Erweiterung der Leistungsfähigkeit von Hybrid-Fiber-Coax-Netzen für die hochdatenratige Kommunikation

Das weltweite Datenaufkommen im Internet verdoppelt sich etwa alle drei Jahre. Um diesem Bedarf nachzukommen, setzen Betreiber von Fernsehkabelnetzen den Übertragungsstandard Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS) für die Internetübertragung in Hybrid-Fiber-Coax-(HFC)-Netzen ein. Die 2013 eingeführte Version DOCSIS 3.1 ermöglicht dank einer im Vergleich zu den Vorversionen überarbeiteten Bitübertragungsschicht (englisch Physical Layer) Datenraten im Gigabit-pro-Sekunde-Bereich. Dieser Physical Layer besteht aus dem Modulationsverfahren Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) mit großen Quadrature-Amplitude-Modulation-(QAM)-Symbolen sowie Low-Density-Parity-Check-(LDPC)-Codes für den Fehlerschutz.

Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht, wie die spektrale Effizienz bei der Datenübertragung in HFC-Netzen gegenüber DOCSIS 3.1 weiter verbessert werden kann. Dazu wird mithilfe der eigens entwickelten Simulationsumgebung PHYSIM der Physical Layer des DOCSIS-3.1-Downstreams in verschiedenen HFC-Kanälen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der Abstand zwischen der spektralen Effizienz von DOCSIS 3.1 und der theoretischen Shannon-Grenze in vielen Kanälen mehr als 6 dB beträgt.

Ein verbesserter Physical Layer sollte eine leistungsfähigere Bit-Interleaved-Coded-Modulation-(BICM)-Kette verwenden, den Einfluss des Cyclic Prefix reduzieren und die Synchronisation erleichtern. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen werden zwei unterschiedliche Verbesserungsvorschläge erarbeitet. Der Optimierungsansatz A1 nimmt leichte Modifikationen am Physical Layer von DOCSIS 3.1 vor. Der Optimierungsansatz A2 erfordert größere Modifikationen am Physical Layer. Beide Verfahren verringern den Abstand zur Shannon-Grenze im Vergleich zu DOCSIS 3.1 um mehrere dB.