دسترسی به اینترنت از طریق زیرساخت‌های تلویزیون کابلی

کابل کواکسیال

اترنت 10مگابیت بر ثانیه مرسوم، همانند تلویزیون کابلی، از فناوری کابل کواکسیال بهره می‌گیرد (در اصل، این کابل دارای ویژگی‌های به‌نسبت متفاوتی است). یک کابل کواکس، شامل یک سیم داخلی است. این سیم داخلی، توسط یک عایق پوشیده شده است که خود توسط یک هادی خارجی، احاطه می‌شود. بنابراین سیم داخلی در مقابل تداخل ناشی از میدان‌های الکترومغناطیسی خارجی، محافظت می‌شود و در عین حال، هادی خارجی نیز یک اتصال زمین خواهد داشت و در نتیجه در مقابل تداخل، نفوذ‌نا‌پذیر خواهد بود. به این ترتیب، استفاده از همان کانال‌های تلویزیونی که برای پخش امواج تلویزیونی در هوا کاربرد دارند، در تلویزیون‌های کابلی نیز فراهم می‌شود. (البته تا حدودی، چرا که این عایق‌ها در عمل عایق کامل نخواهند بود).

تفاوت اساسی بین اترنت روی کابل کواکس و داده روی کابل تلویزیون، این است که اترنت، ولتاژ را به‌طور مستقیم به کابل منتقل می‌کند. به این ترتیب، گذار ولتاژ موجب ایجاد ٠ و ١ منطقی می‌شود. این شیوه مستقیم، ارسال باند پایه نامیده می‌شود‌. نام 10BASE2 نیز از نام همین شیوه گرفته شده است (ارسال باند پایه با نرخ ١٠مگابیت بر ثانیه در فاصله 200متر).پیاده‌سازی فرآیند ارسال باند پایه، ساده است. اما نقطه ضعف آن، این است که در یک لحظه، فقط یک سیگنال می‌تواند از طریق کابل، ارسال شود. بنابراین، با اتصال چند سیستم به یک کابل، فرآیند ارسال داده به صورت نوبتی انجام می‌گیرد و اگر داده‌ای از یک سیستم در حال ارسال بود، سیستم دیگر تا زمان آزاد شدن سیم، منتظر می‌ماند. هنگامی که دو سیستم اترنت‌، همزمان، به‌طور اتفاقی فرآیند ارسال داده را آغاز می‌کنند، هر یک از سیستم‌ها به سیستم دیگری اخطار می‌دهد که یک تداخل رخ داده است و باید فرآیند ارسال را کمی بعد‌تر، از نو امتحان کند. سپس با گذشت مدت کوتاهی، فرآیند ارسال دوباره از سر گرفته می‌شود. سیستم‌ها از زمان انتظار تصادفی استفاده می‌کنند، به این ترتیب معمولاً در فرآیند ارسال دوباره، تصادف رخ نمی‌دهد.

در یک شبکه کابلی، همه‌چیز کمی متفاوت‌تر است. با توجه به این که پخش گسترده تلویزیونی (و رادیو) روی یک کابل مشترک صورت می‌گیرد، سیگنال‌های دیجیتال به کانال‌هایی با ظرفیت ٦ مگاهرتز (یا در بسیاری کشور‌ها به کانال‌هایی با ظرفیت ٨ مگاهرتز) مدوله می‌شوند. در جهت downstream (ارسال داده از کابل به کاربر نهایی)، داده‌های دیجیتال از طریق یک کانال تلویزیونی استفاده نشده، حمل می‌شوند بخش قابل توجه، جهت upstream (ارسال داده از کاربر نهایی به کابل) است. خوشبختانه، در گذشته، شبکه‌های کابلی دارای ظرفیت محدودی در جهت upstream بودند که به آن‌ها زیرباند (sub band) نیز گفته می‌شد. این ناحیه، پایین‌ترین بخش باند فرکانسی است که برای تلویزیون کابلی مورد استفاده قرار می‌گیرد و بیشتر، به منظور جابه‌جایی اطلاعات مربوط به برنامه‌ها، از ایستگاه‌های دسترسی به اپراتور نهایی کابل به کار گرفته می‌شود. اپراتور نهایی کابل جایی است که کلیه تجهیزات مورد نیاز برای وارد کردن اطلاعات به شبکه کابلی، در آن قرار دارند.

فرکانس‌های بین ٥ مگاهرتز تا ٤٢ مگاهرتز یا ٦٥ مگاهرتز برای بازگرداندن ترافیک T مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ در حالی که فرکانس‌های بالاتر در محدوده یک گیگاهرتز، به منظور تبادل داده‌های downstream و upstream به کار گرفته می‌شوند

اشتراک زمانی پهنای باند

امروزه، زیر‌ساختی دوسویه با پهنای باند بالا در دسترس است. تنها مشکل این ساختار این است که چند کاربر به یک کابل مشترک متصل می‌شوند. در جهت downstream، این مسئله، نقص بزرگی به شمار نمی‌آید. درست مشابه یک شبکه اترنت، هر بسته از داده، به گیرنده منحصر به فردی، آدرس‌دهی می‌شود و هر کاربر، فقط بسته‌ای را دریافت می‌کند که آدرس گیرنده بسته، متعلق به او باشد. در جهت upstream، همه چیز کمی پیچیده‌تر است چراکه ممکن است چند کاربر، داده‌ها را همزمان ارسال کنند. با وجود این که به‌کار‌گیری مکانیسم تداخل و ارسال دوباره می‌تواند برای حل این مشکل مؤثر باشد، اما با افزایش طول کابل، این روش چندان کارآمد نخواهد بود. بنابراین، DOCSIS از تکنیک دسترسی چندگانه با تقسیم زمان یا TDMA بهره می‌گیرد که در شبکه‌های تلفن سلولی نیز به کار گرفته می‌شود. با استفاده از روش TDMA، یک کانال به بازه‌های زمانی کوچک تقسیم می‌شود (که به هر یک از این بازه‌ها، minislot گفته می‌شود) و سپس هر بازه زمانی، توسط سیستم Termination مودم کابلی یا CMTS اپراتور کابل، به مودم‌های کابلی اختصاص پیدا می‌کند. به طور معمول چند minislot طول می‌کشد تا یک بسته IP ارسال شود. CMTS می‌تواند با اختصاص بازه‌های زمانی بیشتر یا کمتر به یک مودم کابلی، به‌طور دقیق میزان پهنای باند به کار گرفته شده توسط هر مودم کابلی به منظور بارگذاری یا upload داده را کنترل کند.

زمان بندی و سرعت نور

از آنجا که مینی‌اسلات‌ها بسیار کوچک هستند (به طور معمول 000,40 مینی‌اسلات‌ در هر ثانیه)، زمان بندی یک ارسال متفاوت، بسیار حساس است. اگر مودم کابلی مشخصی، فرآیند ارسال داده‌ها را خیلی زود انجام دهد، در بازه زمانی قبل باقی خواهد ماند، اما چنان‌چه فرآیند ارسال را خیلی آهسته انجام دهد، دچار هم‌پوشانی با بازه زمانی بعدی خواهد شد. بنابراین، هر مودم کابلی باید به طور مناسب با CMTS همزمان‌سازی شود تا چنین مشکلاتی پیش نیاید.

مسئله این است که مناطق مسکونی مختلف، در فواصل متفاوتی از مراکز سرویس‌دهی قرار دارند و با وجود نرخ ارسال 25میکروثانیه در هر بازه زمانی، نمی‌توان از سرعت نور چشم‌پوشی کرد. چند مایل یا چند کیلومتر اختلاف در فاصله کابل بین دو منطقه مسکونی متفاوت، موجب می‌شود که یک منطقه، بازه زمانی مربوط به سایر مناطق را آلوده کند. بنابراین هنگامی که یک CM (سرنام Cable Modem) ، برای نخستین‌بار با CMTS تماس برقرار می‌کند، CMTS برای او، باز خورد یا فیدبکی ارسال می‌کند که حاوی اطلاعات مربوط به مدت زمانی است که طول می‌کشد تا یک ارسال CM به مقصد برسد. به این ترتیب، CM می‌تواند فرآیند ارسال را بر اساس این مدت زمان، تنظیم کرده و در بازه‌های زمانی که به آن اختصاص داده شده است، باقی بماند. هنگامی که این فرآیند با موفقیت انجام شود، مودم کابلی با CMTS همزمان شده و آماده تبادل بسته‌های IP است.

ویژگی‌های DOCSIS

ویژگی‌های اصلی DOCSIS 1.0 در سال 1997 توسط لابراتوارهای سرویس کابلی، گسترش یافت و در سال 1999 به آن گواهینامه اعطا شد. به دنبال آن، حدود سال‌های 1999تا2001، نسخه DOCSIS 1.1 و بین سال‌های 2001 تا 2002 نسخه 2.0 ارائه شد. مزیت DOCSIS 2 بر DOCSIS 1 را می‌توان از نظر انتقال داده در جهت upstream بررسی کرد چرا‌ که در محیط‌های دارای نویز و اغتشاش، از عملکرد و پهنای باند مطلوب‌تری برخوردار هستند. در DOCSIS 1، کانال‌های upstream می‌توانند پهنای باندی بین 200 کیلوهرتز تا 3200 کیلوهرتز داشته باشند. در DOCSIS 2، 6400 کیلوهرتز نیز اضافه شده است. سرعت بارگذاری یا upload در DOCSIS 2 نیز با بهره‌گیری از روش‌های جدید مدولاسیون که بیت‌های بیشتری را در هر به اصطلاح «نشانه» (Symbol) جای‌گذاری می‌کند، بهبود یافته است و به این ترتیب، روش کاملاً نوینی برای به اشتراک گذاشتن پهنای باند upstream بین چند مودم، فراهم شده است که آن را دسترسی چند‌گانه با تقسیم همزمان کد یا Synchronous Code Division (به اختصار S-CDMA) می‌نامند. S-CDMA به چند مودم کابلی این امکان را می‌دهد که در یک زمان، فرآیند ارسال داده را اجرا کرده و همچنین در مقابل نویزی که روی کانال‌هایی با پهنای باند کمتر از 20مگاهرتز وجود دارد، مقاوم باشند. در ادامه به بررسی مفصل مفاهیم S-CDMA و بیت بر نشانه می پردازیم.

مدولاسیون QAM

کنون برای آن دسته از افرادی که مهندس برق نبوده و زندگی در دوران dial-up را هم تجربه نکرده‌اند، مفهوم بیت بر نشانه را توضیح خواهیم داد. بدون به‌کار‌گیری روش ارسال باند پایه، سیگنالی که می‌خواهیم ارسال کنیم، توسط یک حامل یا carrier مدوله می‌شود. با این روش هر فرآیند ارسال می‌تواند بدون قرار گرفتن در مسیر ارسال دیگری، فرکانس منحصر به فرد خود را داشته باشد. با وجود این، هر بار که تغییری در سیگنال داده روی دهد، حامل از شکل طبیعی خود خارج شده و در سراسر باند فرکانسی، پخش خواهد شد. محدوده تداخل با فضای فرکانسی مجاور، توسط فرکانس‌های موجود در سیگنالی که مدوله می‌کنیم، مشخص می‌شود و به تعداد دفعاتی که در هر ثانیه سیگنال داده را تغییر می‌دهیم، بستگی دارد.

به این ترتیب، باند فرکانس مجاز، از نظر تعداد دفعاتی که در هر ثانیه می‌توانیم سیگنال داده را تغییر دهیم، دارای محدودیت است. به همین دلیل، داشتن نرخ ارسال بیش از 2400 باود (واحد تغییرات بر ثانیه) برای مودم‌ها روی شبکه تلفن که باند فرکانسی از 300 هرتز تا 3400 هرتز را فراهم می‌آورد، امکان پذیر نیست. با وجود این، همه چیز را از دست نداده‌ایم. دلیلی وجود ندارد که نتوانیم نشانه‌هایی جز ‘0’ و ‘1’ داشته باشیم. بنابراین به جای استفاده از صفر و یک‌های منطقی، برای رمز‌گذاری حامل، می‌توانیم تعداد مقادیر بیشتری را به کار گیریم. به عنوان مثال، با استفاده از dial-up استاندارد V.32 از نرخ انتقال 2400 باود (baud) برخوردار می‌شویم. اما هر یک از 2400 تغییر در ثانیه، می‌تواند حداقل بین 16نشانه مجزا رخ دهد. به این ترتیب، یک مودم می‌تواند با داشتن نرخ بیت 9600بیت بر ثانیه، 4بیت در هر نشانه ارسال کند. به طور تصادفی، یکی از مدولاسیون‌هایی که در DOCSIS در جهت upstream مورد استفاده قرار می‌گیرد، با مدولاسیون به کار گرفته شده برای مودم 9600بیت بر ثانیه، یکسان است. اما با وجود پهنای باند 1600کیلوهرتز به جای 3,1 کیلوهرتز، DOCSIS 2.0 نرخ نشانه 160 تا 512 کیلوهرتز و 2 تا 7 بیت بر نشانه را با استفاده از مدولاسیون QPSK (شیفت ربع فاز با هر بار کلید زنی و انتقال دو بیت بر نشانه) و 8QAM تا 12QAM (انتقال 3 تا 7 بیت بر نشانه) پشتیبانی می‌کند. QAMمدولاسیون ربع دامنه یا Quadrature Amplitude Modulation است. در چنین سیستمی، به‌محض این که هم در فاز و هم در دامنه حامل، یک شیفت رخ می‌داد، یک نشانه رمز‌گذاری می‌شد. به عنوان مثال در 16QAM، حامل دارای چهار شیفت مجزای فاز و چهار شیفت دامنه مجزا است. این نوع مدولاسیون‌ها معمولاً به صورت منظومه‌ای ترسیم می‌شوند تا همه ترکیب‌های ممکن را نمایش دهند.

مهندسان برق معمولاً پیرامون بخش‌های حقیقی و موهومی یک نشانه بحث می‌کنند که به آن‌ها این امکان را می‌دهد که از علم ریاضیات مبتنی بر عدد موهومی ‘i’ که ریشه دوم -1 است، استفاده کنند تا رمزنگاری‌های پیچیده را با سرعت بالا و به طور کارآمد، محاسبه کنند.