Kaapelimodeemi

29.4.1999

Jouni Kröger
Tietotekniikka
Teknillinen Korkeakoulu
Jouni.Kroger@hut.fi


Tiivistelmä

Kaapelimodeemi on olemassaolevia kaapelitelevisioverkkoja käyttävä tiedonsiirtojärjestelmä, jolla saavutetaan muutaman megabitin luokkaa olevia nopeuksia. Ongelmana kaapelimodeemitekniikan yleistymiselle ovat kuitenkin olleet kaapelitelevisioverkkojen yksisuuntaisuus. Kaapelimodeemiverkon arkkitehtuuri voidaan jakaa kahdeksaan toiminnalliseen osaseen. Kaapelimodeemi tulee yleistymään luultavasti paljonkin isoissa kaupungeissa, missä on jo olemassaoleva kaapelitelevisioverkko.

1 Johdanto

Kaapelimodeemi, kuten jo nimikin kertoo, toimii yleensä jo olemassa olevissa kaapelitelevisioverkoissa. Se tarjoaa megabittitason tiedonsiirtonopeutta, joka esim. ISDN:ään verrattuna on moninkertainen. Perinteiseen puhelinlinjamodeemiin verrattuna kaapelimodeemilla on jatkuva yhteys verkkoon, eikä mitään yhteydenmuodostamisia verkkoon tarvita.

Ongelma nykyisissä kaapelitelevisioverkoissa on kuitenkin se, että ne ovat suurimmaksi osaksi yksisuuntaisia. Tämä taas johtuu perinteisen television toiminnasta, joka perustuu vain kuvan ja äänen vastaanottamiseen, ei lähettämiseen. Siten tavallisessa yksisuuntaisessa verkossa voi kaapelimodeemin käyttäjäkin vain kuunnella verkkoa, mutta ei voi lähettää sinne mitään. Tämä on hidastanut kaapelimodeemin leviämistä.

Yksisuuntaisen verkon ongelmaa yritettiin aluksi ratkaisemalla tarjoamalla lähetyskanava tavallisen puhelinverkon kautta. Tämä järjestelmä ei kuitenkaan saanut laajaa suosiota, johtuen mm. jatkuvasti auki pidettävästä puhelinlinjasta.Yksisuuntaisuuden ongelmaa ollaan kuitenkin paraikaa monin paikoin korjaamassa muuttamalla nykyiset kaapelitelevisioverkot kaksisuuntaisiksi.

2 Kaapelimodeemiverkon toiminta

Kaapelimodeemiverkossa saavuttettavat teoreettiset nopeudet ovat arvioitu alalinkin suuntaan 30 Mbps ja ylälinkin suuntaan 10 Mbps. Käytännössä näistä jäädään kuitenkin huomattavasti johtuen mm. yhteisestä kaistasta, jonka monet asiakkaat jakavat. Käytännön maksimit voisivat siten olla esim. alalinkkipuolella 2-5 Mbps ja ylälinkkipuolella 0.5-2 Mbps. Mutta kuten sanottua, riippuu nopeus paljolti verkon operaattorista, mitän hän on verkon sisäisen kuormituksen halunnut jakaa.

Kaapelimodeemiverkot varaavat yleensä jonkun käyttämättömän televisiokanavan taajuuskaistan itselleen. Tyypillisesti alalinkin puolella käytetään jotain taajuuskaistaa välillä 54-750 MHz ja ylälinkin puolella välillä 5-42 MHz.
[2]


Kuva 1. Kaapelimodeemiverkon arkkitehtuuri. [4]

Tyypillinen kaapelimodeemiverkon arkkitehtuuri jakautuu kahdeksaan osaan (kuva 1). Itse kaapeliverkon alijärjestelmät ovat kuvattu harmaalle pohjalle. Verkon ulkopuoliset järjestelmä ovat taas valkoisella pohjalla.

2.1 Internet palvelimet

Kaapeliverkon ulkopuolisia järjestelmiä, joihin voidaan kaapeliverkon kautta ottaa yhteys.

2.2 Reititin alijärjestelmä

Reititin on Internet palvelimille ja muille vastaaville palvelimille ainut kaapeliverkosta näkyvä osio. Tätä kautta reitittyvät kaapeliverkon asiakkaille lähetetyt IP-paketit edelleen kaapeliverkkoon ja asiakkaan lähettämät IP-paketit julkisiin verkkoihin paketin IP-osoitteen perusteella.

2.3 Alalinkki alijärjestelmä

Reitittimen asiakkaalle välittämät IP-paketit tulevat tyypillisesti Ethernet verkkoa pitkin BNH:iin (broadband network hub). BNH jakautuu kolmeen moduuliin: MPM (master process module), DPM (downstream processor module) ja QAM (Quadrature amplitude modulation).

MPM toimii pääyksikkönä DPM:lle ja QAM:lle. Se kuuntelee Ethernet verkkoa ja välittää paketit Ethernet verkosta DPM:lle. DPM:n tehtävänä on muuntaa IP-paketit MPEG-paketeiksi. Lisäksi DPM välittää MPM:lle tilastotieto. DPM lähettää MPEG-paketin QAM:lle, jonka toimintoina ovat virheenkorjaus ja vaihe-modulointi, jota tarvitaan, jotta paketti voitaisiin lähettää kaapeliverkkoon (lisätietoja [1]).

2.4 RF (radio frequency) alijärjestelmä

RF:n tarkoitus on välittää QAM:lta saamansa syöte oikealle taajuuskaistalle kaapelimodeemiverkossa.

2.5 Asiakas yksikköt

Asiakasyksiköt, eli kaapelimodeemin ja tietokoneen yhdistelmä, ovat kiinnittyneenä kaapeliverkkoon ja kuuntelevat sen liikennettä. Kaapelimodeemin toiminnasta lähemmin luvussa 3.

2.6 Ylälinkki alijärjestelmä

Kaksisuuntaisessa verkossa samanlainen kuin alilinkkijärjestelmässäkin. Kuvassa 1 on kuitenkin esitetty yksisuuntaisen verkon toimintaperiaatetta ja siten asiakkaiden ylälinkille lähettämät paketit on lähetettävä puhelinlinjan kautta. Asiakkaan pitää tällöin muodostaa yhteys ylälinkkijärjestelmän modeemipankin kanssa. Modeemipankit välittävät lähetetyn informaation edelleen kaapelimodeemijärjestelmän yhteiselle reitittimelle.

2.7 Verkon hallinta

Sisältää verkonhallintayksikön, jonka avulla operaattori voi ylläpitää verkkoa. Lisäksi reititittimen kautta voidaan lähettää kyselyjä käyttäjien autentikoimiseen.

2.8 Paikallisen kaapeliverkon sisällöntuotannon palvelin

Koska kaapeliverkon ulkopuolelle otettavat yhteydet ovat yleensä huomattavasti hitaampia kuin kaapeliverkon sisäiset yhteydet. Siksi kaapeliverkkojen ylläpitäjät ovatkin yleensä rakentaneet verkon sisälle omia palvelujaan, joissa pystytään hyödyntämään täysipainoisesti kaapeliverkon tarjoama kapasiteetti.
[1,4,5]
 

3 Kaapelimodeemin toiminta


Kuva 2. Kaapelimodeemin toiminta. [2]

Kuvassa 2 on esitetty kaaviona kaksisuuntaiseen kaapelimodeemiverkkoon liitetyn modeemin toiminta. RF suodattaa kaapeliverkosta kaapelimodeemiverkon kaistalla kulkevan informaation ja lähettää sen eteenpäin demodulaattorille, mikä mikä demoduloi radioinformaation jälleen digitaaliseen muotoon (vaiheet 1,2,3). Vaiheessa 4 muutetaan demodulaattorin syöte Ethernet paketeiksi, ja lähetetään Ethernet NIC:lle, joka hoitaa pakettien välityksen PC:n ja modeemin välillä (4,5,6). Pakettien lähettäminen verkkoon toimii päinvastaisella tavalla (6,4,7,8,9).
[2,3]

4 Toiminta Suomassa

Suomessa jo useat suuret kaupungit ovat ruvenneet muuntamaan olemassaolevia yksisuuntaisia kaapelitelevisioverkkoja kaksisuuntaisiksi kaapelimodeemia varten. Liittymien hinnat vaihtelevat tyypillisesti välillä 300-500 mk kuukaudessa. Liikennöinti ei periaatteessa maksa enää lisää, mutta jotkut palveluntarjoajat ovat rajoittaneet kuukausittaisen käyttöajan tiettyyn määrään, jonka jälkeen laskuri alkaa veloittaa käytetyistä minuuteista.

5 Tulevaisuus

Kaapelimodeemeilla näyttäisi olevan vahva kasvupotentiaali. Mutta koko kansan käyttöön se ei tule ikinä ulottumaan, koska kaapeliverkkoja ei ole kannattavaa vetää haja-asutusalueille. Suurissa kaupungeissa kaapeliverkon luulisi kuitenkin yleistyvän, ellei sitten kaapeliverkkotekniikan lähimpänä kilpailijana tunnettu ASDL tekniikka pääse yllättämään.

Lähdeluettelo

[1] GecKo research & publishing, Cable Modem University, 9.3.1999 [viitattu 29.4.1999]
<http://www.catv.org/modem/>
[2]  Howell, Cable Modems and hybrid Fiber Coax Broadband Networks, marraskuu 1998 [viitattu 29.4.1999] 
<http://www.dell.com/r&d/wp/winter98/cablem.htm> 
[3]  Hybrid, Basics of Cable Modem System and Cable Modem, 18.3.1998 [viitattu 29.4.1999]
<http://www.webproforum.com/hybrid/topic02.html> 
[4]  NextLevel Systems, Cable Modems Tutorial, 2.9.1998 [viitattu 29.4.1999] 
< http://www.webproforum.com/nextlevel/index.html > 
[5]  PowerSurfr, Cable Modem Technology Primer,12.12.1998 [viitattu 29.4.1999]
<http://www.powersurfr.com/work.htm>