Det svenska företaget Incoax i Gävle tillverkar modem för utbyggnad av accessnät via befintligt kabel-TV-nät, något som man trodde var på tillbakagång i Sverige, huvudsakligen på grund av de låga hastigheterna och det faktum att allt flera vill ha digital-TV, Internet och telefoni i form av Triple-Play.
Så var det, när den gamla standarden DOCSIS gällde. Som tur är, är den överspelad, till förmån för GoCA.
InCoax GoCA-modem för 100 Mbps och 4 UTP-kontakter. Arbetsfrekvenser: 1,0, 1,15, 1,325 och 1,5 GHz.
– Är det inte lite bakåtsträvande att bygga ut Internet via koax när det finns UTP? frågar vi Helge Tiainen, marknadschef för InCoax.
– Det är alltid bra att kunna nyttja befintlig infrastruktur. Ingen skulle bygga en motorväg när det redan finns en motorväg. Det var detsamma med bredbandsutvecklingen. Det fanns telefonledningar. Därför grävde man inte ned nya kablar utan uppfann ADSL och VDSL. Numera vill man ha gigabithastigheter och då räcker inte telefontråden till. Vilken annan infrastruktur finns? Koaxialkabel finns i de flesta hus och den är gjord för högfrekvens. I Sverige tycker vi om att dra UTP och fiberkablar, men åker man ned till Tyskland, som är en tio gånger större marknad, är det inte tal om att dra nya kablar i hus. ”Die Hausfrau” förbjuder det. Det får inte finnas några paneler och rör utan allt ska gömmas i väggen och det gör det omöjligt för bredbandsoperatörerna att nå många kunder. France Telecom, British Telecom och Deutsche Telekom gick på en mina helt enkelt, när de ville försöka med fiber på kontinenten. Fastighetsägarna vägrade.
Helge Tiainen, ursprungligen gymnasist från den ädla orten Södertälje, har ett långt förflutet inom hemelektronikbranschen. Han började med att bygga radiostationer åt studenterna på Linköpings Tekniska Högskola, men hamnade snart på Nokia som affärsutvecklare. Tillsammans med ett par kollegor startade han InCoax Networks Europe AB. Företaget har idag huvudkontor, utveckling och sammansättningsfabrik i Gävle, försäljningskontor finns i Nacka, Jyväskylä, Milano och i Paris medan kretskortstillverkningen tilldrar sig i Dongouang, en bit från Hongkong.
– I Sverige har vi bostadsrättsföreningar med en styrelse som kan ta upp frågan och de unga kan rösta igenom en installation. I utlandet rör det sig ofta om andelslägenheter, som man antigen bor i eller hyr ut i andra hand. Om någon på årsmötet inte vill vara med och betala, blir vissa lägenheter inte anslutna. Skulle operatörerna dra UTP själva skulle kostnaden för UTP-nätet bli 40% av hela fiberinvesteringen. Man uppskattar att det finns 230 miljoner lägenheter i Europa som potentiellt behöver Internet. Kostnaden för ett UTP-nät i varje hus skulle bli nästan oöverstiglig.
– Jag citerar ur Akamais State of the Internet Report från andra kvartalet 2011: Akamai uppskattar att hälften av de länder man noterar i Europa har 90%-ig bredbandstäckning (>2 Mbps) och sex av dem ligger över medelhastigheter på 5 Mbps. De snabbaste länderna ökade sina medelhastigheter med mer än 100 % sedan samma tid förra året och Spanien med över 200%. Man kan också notera att smalbandig internetåtkomst (<250 kbps) bara används i större grad i sex europeiska länder, nämligen Frankrike, Italien, Spanien, Turkiet, Tyskland och (ähum) Sverige. Tyskland intar en topposition i Europa med nästan 35 miljoner unika IP-adresser och Frankrike ligger på andra plats med dryga 24 miljoner. Längre ned på listan återfinner vi England (23 M), Italien (14 M) och Spanien (13 M). Det är där er markand är?
– Och vänder man på det och tittar på hur hög penetrationen med fiber till hemmet är, så har vi 40-45% i Sverige, medan det knappt är mätbart i Tyskland. Det finns fiber i gatorna, men det enda sättet att nå kunden med hög hastighet i Tyskland är kabel-TV-nätet. Telekomoperatörerna tappar kunder idag för 2 Mbps räcker inte om man vill tanka upp en fotobok eller titta på video.
En av EUs räddningsfonder innehåller nio miljarder Euro som ska användas till att förse Europa med bättre bredband. Bredbandsfrågan är viktig för Europas politiker för det medger att folk kan komma närmare varandra, kan jobba hemifrån och spara miljön. Och ändå är Europa långt efter Japan och Korea. Fiberpenetrationen är idag faktiskt högst i Litauen, men i Tyskland är det som sagt nästan noll. Även i Sverige är bostadsrättsföreningarna allt mer intresserade av att nyttja sitt befintliga koaxnät. I och med den nya lagen om elektronisk kommunikation får inte kabel-TV-operatörerna hindra andra att finnas med på nätet. Lagändringen har gått igenom i hela Europa. Vår princip öppnar alltså koaxnäten för konkurrens.
I nybyggnation är det en annan sak. Där drar man UTP, men det går långsamt. I till exempel Finland renoveras 2% av fastighetsbeståndet varje år, så för att komma igenom hela beståndet får man vänta i femtio år. Så länge vill ingen vänta.
– Hotell då? Hotell-TV-apparater brukar vara väldigt speciella.
– Svenska hotell har för länge sedan gått över till digitala platt-TV-apparater, men ute i Europa är digitaliseringsvågen på gång nu. Att stänga delar av hotellet för renovering och kabeldragning är ingen intresserad av, för det stör verksamheten. Hospitality-marknaden, dvs hotell, sjukhus, oljeplattformar och äldreboenden är väldigt sugna på att använda sin befintliga koax för data, larm, TV och sjukvårdsrelaterad utrustning.
MoCA blir till GoCA, DOCSIS viker
Internet via kabel-tv har inte varit någon höjdare. Med den gamla standarden DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) användes några av TV-kanalerna för enkelriktade framkanaler medan allt returdata fick gå på en enda kanal mellan 5 och 65 MHz. Med dagens ständigt uppkopplade appliaktioner, peer-to-peer-nät och inte minst stortankarna, så fungerar inte det längre.
MoCA (Multimedia over Coax Alliance) är standarden för koaxiala hemmanät för video och data i USA (meshnät), ursprungligen framtaget år 2004 av Motorola, på uppdrag av Verizon, för att täcka jättestora amerikanska villor. Vi utnyttjar samma grundteknologi, men som accessnät. Vi fick hitta på ett nytt namn på det hela och det fick bli GoCA (Gigabit over Coaxial Access). Vi kan utnyttja frekvensspektrumet 800-1500 MHz. I praktiska implementationer där det redan finns kabel-TV utnyttjar vi kanalerna 1,0, 1,15, 1,325 och 1,5 GHz. Den bidirektionella trafiken i GoCA fungerar så att fram- och backtrafiken går på samma frekvens.
Koaxialkabel installerad efter 1980 klarar vanligtvis upp till 1,7 GHz. Däremot kan signaldelarna (splitters) behöva bytas och i vissa sällsynta fall även antennuttagen. Kostnaden för detta är dock avsevärt mindre än att dra ny kabel.
För GoCA använder vi en modifierad kretsfamilj och dito programvara, så vi klarar av att separera kunder med till exempel ett VLAN per kund. Vi använder idag en kretsfamilj som motsvarar MoCA 1.0, dvs 125 Mbps och med nästa generation som vi avser att lansera under nästa år kommer vi upp till 175 Mbps. Med MoCA 2.0 i turboläge och i princip två modem i samma modem (”bondat chipset”) kommer man upp till 1 Gbps per kanal i kabeln. Då kan man utnyttja tre kanaler i frekvensområdet 975-1725 MHz. Den fysiska kapaciteten i en överföring (länk) är 250 Mbps per kanal. Modulationen är TDMA med ett antal kvadratur-amplitudmodulerade OFDM-underbärvågor.
– Hur är det med kabellängder? Kanske koaxen övertrumfar 100BaseT, som ju inte kan bli längre än 100 meter?
– Det beror på vilken typ av koax som används. Är det RG-11 med dämpning runt 14 dB per 100 meter på 1 GHz så klarar vi cirka 200 meter, vilket är dubbelt mot 100BaseT. I radhusområden installerar vi repeatrar vilket gör att vi kan gå ytterligare cirka 200 meter. Det går att ha två repeatrar på en ledning och ändå klara latencykraven. Vi toppar alltså på 600 meter.
Praktisk implementation
Så här kan man bygga upp ett typiskt kabel-tvdata-nätverk. Detta är den sk "svenskmodellen" som är vanlig i Sverige, sk tree-branch-nät eller kaskadnät, medan stjärnnät är vanligare på kontinenten. I Italien är det till exempel väldigt vanligt med satellit-tv direkt på kabel-tv-kabeln och då sitter satellit-nedkonvertern uppe på vinden och det går en koaxialkabel till varje lägenhet. I detta fall kopplar InCoax in sig uppe på vinden.
Alltihop börjar egentligen i den telefonstation som står närmast bostadsområdet. Det är ofta i denna som operatören sätter upp sin router och switch och det är där IP-trafiken formas. Så har det blivit eftersom Telia för det mesta har fibrer ut till alla telestationer i hela landet och det är bekvämt att köpa kapacitet i dessa. Det finns givetvis inget som hindrar att en operatör drar ut en fiber till okrådet på annat sätt.
Fibrerna dras fram till Incoax Link Controllers, som i vårt fall lämpligen står i källaren. Link Controllern matar ut databärvågor på två koaxkablar, en för varje frekvens, vidare till en diplexer där de blandas med videoleverantörens kabel-tv-signal. Hur kabel-tv-kanalerna är beskaffade, befattar sig dock inte InCoax med. De sålunda blandade signalerna dras upp genom huset och på varje våning finns en splitter, en signaldelare som delar upp signalen mellan stigaren och denna våning på ett impedansmässigt korrekt sätt. Signalen går vidare genom 6-8 seriekopplade antennuttag i lägenheterna. Varje uttag dämpar signalen 4-15 dB.
Man kan fråga sig varför ett ringnät inte används på fibersidan. Helge medger att detta hade varit bättre ur redundanssynpunkt, men att svenska nätägare mer eller mindre gått ifrån ringnäten på grund av den ökade byråkrati som ska till för att få dra en fiber mellan flera fastigheter. Med stjärntopologin som visas kan man ansluta bara just de fastigheter i området som vill medverka och de andra kan slippa vara med. Om ytterligare någon fastighet vill vara med senare, behöver man bara dra ut en fiber till denna, inte göra om fiberringen.
InCoax utrustning klarar en total länkbudget på 60 dB (för den som är ovan vid sådana mätetal, kan sägas att 60 dB är väldigt mycket!). Kommande utrustning kommer att klara 65 dB, vilket ger ytterligare några abonnenter på samma kabel. Det finns en överbudget på signal för att klara äldre antennuttag mm, för att man ska slippa bygga om kablagesystemet. För att det ska finnas tillräckligt med signal har man sällan fler än 20 antennuttag på en och samma koaxialkabel totalt. Övervakningssystemet kan hela tiden se länkbudgeten fram till varje modem och larma om det skulle bli problem med exempelvis ip-tv, i vilket fall man bara tillåts tappa ett ip-paket i timmen.
Systemet kommer själv att finna att dämpningen är störst till de abonnenter som sitter längst bort på kabeln, och automatiskt se till att 1,5 GHz-kanalen utnyttjas av de närmaste modemen, medan de längre bort går på lägre frekvenser. Skulle lasten bli för hög på en kanal kan systemet också flytta abonnenter till en annan datakanal. På så sätt kan en som tankar mycket data ges större bandbredd utan att störa småförbrukarna.
Frekvensspektrum
Ej skalenlig
Spektrum på koaxialkabeln kan i princip se ut på tre olika sätt. Det vanligaste är fall 1 där kabel-tv-kanalerna tar upp plats upp till 860 MHz. Sen lämnar man ett hål för mobiltelefonbanden som kan störa och sedan kommer InCoax fyra datakanaler med 150 MHz delning. Över cirka 1,7 GHz är koaxialkabelns dämpning för hög för att det ska vara lönt att försöka överföra data några längre sträckor. Vardera HF-kanalen är 50 MHz bred och klarar 125 Mbps kapacitet som normalt delas mellan 31 abonnenter. Med fyra kanaler kan man nå 125 abonnenter. Det ger garanterat 20 Mbps till varje lägenhet, som klarar HDTV.hdt När den kapaciteten tar slut får man bygga upp ett nytt kaskad-träd.
Fall 2 är vanligt i Italien där man också förlägger satellit-TV på kabelnätet, som tar upp hela utrymmet från 950 MHz och uppåt. Då begränsar man TV-kanalerna till under 800 MHz och tränger in en GoCA-kanal mellan de båda. Det begränsar tyvärr datakapaciteten, men i normalfallet har man en koaxkabel till varje lägenhet, så varje lägenhet kan matas med en egen datakanal, med potentiellt 125 Mbps. Den äldre typen av dataöverföring, DOCSIS visas också i spektrum 2. Den använder sig bland annat Tele2 och ComHem av. Den sänder data uppströms till abonnenten på enkelriktade TV-kanaler i området mellan 54-805 MHz, men returdata från abonnenten kan bara sändas på backkanalen 5-65 MHz (Upstream CM). Med bara en enda backkanal kommer överföringen att bli asymmetrisk.
Fall 3 är en bättre situation där man i vissa länder har kabel-TV-kanaler som tar slut vid 560 MHz. Då kan InCoax får plats med fem datakanaler med totalt 750 Mbps kapacitet. Spektrum varierar från land till land och från hus till hus.
Störningar är ett problem i alla nätverk, analoga som digitala. Bilden ovan visar uppmätta störningar på en kabel-TV-koax från vanliga hushållsmaskiner, passerstavar, köksassistenter, hårtorkar osv som är duktiga på att stråla ut störningar i omgivningen. Notera att de flesta störningar toppar under 120 MHz med nivåer kring -50 dBm, precis där DOCSIS returkanal ligger. När man nått upp i kabel-tv-banden runt 200 MHz ligger nivåerna cirka 30-40 dBm längre ned. InCoax behöver inte bry sig om detta, för ingen hushållsapparat är kapabel att störa i frekvensbandet 1000-1500 MHz. Det enda man har att kämpa emot är dämpningen i kabeln, som kan åtgärdas med förstärkare. Ett värre problem är lte-telefonin som kan läcka in om man håller en telefon nära modemet, och därför gör man gärna ett hål i spektrum strax över 860 MHz.
– Hur går det med äldre koax där det läckt in vatten?
– Detta gäller ofta radhusområden och där måste man byta koaxialkabel. Dessa områden har vanligtvis ingen bra TV bild heller. Normalt har Comhem redan uppgraderat kabeln och föreningen redan betalt uppgraderingen i sitt radhusområde för annars går inte ComHems signal igenom. De flesta kabelnät i Europa uppdaterades på 1980-talet.
Övervakning
Vi tittar in i övervakningsprogrammet för en grupp Coax Link Controllers (CLC). Programmet körs i en operatörs Coax Link Manager-server och på denna bild ser vi Controllers för ett antal bostadsrättföreningar och ett hotell i stockholmsområdet. Det går att ta fram status för olika Controllers och inställningar, MAC-adresser, uppsatta vlan, tjänster, QoS, QAM-djupet, sändarfrekvenser osv. En intressant parameter är uteffektkontrollen, eftersom sändareffekten kan justeras automatiskt enligt rapporter om kvalitet från modemen.
Det är viktigt att de ansvariga kan se länkkvaliteten hela tiden. Här visar en Controller kvalitetsparametrar för alla de anslutna modemen i en fastighet. Modemen med röd markering visade sig vara avstängda. Ibland gör konsumenter konstiga saker, som att betala för internetanslutning och sedan ha den avstängd. Eller flyttar därifrån och tar med sig modemet.
En titt in i en enskild Link Controller visar hur dataflödet genom den sett ut över tid. Just i det här bostadshuset har det varit ganska lugnt. Folk har mest slösurfat, medan stortankarna slog till under tisdag-torsdag. Dessutom finns larmlistor, störningsrapporter, ja allt för den händige, faktiskt.
Alla modem rapporterar länkkvaliteten hela tiden. Dessutom rapporteras den fysiskt möjliga maxhastigheten kontinuerligt. Det här modemet klarar dryga 230 Mbps och har gjort så oavbrutet i flera månader. Den här kurvan visar inte den faktiskt utvunna hastigheten, som brukar ligga kring 95-100 Mbps för denna modemtyp. Det hindrar ju inte att länken har högre kapacitet.
– Vad händer om någon dummer drar ur sin koax och leker med den (kortsluter etc)?
– Man kan sätta olika SNMP-trappar i övervakningssystemet. Mixtrar någon med antennsignalen blir han av med TV-bilden vilket man ju som vanlig konsument inte gärna vill. Kortsluter man ett uttag så blir det inte direkt en effekt på de övriga i slingan eftersom antennuttag har vanligen en dämpning på 4-15 dB. Signalnivån går ner och det kan man se i övervakningssystemet.
Montaget i källaren
I praktiken kan ett montage i ett hyreshus se ut så som följer.
Hela distributionssystemet så som det ser ut i källaren i ett svenskt hyreshus som även har kabel-tv. Fibern från telestationen kommer in vid In och går ned till Link Controllern C. Kabeln med databärvågen går upp till HF-installationen HF på plankan på väggen. Från denna går matarledningarna M ut till fastigheten.
Så här ser en välgjord HF-installation ut. Databärvågorna från Link Controllern kommer in till höger på ledningen D och blandas i diplexern med kabel-TV-signalerna V, som kommer från förstärkaren till vänster. Efter att ha blandats kommer signalen ut på matarledningen M och förs ut i fastigheten. Här kommer skillnaden mellan koax-folket och IT-folket upp i dagen. HF-montörer bygger helst av allt sina installationer på en plywoodskiva, medan IT-folket helst bygger i rackskåp av aluminium. Det är olika filosofier.
Networks are made of this! Diplexern används för att blanda ihop flera signaler från olika källor och mata ut dem på en matarledning till abonnenterna. InCoax använder denna typ av diplexer för att föra samman kabel-TV-signalen på bandet 5-862 MHz med sina datakanaler på 1,0 GHz och 1,15 GHz.
Vi tittar in i Link Controllerns rackskåp. Den utifrån kommande fibern slutar i patchpanelen upptill. Därifrån förs signalen vidare på en blå patch-fiber till Link Controllern mitt i skåpet. Den vita koaxialkabeln som kommer ut till vänster går till HF-montaget uppe på väggen. Endast en av de två koax-uttagen används, som synes. Den gula UTP-kabeln går för närvarande ingenstans.
Ett modem inuti
Den här artikeln skulle inte vara fullständig om vi inte fick skruva sönder något, så nu ger vi oss in i Incoax modem med namnet CAM 1012 med två valbara frekvenser på 1,0 GHz och 1,15 GHz.
När modemets skal avlägsnats visar sig ett inte allt för komplicerat moderkort, designat ganska rakt på sak. Signalen kommer in upptill till höger, demoduleras och kommer ned till Entropic-processorn som avkodar QAM-kvadraturen, gör signalanalys, bedömer signalkvaliteten osv. Data förs vidare till ethernethanteraren, egentligen en kretskortsmonterad layer-2-switch från taiwanesiska IC+, och matas ut på de gula ethernetuttagen i mitten. Isolatorer mot Ethernet behövs och är utförda som små epoxiingjutna transformatormoduler. Utan styrning är de här båda kretsarna inte mycket värda. I mitten av allt sitter därför en välkänd mikrocontroller, en Atmega 168 som innehåller regelverket för hur modemet ska startas, drivas och hantera fel osv. Atmels processorer är mycket vanliga i embedded-apparater och i mobiltelefoner. Modemet kan fjärrstyras och kontrolleras helt och hållet från Link Controllern. Det kan fås att byta frekvens, begränsa trafikvolymer, startas om osv. Till vänster ser du ett antal switchaggregat som skapar lämpliga drivspänningar för processorerna, nämligen 5, 3,3, 1,8 och 1,2 volt. Lysdioderna längst ned är de som syns på modemets frontpanel.
Är inte det här det gulligaste HF-filter du någonsin sett? Inte mer än 3 centimerter långt. En fantastiskt kompakt filtermodul i vilken man matar in kabel-tv-signalen i kontakten till vänster. Pi-filtret, i form av de fem grön-blå-färgade spolarna, filtrerar bort databärvågorna och släpper bara frekvensområdet under 860 MHz vidare kontakten till höger, som är avsedd för tv-apparaten. Filtret är passivt så att TVn fungerar även om modemet är avstängt. Datasignalen i området över 860 MHz kommer till filtrets nedre del där antingen 1000 eller 1150 MHz +/- 25 MHz väljs ut som passband, för vidare befordran till nästa modul. De två svarta kretsarna är mikrovågs-IC som switchar in eller ut de båda passbanden. Filtret är inte InCoax konstruktion utan en modul från ett taiwanesiskt företag. Filtren trimmas för hand på fabriken, ett och ett, men kostar ändå bara ett par dollar. Du ser hur spolarna är lite vridna och töjda.
För att en processor ska kunna behandla data från kabel-tv-nätet måste gigahertz-bärvågen demoduleras och basbandssignalen utvinnas. Det sker i modulen kallad EN1010 överst på bilden som närmast är att betrakta som en sorts mellanfrekvensdel. Du ser de brutala brytmärkena på skärmburken, åstadkomna av undertecknad i vild bärsärkargång. ENTROPIC EN3230 är den processor som tar basbandsvågen från mellanfrekvensdelen, kodar av QAM-kvadraturen och gör om den till paket på MAC-nivå för vidare befordran till ethernethanteraren. Data från Ethernet QAM-kodas och matas ut till mellanfrekvensdelen och blir till gigahertz-bärvåg.
Switchaggregaten på kortet är verkligen rara. Inte större än ett frimärke. Som du ser är det två induktanser i denna modul (märkta 3R3) och utspänningarna är 1,2 och 1,8 volt; kärnspänningar för processorer. Det finns ytterligare två aggregat på kortet för andra spänningar.
Framtiden
Wifi-router i modemet kommer i nästa generation. Då kommer modemet att kunna bli en sann centralnod för vilket mindre företag som helst, som har koaxialkabel i väggen. Wifi-noden kommer att kunna övervakas från Controllern så att man ska kunna kanalplanera hela fastigheten centralt. Det finns trots allt bara 11 Wifi-kanaler och det gäller att hushålla med dem.
Hemmanäten är på väg upp i gigabitområdet. InCoax håller på med nya kretsfamiljer som ska ge 175 Mbps per kanal. Men det ska bli ännu bättre. Nästa år kommer standarden MoCA 2.0 med 400 Mbps per kanal och en turboversion med 500 Mbps och med dubbla kretsfamiljer på samma kort (två modem i samma modem) kommer man upp i 1 Gbps per kanal. Kanalerna växer ut till 100 MHz bandbredd och en koaxialkabel kan då hantera hela 3 Gbps.
– Modemkretsarna är redan levererade i miljontal. Stabiliteten hos produkterna är helt rätt. Vi tror på en lysande framtid. Alla har koax!
Läs mer
InCoax: http://www.incoax.com
Multimedia over Coax Alliance: http://www.mocalliance.org
MoCA på Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Multimedia_over_Coax_Alliance
DOCSIS på Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/DOCSIS
