax) です。これは、光ファイバーが近くのエリアにフィードされ、同軸ケーブルが光ファイバーノードとユーザー間の「ラストマイル」を提供し続けることを意味します。FTTH が採用された場合と比較し、同軸から光ファイバーへの移行が必要なくなります。

FTTH の敷設と DOCSIS 3.1 へのアップグレードは共に多大な投資を必要としますが、両オプション共並外れた性能を提供します。光ファイバーと同軸ケーブル間の適切なバランスは、既存の同軸ケーブルの状態と古さ、ユーザーの帯域幅要件、およびコストの考慮事項によって異なります。光ファイバーのコンパクトなサイズと多機能性は DOCSIS 3.1 同軸ネットワークの最大効率でのフィードをしやすくします。

DOCSIS 4.0 はケーブルネットワーク経由でのシンメトリックサービスを提供しながら、進化を継続しています。これは、同一スペクトルにわたる上りと下りの両方向での 10Gbps の同時伝送を意味します。以前の DOCSIS リリースでは、スペクトルの低い部分は上り専用で、高い部分は下り専用となっていました。全二重のスペクトル共有は、自己干渉除去とインテリジェントスケジュールの使用を通して達成されます。

上り性能の向上が全二重にとっての真のブレークスルーです。DOCSIS 3.1 は、ストリーミング、ゲーミングおよびその他の高帯域幅アプリケーションに対するユーザーの要求をうまく満たすことができていますが、革新の次波と出現しつつあるユーザーベースは光ファイバーと結束した上り性能を必要とします。

全二重 DOCSIS 3.1 はケーブルネットワーク経由でのシンメトリックサービスを提供しながら、進化を継続しています。これは、同一スペクトルにわたる上りと下りの両方向での 10Gbps の同時伝送を意味します。以前の DOCSIS リリースでは、スペクトルの低い部分は上り専用で、高い部分は下り専用となっていました。全二重のスペクトル共有は、自己干渉除去とインテリジェントスケジュールの使用を通して達成されます。
上り性能の向上が全二重にとっての真のブレークスルーです。DOCSIS 3.1 は、ストリーミング、ゲーミングおよびその他の高帯域幅アプリケーションに対するユーザーの要求をうまく満たすことができていますが、革新の次波と出現しつつあるユーザーベースは光ファイバーと結束した上り性能を必要とします。

全二重の開発により、DOCSIS の将来は今後数年間約束されるようです。事実、通信界のインサイダーは DOCSIS 4.0 が完了すると、6GHz までの利用可能なケーブルスペクトルを使用することで下り速度は DOCSIS 3.1 の 6 倍の 60Gbps に達することをほのめかしています。これらの期待をそそる性能向上の兆しにより、DOCSIS の上昇傾向は来る 10 年間もとどまることを知らないと予想されます。