Az ábra olyan kétirányú rendszert mutat, amelyben két lézerforrás található
7. A mobiltelefon-rendszer
8.3. A spektrum kiosztása
Ha a szolgáltatók kihajítanák a tv-csatornákat, és kizárólag internet-hozzáférésre használnák a kábeles infrastruktúrát, az valószínűleg meglehetősen sok ideges előfizetőt jelentene nekik, így a kábelüzemeltetők kétkedéssel tekintenek erre a lehetőségre. Ezenkívül a legtöbb város igen szigorúan szabályozza, hogy mi mehet a kábeleken, így a kábelrendszerek üzemeltetői ezt akkor sem tehetnék meg, ha nagyon akarnák. Mindezek következtében meg kell oldaniuk azt, hogy a televízió és az internet megférjen egymás mellett ugyanazon a kábelen.
A megoldás a frekvenciaosztásos multiplexelés használatára épül. Az észak-amerikai kábeltévé-csatornák az 54 és 550 MHz közötti tartományt foglalják el (az FM-rádió 88 és 108 MHz közötti sávját kihagyva). Ezek a csatornák 6 MHz szélesek, amiben benne vannak a védősávok is, és egy hagyományos analóg televíziócsatornát vagy több digitális televíziócsatornát tudnak átvinni. Európában a sáv alsó határa általában 65 MHz, és a csatornák 6–8 MHz szélesek a PAL és a SECAM által megkövetelt nagyobb felbontási képesség miatt, de a kiosztási elrendezés ettől eltekintve hasonló. A sáv legalsó részét nem használják. A modern kábelek már jóval 550 MHz fölött is képesek működni, gyakran 750 MHz-ig vagy még nagyobb frekvenciáig is. A megoldás az volt, hogy a feltöltési csatornáknak az 5–42 MHz-es (Európában valamivel nagyobb) sávot jelölték ki, és a spektrum felső végén levő frekvenciákat használják a letöltésekhez. A kábelek spektrumát a 2.52. ábra szemlélteti.
2.52. ábra - Egy internet-hozzáféréshez használt tipikus kábeltévérendszer frekvenciakiosztása
Mivel a televízió jelei mind lefelé haladnak, felfelé lehetséges olyan erősítőket alkalmazni, amelyek csak az 5–
42 MHz-es tartományban működnek, lefelé pedig olyan erősítőket, amelyek csak az 54 MHz feletti frekvenciákon működnek, ahogyan ez az ábrán is látható. Ezzel a megoldással aszimmetrikussá tesszük a rendszer sávszélességét a két különböző irányban, mivel nagyobb frekvenciatartomány van a tv-csatornák felett, mint alattuk. Másrészt viszont a forgalom nagy része valószínűleg amúgy is lefelé haladna, így a kábeles szolgáltatókat ez a tény egyáltalán nem keseríti el. Amint azt már korábban láttuk, a telefontársaságok általában annak ellenére is aszimmetrikus DSL-szolgáltatást nyújtanak, hogy erre semmilyen műszaki okuk nincsen.
Az erősítők fejlesztésén kívül az üzemeltetőknek a fejállomást is fel kell fejleszteniük, buta erősítőből olyan intelligens digitális számítógéprendszerré, amely nagy sávszélességű üvegszálakkal csatlakozik egy ISP-hálózathoz. Gyakran a nevet is tovább „fejlesztik”, és az új fejállomásokat inkább CMTS-nek(Cable Modem Termination System – kábelmodem-véglezáró rendszer) nevezik. A könyv hátralevő részében tartózkodni fogunk ettől a névtovábbfejlesztő tevékenységtől, és a hagyományos „fejállomás” szóhoz fogunk ragaszkodni.
8.4. Kábelmodemek
Az internet-hozzáféréshez egy kábelmodemre is szükség van. Ez olyan eszköz, amelyen két interfész található:
egy a számítógép és egy a kábelhálózat felé. A kábeles hozzáférésű internet első éveiben minden hálózatüzemeltetőnek saját gyártmányú kábelmodemje volt, amelyet a kábeles cég technikusa telepített a felhasználónál. Ennek ellenére hamar nyilvánvalóvá vált, hogy egy nyílt szabvány versenyhelyzetet teremtene a kábelmodemek piacán, és ezzel lecsökkentené az árakat, vagyis ösztönözné a szolgáltatás terjedését.
Mindezeken felül az, hogy a felhasználó boltban megvehetné a kábelmodemet, és saját maga telepíthetné (ahogyan a vezeték nélküli hozzáférési pontokat is), kiiktathatná a drága helyszíni kiszállásokat.
Mindezek következtében a nagyobb kábelszolgáltatók egy CableLabs nevű vállalkozásba tömörültek, hogy kidolgozzanak egy kábelmodemes szabványt, és hogy ellenőrizzék a kész termékek szabványosságát. Ez a szabvány, a DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification – kábelszolgáltatáson keresztül történő adattovábbító interfészek specifikációja) mostanában kezdi leváltani az egyedi kialakítású modemeket. A DOCSIS 1.0 változat 1997-ben jött ki, és hamarosan követte a DOCSIS 2.0, 2001-ben. Ennek megnövekedett a feltöltési sebessége a szimmetrikus szolgáltatások – mint amilyen például az IP-telefon – jobb támogatása érdekében. A szabvány legújabb változata a DOCSIS 3.0, amely 2006-ban jelent meg. Ez nagyobb sávszélességet használ mindkét irányú sebesség növelése érdekében. Az európai változatot EuroDOCSIS-nek nevezték el. Nem minden kábelszolgáltatónak tetszik azonban a szabványos modemek megjelenése, mivel közülük sokan kerestek nagy pénzeket azzal, hogy a tehetetlen felhasználóiknak bérbe adták a modemeket. Egy
nyílt szabvány és a több tucat gyártó, amelyeknek a kábelmodemjeit boltban meg lehet vásárolni, véget vet ennek a nagy hasznot hajtó tevékenységnek.
A modem és a számítógép közötti interfész teljesen magától értetődően adódik. Általában Ethernet, illetve egyes esetekben USB. A másik vég (a modem és a kábelhálózat közötti interfész) sokkal bonyolultabb, mivel egyaránt használ FDM-et, TDM-et és CDMA-t a kábel sávszélességének előfizetők közötti megosztásához.
Amikor a kábelmodemet csatlakoztatják az elektromos hálózathoz és áram alá kerül, pásztázni kezdi a letöltési csatornákat egy olyan különleges csomag után kutatva, amelyben a fejállomás időnként kiteszi a kábelre a rendszer paramétereit az újonnan bekapcsolt modemek részére. Miután megtalálta ezt a csomagot, az új modem az egyik feltöltési csatornán bejelenti a jelenlétét. A fejegység a válaszában kijelöli a modem feltöltési és többletterhelést okozó fejrészeket, akkor a nettó felhasználói adatsebesség körülbelül 27 Mb/s, QAM-256 esetén pedig körülbelül 39 Mb/s. Az európai értékek ennél 1/3-dal nagyobbak.
Feltöltés esetén több RF-zaj van, mivel a rendszert eredetileg nem adatokhoz tervezték, és a sok előfizetőtől származó zaj a fejállomásra koncentrálódik, így konzervatívabb séma kerül alkalmazásra. Ez a QPSK-tól a QAM-128-ig terjed, ahol a szimbólumok egy része hibajavításra kerül felhasználásra Trellis-kódmodulációval.
Azáltal, hogy kevesebb bit van szimbólumonként a feltöltésben, a feltöltési és a letöltési sebesség közötti folyamatot távolságbecslésnek (ranging) hívják. A megfelelő időzítés miatt fontos, hogy a modem ismerje a távolságot a fejegységig. Minden felfelé haladó csomagnak bele kell férnie egy vagy több egymást követő miniszeletbe. A fejállomás rendszeresen bejelenti, amikor új miniszeletcsoport kezdődik, de ezt a bejelentést a kábelen való terjedési idő különbségei miatt a modemek nem egyszerre hallják. Mivel azonban minden modem ismeri a fejegységtől mért távolságát, ki tudja számolni, hogy mikor volt az első miniszelet tényleges kezdete. A miniszeletek hossza az egyes hálózatokon különböző. Egy tipikus miniszeletben 8 bájtnyi felhasználói adat található.
Az inicializálás folyamán a fejállomás minden modemhez hozzárendel egy olyan miniszeletet, amelyben a feltöltési sávszélesség-igényét bejelentheti. Amikor egy számítógép el akar küldeni egy csomagot, átadja a csomagot a modemnek, amely ezután a csomag továbbításához szükséges számú miniszeletet igényel.
Amennyiben a fejállomás a kérést elfogadja, nyugtázó csomagot tesz a letöltési csatornára, amelyben megírja a modemnek, hogy mely miniszeleteket foglalta le a csomagjának. A modem ezután a kijelölt miniszeletekben elküldi a csomagot, és ha további csomagokat akar átvinni, a fejléc egyik mezőjében igényelhet további miniszeleteket.
Ugyanahhoz a miniszelethez több modem van rendelve, ami versenyhelyzethez vezet. Ez kétféleképpen kezelhető. Az első, hogy a CDMA megosztja a miniszeleteket az előfizetők között. Ez megoldja a versenyhelyzet problémáját, mivel az összes CDMA-kódsorozattal rendelkező előfizető egyszerre küldhet, ha csökkentett sebességgel is. A második lehetőség, hogy a CDMA nem kerül felhasználásra. Ebben az esetben a modem véletlen ideig vár, majd újból próbálkozik. Minden egymást követő kudarc után a véletlen várakozási idő lehetséges hossza megkétszereződik. (A hálózatokat már valamennyire ismerő olvasó felismerheti, hogy ez az algoritmus lényegében az időszeletelt ALOHA a kettes exponenciális visszalépés algoritmussal. Az Ethernetet azért nem lehet a kábelrendszereken használni, mert az állomások nem érzékelik a közeget. Ezekre a kérdésekre még visszatérünk a 4. fejezetben.)
A letöltési csatornákat a rendszer másképpen kezeli, mint a feltöltési csatornákat. Ennek egyik oka, hogy csak egy küldő van (a fejállomás), így nem alakulhat ki versenyhelyzet és semmi szükség nincs a miniszeletekre, amelyek tulajdonképpen csak a statisztikus időosztásos multiplexelést valósítják meg. A másik ok az, hogy a lefelé haladó forgalom általában sokkal nagyobb a felfelé haladónál, ezért lefelé 204 bájtos rögzített méretű
csomagokat használnak. Ennek egy része egy Reed–Solomon-hibajavító kód és némi egyéb többletteher, így a felhasználói adatok részére 184 bájt marad. Ezekre a számokra az MPEG-2 kódolású digitális televíziózással való kompatibilitás miatt esett a választás, hogy a tv- és a letöltési csatornák kialakítása azonos lehessen.
Logikailag az összeköttetések a 2.53. ábrán látható módon épülnek fel.