Kabelmodem

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Dieser Artikel erläutert speziell ein Zugangsgerät zum Internet über TV-Kabelnetze, zur allgemeineren Verwendung des Begriffs als Standleitungsmodem siehe unter Modem.

Kabelmodem

Als Kabelmodem bezeichnet man ein Gerät, das Daten über TV-Kabelnetze überträgt. Das Kabelmodem befindet sich beim Endkunden zwischen dem Kabelanschluss und dem 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 bis zu 1000 Endkunden.

[Bearbeiten] Verbreitung

Breitbandinternetzugänge über TV-Kabelnetze sind nach ADSL-Anschlüssen die am häufigsten verwendete breitbandige Zugangstechnik. Weltweit gab es Mitte 2004 ca. 38 Millionen Kabelmodems, davon die Hälfte in den USA. In der Schweiz und in Österreich gibt es jeweils ca. 400.000 Kabelmodem-Anschlüsse, etwa ebenso viele wie ADSL-Anschlüsse. Die deutschen Kabelnetze sind aus historischen Gründen in der Mehrzahl nur für Fernsehverteilung ausgebaut, vielerorts können die Signale nicht bidirektional übertragen werden, damit ist die Signalübertragung vom Benutzer zur Kopfstelle, von der aus die Fernsehkanäle ins Kabel eingespeist werden, oft nicht ohne Modernisierung möglich. So gab es in Deutschland Mitte 2005 nur knapp 200.000 aktive Kabelmodem-Anschlüsse.

Netzarchitektur für Internetzugang übers Kabelfernsehnetz

[Bearbeiten] Eigenschaften

Die 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 Kabelmodemteilnehmer müssen sich den für den Datenverkehr reservierten Frequenzbereich teilen. Für moderne Kabelnetze existiert diese Baumtopologie und damit der Flaschenhals des Teilens der Gesamt-Bandbreite nur für die letzte Meile (die im Gegensatz zum Telekomnetz aber nicht dereguliert ist), da von der Kabel-Kopfstelle bis zu der letzten Verteilstation das Signal für alle angeschlossenen Teilnetze parallel über Glasfaserkabel-Netze (siehe auch HFC) transportiert werden kann.

Eine Datenverschlüsselung nach dem Data Encryption Standard mit einer Schlüssellänge von 56 bit soll die Vertraulichkeit der Daten gewährleisten, nach aktuellen Erkenntnissen wären jedoch mindestens 128 bit zu empfehlen.

Je nach Ausführung können Kabelmodems eine Übertragungsgeschwindigkeit von vier bis zu 36 Mbit pro Sekunde in einer Richtung erreichen. Diese Werte sind jedoch wenig praxisrelevant. Einerseits wird die Maximalgeschwindigkeit vom Dienstanbieter in der Regel per Softwareeinstellung auf niedrigere Werte gedrosselt, um differenzierte Dienstklassen anbieten zu können. Andererseits wäre wegen des gemeinsam genutzten Frequenzbereichs die Maximalgeschwindigkeit nur erreichbar, wenn kein sonstiger Teilnehmer im Teilnetz den Dienst nutzt. Die angebotenen Geschwindigkeiten legen die Netzbetreiber nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten selbst fest. Sie reichen von ISDN-Geschwindigkeit bis zu 20 Mbit oder mehr pro Sekunde zum Teilnehmer und meist deutlich weniger in Gegenrichtung. Es hängt also von der Qualität des Netz-Ausbaus ab, ob die tariflich versprochene Leistung tatsächlich gehalten werden kann.

Meist wird das Modem vom Kabelnetzbetreiber dem Endkunden gestellt oder verkauft. Da der Kabelnetzbetreiber einer Wohnung seitens des Mieters nicht frei wählbar ist, kann ein Kunde sich 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 selbst gekauftes Modem zu nutzen, um einen Internetzugang über das Kabelnetz zu realisieren. Einige Netzbetreiber erlauben inzwischen die Verwendung selbst gekaufter 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 Kabelfernseh-Anschlussstelle 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 Frequenzsplitter, wie bei DSL-Anschlüssen zur Frequenztrennung von Telefon und Datensignalen eingesetzt, ist also nicht notwendig.

Als Telefonlösung wird kein ISDN angeboten, sondern stattdessen Telefonieren übers Internet-Protokoll, sogenanntes Voice over IP. Meist benötigt man dazu noch ein analoges Telefon, welches an den Kabel-Umsetzer angeschlossen wird.

[Bearbeiten] 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 Kabel-TV-Netzes werden in Sende- und Empfangsrichtung unterschiedliche Modulationsverfahren angewendet. In Empfangsrichtung werden Kanäle oberhalb von 450 MHz genutzt. Mit der aufwändigen Quadraturamplitudenmodulation 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 ein QAM-Verfahren für die Modulation zum Einsatz kommt.

[Bearbeiten] 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.