Liberando DOCSIS 4.0 para HFC e FTTH

A evolução da rede HFC é um dos conjuntos de decisões mais complexos e impactantes enfrentados pelas operadoras hoje em dia. A dificuldade é identificar os desafios potenciais do mercado e enfrentá-los com a tecnologia certa de maneira oportuna e econômica. O termo operativo é "tecnologia certa".

O DOCSIS 4.0 (D4.0) foi projetado para transportar a indústria de cabos para o futuro 10G. Ele habilitará taxas de downstream de 10 Gbps (DS) e taxas de upstream de 5 Gbps (EUA). É o primeiro padrão DOCSIS a incorporar Full Duplex DOCSIS (FDX) e Extended Spectrum DOCSIS (ESD) - os dois caminhos principais para a evolução das redes HFC de hoje.

A escolha entre FDX e ESD é apenas uma das muitas que as operadoras enfrentam agora. Mas também há a questão de o que fazer com a tecnologia de hoje. As considerações incluem tempo, custo e competição. Para dar os próximos passos ao longo do caminho para a migração, as operadoras devem tomar decisões de tecnologia cruciais no contexto do mercado e nas necessidades de seus clientes. Vejamos algumas das tendências e opções que influenciam essas decisões.

A pandemia COVID-19

A pandemia causou aumentos significativos no consumo nos Estados Unidos à medida que países e cidades impõem bloqueios para controlar a doença. Com as pessoas sentadas em casa por muito mais horas por dia do que o normal, o consumo da rede disparou. Os maiores culpados incluem streaming de vídeo, trabalho e aprendizagem remotos, encontros virtuais de vídeo e jogos.

Em seu pico, a COVID foi responsável por quase 50 por cento de aumento no uso de largura de banda nos EUA e 25 por cento de aumento na utilização do DS (medido durante o horário de pico à noite). Com base em nossos modelos de engenharia de tráfego, esperamos que se estabilizem para cerca de metade continuamente em um futuro próximo.

DOCSIS 4.0 - ferramentas de migração de rede

Existem muitas soluções na caixa de ferramentas de migração de rede. Eles podem ser usados ​​para estabelecer um caminho de migração ideal que estenda a vida útil da rede HFC de hoje, enquanto gradualmente a transforma em sua forma desejada como uma rede FTTH (Fiber-to-the-Home) para o futuro.

Uma das ferramentas mais eficazes é a migração seletiva de assinantes. É aqui que as operadoras transferem os clientes que exigem taxas de pico muito altas para uma plataforma diferente - uma rede FTTH de sobreposição executando um tipo específico de PON, por exemplo. O benefício dessa abordagem é que ela evita a necessidade de atualizar toda a rede para atender aos níveis de serviço anormais associados a taxas de penetração muito pequenas. Se apenas um número selecionado de clientes residenciais ou comerciais estão solicitando serviço simétrico de 10 Gbps, então faz sentido mover esses poucos clientes para 10G PON em vez de reformar toda a rede HFC.

Outra solução popular são as divisões e segmentações de nós, que podem ajudar a reduzir o número de assinantes em cada grupo de serviço, levando a menos congestionamento e a capacidade de suportar taxas de serviço de pico mais altas por períodos mais longos.

Existem também várias opções de atualização de divisão dos EUA com suporte pelas especificações DOCSIS 3.1 para atingir taxas de pico mais altas: sub-divisão (5-42 MHz em NA e5 -65 MHz na Europa), mid-split (5-85 MHz) e alta -split (5-204 MHz). O suporte a taxas dos EUA de até 400 Mbps exigirá a mudança de subdivisão para divisão intermediária. Por outro lado, o suporte à taxas dos EUA acima de 1 Gbps exigirá uma mudança para uma arquitetura de divisão alta. As especificações D4.0 adicionam opções de divisão ultra-alta com limites dos EUA de até 300 MHz, 396 MHz, 492 MHz e 684 MHz. Eles podem, algum dia, permitir taxas nos EUA de até 5 Gbps.

Outra forma de liberar o espectro crucial é a otimização da entrega de vídeo por meio de vídeo digital, vídeo digital comutado e IPTV. Os canais analógicos não utilizam o espectro de forma muito eficiente, portanto, a transição do vídeo de canais analógicos para digitais permitirá uma melhor utilização do espectro escasso por meio de esquemas de codificação mais eficientes do conteúdo digital.

Adicionar recursos SDV que apenas transmitem fluxos de vídeo quando são visualizados também pode ajudar a reduzir a utilização do espectro para serviços de vídeo. Conforme o tempo passa, a redução do número de canais de vídeo digital e a migração para vídeo IPTV, que usa canais DOCSIS 3.1 mais espectralmente eficientes, proporcionará outro nível de uso eficiente do espectro. 

No caminho para o D4.0, o FDX é uma opção promissora projetada para permitir que o tráfego dos EUA e DS compartilhe o mesmo espectro, simultaneamente. Ele é otimizado para arquiteturas de rede DAA N+0 sem amplificadores. Uma alternativa é Dynamic Soft-FDD, onde a divisão é alterada dinamicamente para corresponder à demanda de tráfego, oferecendo os mesmos benefícios do FDX, mas com grupos de interferência geralmente maiores. 

O Dynamic Soft-FDD permite essencialmente uma operação semelhante ao FDX em redes Node + X em cascata com amplificadores. Finalmente, o ESD oferece a terceira opção, onde o espectro de DS pode ir além de 1,2 GHz. Embora exija a troca de taps e amplificadores, ele funciona em modo FDD exatamente como as redes de hoje. Além disso, o ESD pode aproveitar as abordagens já mencionadas do Dynamic Soft-FDD para alterar dinamicamente suas frequências divididas.

À medida que as operadoras introduzem a fibra mais profundamente em suas redes, os taps ativos podem ser empregados como pequenos dispositivos ativos (amplificadores) para suportar valores de ganho distribuídos relativamente pequenos. Isso permite o uso contínuo das linhas duras com ordens de modulação mais altas em frequências mais altas, o que produzirá capacidades adicionais. Além disso, como uma etapa de estágio final antes de levar fibra para casa - com ou sem taps ativas - os operadores podem considerar a fibra para tap (FTTT). Essa solução permite o uso de cabos drop existentes que podem suportar frequências de até 25 GHz, o que se traduz em taxas de dados de mais de 200 Gbps. Nesse caso, a rede de cabo coaxial se torna uma rede ponto a ponto, o que permitirá a operação ESD em conjunto com a operação FDX.

DOCSIS 4.0 - estratégia de migração

Uma estratégia de migração de rede ideal requer um processo de tomada de decisão abrangente que faça um inventário de todas as ferramentas disponíveis simultaneamente. O processo deve ser repetido sempre que uma decisão for tomada. Deve-se dar atenção especial à tomada de decisão consciente do tempo - ou seja, a decisão ótima muda com o passar do tempo.

Há uma miríade de caminhos para as operadoras alavancarem suas redes HFC no suporte à demanda do cliente, mas feito corretamente, muitas das redes de hoje podem permanecer relevantes até a década de 2030. Isso graças a ferramentas como migração seletiva de assinantes, divisão de nós, transferência de vídeo para IPTV, atualização da divisão dos EUA, aumento do espectro de DS, Dynamic-Soft-FDD, taps ativos, FTTT e FTTH.

Depois de utilizar o conceito de migração seletiva de assinante para restringir o processo de migração de rede, uma estratégia DOCSIS em fases combinada com um processo de decisão ciente do tempo fornecerá uma visão sobre a migração mais sensata para uma determinada rede. Opções de toque leve e médio, como mover a divisão dos EUA para 204 MHz com DS de 1,2 GHz, bem como divisões e segmentações de nós, podem estender a vida útil da rede HFC na próxima década se o DS Tmax desejado for 2 Gbps ou menos. Além disso, a implantação de IPTV pode estender ainda mais a vida das redes HFC, especialmente quando combinada com Dynamic-Soft-FDD e ESD.

Como uma tecnologia de transição, as operadoras também podem optar por implantar equipamento compatível com DOCSIS 4.0 e operá-lo no modo DOCSIS 3.1 por um tempo (meses ou anos) e, em seguida, ativar os recursos DOCSIS 4.0 sempre que necessário no futuro. Os primeiros recursos DOCSIS 4.0 que provavelmente serão habilitados são provavelmente os recursos de upstream de divisão ultra-alta (divisões de 300, 396, 492 ou 684 MHz). A mudança para capacidades downstream de 1.8 GHz também será necessária no futuro.

É uma vantagem e um desafio complexo que as operadoras de hoje tenham tantas opções para migrar suas redes HFC e atualizar para D4.0. No entanto, ao compreender as necessidades específicas e em evolução de seus clientes, utilizando as muitas soluções em seu kit de ferramentas de rede e considerando a interação na linha do tempo entre os dois, as operadoras podem estender com eficiência a longevidade de suas redes HFC até a década de 2030; e eles podem então se preparar para um eventual sucesso no fornecimento de FTTH.

Este artigo foi publicado originalmente na edição de janeiro de 2021 da Pipeline Magazine.