Au départ, DOCSIS était un moyen de standardiser l’accès à Internet à travers un réseau de télévision hybride fibre coaxial (HFC). À l’époque, le transport de données Internet n’était qu’une offre accessoire de la télévision par câble. De nos jours, à l’ère du streaming, l’accès à Internet est devenu le produit principal sur de nombreux marchés. Il va sans dire qu’une telle évolution a également modifié les exigences en matière d’infrastructure.

Au début des années 1990, le grand public avait encore difficilement accès à Internet. Celui-ci passait principalement par des coupleurs acoustiques et les tout premiers modems sur ligne téléphonique. C’est à cette époque que quelques câblo-opérateurs ont commencé à proposer des modems câble propriétaires. Face à la croissance rapide de la demande, certains fournisseurs d’infrastructures, fournisseurs de contenu et fabricants de matériel se sont accordés pour normaliser les composants de l’infrastructure. C’est de cette démarche commune qu’est née la spécification DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification), dont la version 1.0 fut déployée en 1997. DOCSIS est rapidement devenue la norme adoptée par l’UIT-T (Union internationale des télécommunications – secteur de la normalisation des télécommunications). En 2017, cet organisme de normalisation a publié la version 4.0 de DOCSIS, laquelle permet des débits maximaux de 10 Gbit/s en débit descendant et de 6 Gbit/s en débit montant. Il a existé, jusqu’à la version 3.1, une variante européenne nommée EuroDOCSIS. Ceci s’explique du fait que les canaux du câble ont en Europe une largeur de bande de 8 MHz conforme au standard PAL/DVB-C, tandis qu’elle est de 6 MHz en Amérique du Nord afin de correspondre au standard NTSC/ATSC.

DOCSIS en tant qu'élément du réseau

DOCSIS offre une variété d’options disponibles au niveau des couches OSI 1 et 2, à savoir la couche physique et la couche de liaison de données. L’IPv6 étant pris en compte depuis la version 3.0, les modems DOCSIS sont désormais gérés au moyen d’une adresse IP.

Couche 1

• Modulation :
  • En amont : les modulations utilisées pour les données en amont dans la version 1.x de DOCSIS étaient la QPSK et la 16-QAM. Les possibilités de modulation se sont étendues aux 8-QAM, 32-QAM et 64-QAM avec les versions ultérieures. DOCSIS 2.0 et 3.0 prennent également en charge la 128-QAM avec modulation codée en treillis en mode S-CDMA qui présente une efficacité spectrale effective équivalente à celle du 64-QAM. DOCSIS 3.1 prend en charge les modulations de données depuis la QPSK jusqu’à la 1024-QAM et offre même une prise en charge facultative de la 2048-QAM et de la 4096-QAM.
  • En aval : toutes les versions antérieures à DOCSIS 3.1 spécifient une modulation de données en aval en 64-QAM ou 256-QAM avec le standard de l’IUT-T J.83-Annexe B pour les canaux à largeur de bande de 6 MHz et le standard de modulation DVB-C pour les canaux à largeur de bande de 8 MHz (EuroDOCSIS). À partir de DOCSIS 3.1, les modulations 16-QAM, 128-QAM, 512-QAM, 1024-QAM, 2048-QAM et 4096-QAM sont pris en charge, avec prise en charge facultative de la 8192-QAM et de la 16384-QAM.

• Largeur de bande :
  • En amont : DOCSIS 1.0/1.1 spécifie des largeurs de bandes comprises entre 200 kHz et 3,2 MHz. DOCSIS 2.0 et 3.0 spécifient des canaux de 6,4 MHz mais peuvent utiliser les largeurs de bande antérieures plus étroites pour assurer la compatibilité ascendante. DOCSIS 3.1 peut utiliser une largeur de bande passante jusqu’à 96 MHz en amont.
  • En aval : toutes les versions de DOCSIS antérieures à 3.1 utilisent soit des canaux de 6 MHz (par exemple en Amérique du Nord), soit des canaux de 8 MHz pour la norme EuroDOCSIS. DOCSIS 3.1 utilise des canaux avec une bande passante jusqu’à 192 MHz en aval.

Couche 2

• DOCSIS utilise un plusieurs méthodes d’accès déterministes pour le transport de données en amont. Il s’agit plus spécifiquement du TDMA (accès multiple par répartition temporelle) pour DOCSIS 1.0/1.1 et du TDMA associé au S-CDMA pour DOCSIS 2.0 et 3.0, ce qui permet de limiter les collisions lors de demandes de bande passante. Les systèmes DOCSIS sont ainsi relativement peu sujets aux collisions, contrairement au système MAC CSMA/CD utilisé dans les anciens systèmes Ethernet et qui repose entièrement les collisions.
• Dans les versions 1.1 et ultérieures de DOCSIS, la couche de données comprend également des fonctionnalités étendues de qualité de service (QoS) permettant une prise en charge efficace des applications présentant des exigences spécifiques en matière de trafic, comme une faible latence pour la VOIP, par exemple.
• DOCSIS 3.0 propose la liaison de canaux qui permet à un même abonné d’utiliser simultanément plusieurs canaux montants et descendants.

Architecture de réseau

Une architecture DOCSIS se compose de deux composants principaux : un modem câble installé dans les locaux du client et un système de terminaison de modem câble (CMTS) situé à la tête de réseau de télévision par câble. Les systèmes de câbles prenant en charge la vidéo à la demande (VOD) utilisent un système hybride fibre coaxial. Les lignes à fibre optique transmettent les signaux numériques aux nœuds optiques du système, où ils sont convertis en canaux RF et en signaux de modem sur des lignes principales coaxiales.

Le PC du client et les périphériques associés sont appelés « équipement des locaux d’abonnés » (ou plus communément CPE d’après l’abréviation anglaise). Le CPE est connecté au modem câble, qui est, à son tour, connecté via le réseau HFC (réseau constitué à la fois de lignes en fibre optique et de câbles coaxiaux) au CMTS. Le CMTS achemine ensuite le trafic entre le HFC et Internet. Le câblo-opérateur contrôle la configuration du modem câble à l’aide de systèmes d’approvisionnement et via le CMTS.

Même si les signaux peuvent parcourir de très longues distances sans accuser trop de déperdition, il faut à un moment donné tout de même les amplifier. Qorvo propose une large gamme de produits (tous disponibles chez Mouser Electronics) prenant en charge l’infrastructure DOCSIS 4.0, parmi lesquels des amplificateurs faible bruit (LNA), des étages de gain de pré-pilote, des doubleurs de puissance haute puissance pour pilotes push-pull et tous les étages RF actifs au sein du nœud optique. Le fabricant propose également des solutions de chemin de retour fonctionnant de 5 MHz à 700 MHz et élargit sa gamme de produits de commande avec notamment des commutateurs absorbants/réfléchissants de 75 ohms, des atténuateurs numériques sans déformation, des atténuateurs commandés en tension et des égaliseurs à capacité variable.

Le module amplificateur doubleur de puissance hybride QPA3314 fonctionne de 45 MHz à 1,794 GHz et offre en plus d’une fiabilité élevée et d’un fiable bruit une très haute linéarité et de bonnes performances en termes de perte de réflexion. Le QPA3314 est le cœur du système de nœud et amplificateur 1,8 GHz DOCSIS 4.0. Le QPA3314 offre 23 dB de gain et fonctionne à 530 mA max et 24 V CC. Grâce à une broche supplémentaire sur le boîtier du module, le courant continu peut être ajusté en externe pour une distorsion optimale de la consommation électrique sur plusieurs niveaux de sortie.           

Le circuit intégré amplificateur RF asymétrique QPL7420 constitue un autre type de solution. Il s’agit d’un LNA GaAs pHEMT avec un gain plat de 20 dB et un faible bruit. Ce circuit intégré est conçu pour les applications de 5 MHz à 684 MHz en amont et de 47 MHz à 1 794 MHz en aval. Il utilise pour cela une alimentation en tension unique entre 5 V et 8 V en fonction des exigences de linéarité. Le QPL7420 offre un faible bruit et une distorsion et un gain élevé. Il est logé dans un boîtier QFN 3x3, ce qui en fait un choix pratique tant pour la configuration que pour la conception dans des projets de décodeurs et d’infrastructure pour des applications de télévision par câble de 75 ohms ou par satellite.

Perspectives

Bien que la télévision traditionnelle soit en déclin, l’infrastructure câblée subit actuellement les transformations nécessaires afin de répondre aux exigences de l’Internet haut débit avec des débits de données croissants. De nouvelles solutions basées sur les semi-conducteurs permettent de déployer des technologies de pointe et offrent des perspectives de mise à niveau à l’aide des versions successives de DOCSIS.