Kabelmodem

Kabelmodem

Als Kabelmodem bezeichnet man ein Gerät, das Daten über Kabelfernsehnetze überträgt und zur Realisierung von Breitband-Internetzugängen über Kabelanschlüsse (Kabelinternet) eingesetzt wird.

Das Kabelmodem befindet sich beim Endkunden zwischen dem Kabelanschluss und dem Router bzw. Computer. Die Verbindung zum Computer erfolgt entweder über Ethernet oder über den USB-Port. Es gibt auch Kabelmodems, die mit einem Wireless Access Point kombiniert sind und eine Funkverbindung zum Computer aufbauen. Solche Ausführungen werden oft als Wireless Cable Modem Gateway bezeichnet. Das Gegenstück zum Kabelmodem beim Kabelnetzbetreiber wird Cable Modem Termination System (CMTS) genannt. Ein CMTS bedient je nach Ausbaustufe bis zu 50.000 Endkunden.

Verbreitung

Der Breitband-Internetzugang über Kabelfernsehnetze ist nach dem mittels Telefonleitung realisierten ADSL-Verfahren die am häufigsten verwendete breitbandige Zugangstechnik. In den 30 OECD-Staaten gab es Ende 2006 circa 57 Millionen Internetzugänge mittels Kabelmodem (entsprechend einem Marktanteil von knapp 30 % am gesamten Breitbandmarkt), davon etwas mehr als die Hälfte in den USA. In der Schweiz und in Österreich gab es jeweils grob 0,7 bzw. 0,5 Mio. Internetzugänge mittels Kabelanschluss bei 2,1 respektive 1,4 Mio. Breitbandanschlüssen.^[1]

Die deutschen Kabelfernsehnetze sind aus historischen Gründen in der Mehrzahl nur für Fernsehverteilung ausgebaut; vielerorts können die Signale nicht bidirektional übertragen werden, womit die Signalübertragung vom Benutzer zur Kopfstelle, von der aus die Fernsehkanäle ins Kabel eingespeist werden, nicht ohne Modernisierung möglich ist. Da diese Umbauarbeiten aufwendig und kostenintensiv sind, werden sie über mehrere Jahre gestreckt; Ende September 2007 gab es in Deutschland etwa eine Million Kabelinternetzugänge bei 18 Mio. DSL-Anschlüssen.

Netzarchitektur für Internetzugang übers Kabelfernsehnetz

Eigenschaften

Die vom PC an der USB- oder Ethernet-Schnittstelle empfangenen Daten werden im Kabelmodem in ein mit dem Kabelnetz kompatibles Übertragungsformat umgewandelt. Dabei werden die Frequenzbereiche einiger Kabelfernsehkanäle exklusiv für die Datenübertragung genutzt. Angepasst an die beim „Surfen“ im Internet typische Verkehrslast, können die Frequenzbereiche so genutzt werden, dass mehr Übertragungskapazität in Richtung zu den Teilnehmern als in Gegenrichtung zur Verfügung steht. Eine optimale Zuordnung der Frequenzen ist auch deshalb wichtig, weil das Kabelnetz eine Baumtopologie aufweist. Ein Kabel von der Kopfstelle verzweigt auf seinem Weg unterhalb der Straßen vielfach und bedient bis zu mehrere hundert Kabelfernsehkunden. Alle an einem Baum angeschlossenen Kabelinternetteilnehmer müssen sich den für den Datenverkehr reservierten Frequenzbereich teilen. Für moderne Kabelnetze existiert diese Baumtopologie und damit der Flaschenhals des Teilens der Gesamtbandbreite nur für die letzte Meile (die im Gegensatz zum Telekomnetz aber reguliert ist), da von der Kabelkopfstelle bis zu der letzten Verteilstation das Signal für alle angeschlossenen Teilnetze parallel über Glasfaserkabelnetze (siehe auch HFC) transportiert werden kann.

Eine Datenverschlüsselung nach dem Data Encryption Standard mit einer Schlüssellänge von 56 Bit (DOCSIS 1.0) bzw. 128 Bit (DOCSIS 1.1/2.0) soll die Vertraulichkeit der Daten gewährleisten. Inzwischen gibt es DOCSIS 3.0 bei den großen Kabelanbietern. Somit ist es möglich, Frequenzbänder bzw. Frequenzkanäle zu verbinden und weit über 100MBit/s zu erreichen.

Je nach Ausführung können Kabelmodems eine Übertragungsgeschwindigkeit über 120 Mbit pro Sekunde in beiden Richtungen erreichen. Die angebotenen Geschwindigkeiten legen die Netzbetreiber nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten selbst fest. Sie reichen von ISDN-Geschwindigkeit bis zu 120 Mbit pro Sekunde zum Teilnehmer und meist deutlich weniger in Gegenrichtung.

Meist wird das Modem vom Kabelnetzbetreiber dem Endkunden gestellt oder verkauft. Da der Kabelnetzbetreiber einer Wohnung seitens des Mieters nicht frei wählbar ist, kann sich ein Kunde also seinen Provider nicht frei aussuchen. Solange sich noch keine einheitlichen Standards für den Zugang durchgesetzt hatten, war es ebenfalls nicht möglich, ein unabhängig vom Kabelnetzbetreiber selbstgekauftes Modem zu nutzen, um einen Internetzugang über das Kabelnetz zu realisieren. Einige Netzbetreiber erlauben inzwischen die Verwendung selbstgekaufter Modems, wenn das Modem für die eingesetzte DOCSIS-Version zertifiziert ist. In jedem Fall muss das eigene Modem aber beim Netzbetreiber registriert werden, um den Zugang zu erlauben.

Im Haushalt kann das Kabelmodem an jeder Kabelfernsehanschlussstelle angeschlossen werden. Lediglich in einigen alten innerhäuslichen Kabelnetzen kann es notwendig sein, das Kabelmodem direkt am Zugangspunkt (meist im Keller) anzuschließen. Dies ist der Fall, wenn in der Hausverteilung noch alte Kabelverstärker installiert sind, die nicht bidirektional verstärken. Man kann diese gegen neue Modelle austauschen, um das Kabelmodem an allen Anschlussstellen im Haus betreiben zu können.

Die Extraktion der Internetdaten wird im Kabelmodem selbst vorgenommen (siehe weiter unten). Ein separater Frequenzsplitter, wie er bei DSL-Anschlüssen zur Frequenztrennung von Telefon und Datensignalen eingesetzt wird, ist also nicht notwendig.

Als Telefonlösung wird Voice over Cable eingesetzt, eine Variante der IP-Telefonie. Dazu wird in der Regel ein analoges Telefon ans Kabelmodem angeschlossen. In Deutschland stellen die Kabelnetzbetreiber seit Ende 2007 auch Kabelmodems mit S₀-Bus zum Anschluss von ISDN-Endgeräten und -Telefonanlagen bereit.

Alternativ kann auch zur Telefonie ein IP-Datenstrom über den Netzwerkanschluss nach dem SIP-Standard verwendet werden.

Ein Kabelmodem bietet meist zwei Anschlussvarianten für den PC an:

• Das Modem wird über einen USB-Anschluss mit dem PC verbunden. Dies setzt einen speziellen Treiber für das Betriebssystem voraus, welcher in der Regel ausschließlich für Microsoft Windows zur Verfügung gestellt wird. Außer der Beschränkung auf Windows ergibt sich andererseits jedoch der Nachteil, dass weitere Rechner im heimischen Netzwerk (LAN) nur dann Internetzugang haben, wenn der Rechner, an dem das Modem angeschlossen ist, eingeschaltet und für die Weiterleitung der Netzwerkdaten konfiguriert ist. Außerdem darf das Modem – und damit auch der Telefonanschluss – aufgrund der begrenzten maximalen Kabellänge von USB, nicht zu weit weg vom Rechner stehen.
• Völlig betriebssystemunabhängig ist dagegen die Variante, den PC über ein Ethernet-Kabel an das Modem anzuschließen, außerdem kann dieses Kabel erheblich länger sein als bei USB. Verfügt das Kabelmodem nicht über einen eingebauten Router, kann zwischen PC und Modem ein Router geschaltet werden, wodurch der unabhängige Internetzugang für mehrere Rechner im LAN oder WLAN ermöglicht wird.

Übertragungsverfahren

Als weltweiter Standard für die Modulationsverfahren und andere Schnittstelleneigenschaften hat sich der in den USA entwickelte DOCSIS-Standard (Data Over Cable Service Interface Specification) durchgesetzt. In Europa gab es konkurrierende Vorschläge (DVB-RCCL, DAVIC), die sich aber nicht am Markt etablieren konnten. Die Besonderheiten der europäischen Kabelnetze wie Frequenzplan und höhere Kanalbandbreite von acht statt sechs Megahertz werden in einem Anhang zum DOCSIS-Standard berücksichtigt (EuroDocsis). Es gibt verschiedene Versionen des Standards (1.0, 1.1 und 2.0). Während die Erweiterung von DOCSIS 1.0 auf 1.1 nur aus Softwareanpassungen bestand, enthält DOCSIS 2.0 verbesserte Verfahren für Fehlerkorrektur und Vielfachzugriff (S-CDMA und A-TDMA). Damit wird die nutzbare Datenrate nochmals erhöht, besonders für den Rückkanal.

Die Daten für beide Übertragungsrichtungen werden auf unterschiedliche Frequenzbänder aufmoduliert, um eine bidirektionale Übertragung zu ermöglichen. Für die entsprechende digitale Signalverarbeitung werden hochintegrierte Schaltungen mit digitalen Signalprozessoren eingesetzt.

Wegen der Baumstruktur des Kabelfernsehnetzes werden in Sende- und Empfangsrichtung unterschiedliche Modulationsverfahren angewendet. In Empfangsrichtung werden Kanäle oberhalb von 450 MHz genutzt. Mit der aufwendigen Quadraturamplitudenmodulation (QAM) werden die digitalen Signale auf die Trägerfrequenzen aufmoduliert.

Für gesendete Daten (Rückkanal) wird gemäß Euro-Docsis 2.0 ein Frequenzband von 10 bis 65 MHz genutzt, wobei als Modulationsverfahren Quadraturphasenumtastung (QPSK) zum Einsatz kommt.

Aufbau und Funktionsweise

Funktionsprinzip des Kabelmodems

Die wesentlichen Funktionsblöcke eines Kabelmodems sind im Bild gezeigt:

• Der Tuner stellt die für Hin- und Rückkanal zu verwendenden Frequenzen ein. Der Diplexer leitet die Empfangsfrequenzen an den Demodulator und fügt die vom Modulator kommenden Signale in das Kabelnetz ein. Er erfüllt somit eine Funktion, die in der klassischen analogen Fernsprechtechnik durch die Gabelschaltung erfüllt wurde.
• Der Demodulator erzeugt aus dem analogen Signal einen digitalen Datenstrom, der im Media-Access-Control-Teil fehlerkorrigierend decodiert wird. Die Daten werden in der CPU so aufbereitet, dass sie per Ethernet oder USB-Schnittstelle an den PC geleitet werden können.
• Der Modulator übernimmt den vom MAC-Baustein kommenden Datenstrom und wandelt ihn in das analog übertragene Signal um.
• Der MAC-Baustein (Media Access Controller) hat eine zentrale Funktion. Neben der Kodierung und Dekodierung der Daten steuert er den Zugriff auf den Rückkanal für zu sendende Daten. Er teilt sich diese Aufgaben mit der
• CPU, die außerdem die Gerätesteuerung und den Datenaustausch mit dem PC übernimmt.

TV-Anschlussdosen und Multimediaanschlussdosen

Multimedia-Kabeldose mit 3 Anschlussbuchsen

Der Anschluss eines Kabelmodems erfolgt über eine geeignete TV-Antennendose an einen Kabelanschluss des Kabelfernsehens. Diese Anschlussdosen können zusätzlich zu den zwei IEC-Steckbuchsen für Radio- und TV-Apparate eine dritte Anschlussmöglichkeit für ein Kabelmodem besitzen. Bei diesen Anschlussdosen, die auch als Multimediaanschlussdosen bezeichnet werden, kann die Einstreuung von Störsignalen in das Kabelnetz über die Radio- und TV-Steckbuchse in den Upstream, der in der Regel dem Frequenzbereich von 5–65 Mhz erfolgt, mit Filtern deutlich reduziert werden.

Um Störungen zu vermeiden, sollte die Montage und der Austausch dieser Anschlussdosen stets durch einen vom Kabelnetzbetreiber beauftragten Fachbetrieb erfolgen.

Mit den Einsatz eines kapazitiven Mantelstromfilters am Antenneneingang können Störungen von anderen Geräten durch sogenannte Brummschleifen vermieden werden.

Störungen bei Kabelmodems

Der Sende- und Empfangspegel der Kabelmodems ist genormt. Häufige Ursachen von zeitweiligen Störungen sind schwankende oder zu schwache Pegel im Kabelnetz oder Störungen durch mangelhafte Abschirmungen.

Das Kabelmodem sollte auch bei Störungen permanent aktiv sein, um so dem Provider die Möglichkeit zu geben, den Pegel des Rückkanals und das Signal-Rausch-Verhältnis zu messen.

Für den sicheren und störungsfreien Betrieb eines Kabelmodems müssen dafür geeignete TV-Antennendosen installiert sein. Auch nach der Antennendose sollte zur Vermeidung von Störungen stets hochwertiges Installationsmaterial und nach Möglichkeit keine zusätzlichen Verteiler oder Weichen bis zum Kabelmodem verwendet werden.

Als Verstärker können bei Bedarf nur entsprechende bidirektionale oder rückkanalfähige Geräte eingesetzt werden.

Literatur

Mark E. Laubach/David J. Farber/Stephen D.Dukes: Delivering Internet Connections over Cable, New York 2001. ISBN 0-471-38950-1

Quellen

1. ↑ Verbreitung von Breitband-Anschlüssen in den OECD-Staaten

Weblinks

• Funktionsweise und Systemvergleich von Kabelmodemsystemen
• Überblick über technische Möglichkeiten und Hürden