Systémy řešení LAN nad existujícím STA rozvodem

Ethernet over Coax

Proč a nač?

Snaha o využití rozvodů společné televizní antény (STA) není nová a má za sebou relativně dlouhou historii. Souhrnný pojem v této souvislosti používaný Ethernet over Coax (EoC) zahrnuje celou řádku  různých technologií.

ISP

Dříve byla motivací pro nasazení EoC téměř výhradně snaha o co nejlevnější řešení "poslední míle"  ze strany poskytovatelů připojení k Internetu (ISP). Zvláště v situacích kdy se dostává do kontaktu umístění bezdrátově přivedeného internetu a anténní systém STA. V takových případech je napojení na Internetu na STA naprosto logické a nevyžaduje žádné dodatečné kabelové trasy v budově. Tento motiv je zde stále jen se stal komplexnějším s ohledem a používání  optických systémů a různých technologií pro vysokorychlostní přenosy data po vodičích hlasové kvality.

Hotely a IPTV

V posledních několika letech se k ní přidala velká motivace ze strany hotelů a ubytovacích zařízení pro vyřešení přechodu jejich stávajícího TV systému na systémy IP TV.
V případě hotelů je hlavní motivací potřeba vyřešit bez dodatečných nákladů přivedení datové přípojky právě do toho místa v pokoji kde je umístěna  TV obrazovka. Velmi často jde o vyřešení  2 až 5m, které by při zavedení klasického rozvodu znamenalo instalovat nový kabel do zdi nebo přinejmenším esteticky znehodnotit prostor položením kabelové lišty. Řešení problému  pomocí WiFi nepřichází do úvahy vzhledem k požadované spolehlivosti IPTV a nepřichází do úvahy ani z důvodů stále většího vytížení WiFi ze strany hostů.
    

Přínosy řešení

• není třeba  budovat žádné dodatečné kabelové trasy.
• pro zavedení není nezbytně nutné jednotlivé byty navštívit technikem a je možná samo-instalace uživatelem
• instalace sítě zachovává funkčnost existujícího DVB-T2 a to při žádných nebo zcela minimálním zásahu do rozvodných zařízení
• zavedení sítě nevyžaduje asistenci ze strany jiných oddělení hotelu, vše se během instalace odehrává v rámci IT oddělení
• z hlediska podpory systému je příjemné že jde o kabelové systémy, de-facto izolované od dalších systémů což výrazně usnadňuje  jejich diagnostiku a dohled (na rozdíl od bezdrátových systémů)
  
  

Náročnost, rozsah

Zde diskutované jsou určené pro rozsahy v počtu desítek uživatelů, nemají ambice konkurovat systémům v rozsahu stovek nebo tisíců uživatelů.
Kladou si také za cíl aby byli snadno instalovatelné a udržované a to i bez potřeby nějaké speciální měřící techniky nebo speciálního software. Nicméně nejsou určeny pro laické provedení. Je velmi vhodné aby se instalátor orientoval v technologiích Ethernetu a DVB-T. Můžeme jen konstatovat že řada projektů se v minulosti   dostala do potíží právě z důvodů velmi naivního použití v systémech STA.

Co nahrává jejich užívání

Užívání těchto systémů nahrává v posledních letech několik faktorů:

• koaxiální rozvody budov byli v drtivé většině přestavěny pro užívání DVB-T a mají tak velmi dobré vysokofrekvenční vlastnosti
• dochází k výraznému zlevnění technologií tím jak z hlediska velkých operátorů přestávají být dostatečně kapacitní ale pro  zde popisované účely jsou více než dobré
• již výše zmíněná poptávka po přechodu na IP TV systémy v hotelích
• nízká poptávka po udržení v provozu systémů FM a DAB, tj. uvolnění těchto kmitočtových pásem z STA

Jaké máme požadavky na tyto systémy?

• Ekonomicky přijatelné -  Nemělo by smyslu se jimi zaobírat pokud by pořizovací cena převýšila cenu za     vybudování Gigabitového rozvodu
• Sběrnicová komunikace - můžeme využít pouze takové technologie které sdílí jeden kabel a frekvenční pásmo, jelikož právě taková je topologie TV systémů
• Koexistují s DVB-T - vlastnost zachování DVB-T dovoluje daleko širší možnosti aplikace než pokud by zařízení bylo dedikované pro samostatnou koaxiální síť. Ve skutečnosti koexistují s daleko větší škálou technologií která může v kabelu být také, typicky s DVB-S.
• nižší kmitočty vítány - nižší pracovní kmitočty znamenají méně vysokofrekvenčních problémů s kabeláží, typicky je zlomovou hranicí 1GHz. Tomuto odpovídá i případná měřící technika náklady do ní.
• Standardizované technologie - Je velmi vhodné aby šlo o standardizované technologie nebo mající šanci stát se standardem. Nechceme být trvale závislí na jednom dodavateli, značce nebo čipu.
• Přenosová rychlost nejméně 100Mbps - vzhledem k přenosovým nárokům je schopnost se přinejmenším přiblížit k hranici 100Mbps v  TCP/IP  nutnost
• integrovaný rozbočovač - tímto se rozumí vestavěný pasivní vysokofrekvenční prvek který typicky zamezuje pronikání nežádoucího rušení do pásma příjmu TV. Jeho existence přímo v zařízení je velmi praktická z hlediska rozměrových nároků a také redukuje možnosti chybné instalace. Tento prvek rovněž zajišťuje funkčnost DVB-T i v případě, že je EoC zařízení bez napájení.
• vzájemně izolující systém - tímto se rozumí vzájemná datová izolace Slave jednotek. Není záměrem těchto systémů budovat síť v níž mohou komunikovat klienti mezi sebou. Naopak výchozí nastavení těchto systémů je režim MDU (Multi Dwelling Units), tj. předpokládající připojení samostatných bytových jednotek které jsou navzájem komunikačně izolované.  Poznamenejme, že z hlediska IP komunikace se toto nastavení mění nastavením předřazeného routeru čili pokud chcete můžete zajistit komunikaci i mezi sousedními jednotkami.
  
  

Technologie

DOCSIS 3.0,  zastoupený miniCMTS řady XL-DSM81

IEEE 1901/HomePlug AV 2.0, zastoupený řadou XL-CA4000

Všechny mají obdobné schéma zapojení spočívající v existenci centrálního zařízení „Master“ k němuž je připojeno mnoho „Slave“ zařízení.
Přenosové pásmo takového systému je sdílené a Master jej přiděluje jednotlivým aktivním Slave zařízením. Master nepotřebuje žádné vnější řízení a celý systém pracuje autonomně. Všechny technologie  jsou transparentní k Ethernetu a jsou definované v druhé vrstvě OSI (tzv. Layer 2).
Typicky systémy překonávají útlum 60dB ve svém pracovním pásmu. Jejich pracovní kmitočty jsou mimo kmitočty DVB-T, resp. jsou vždy nižší. Impedanční vlastnosti sítě hrají při jejich užití jen velmi malou nebo žádnou roli.


Základní schéma zapojení společné všem třem technologiím:
Přívod od domovní antény a jejího zesilovače je zapojen do Masteru. Do něj vede rovněž  přípojka Ethernetu. Master moduluje data a složi je frekvenčně do společného kabelového výstupu který dále pokračuje do již existující kabelové sítě.
V ní jsou na jednotlivých účastnických zásuvkách připojeny Slave jednotky. Ty oddělují a demodulují ze signálu datový provoz.  Dále Slave jednotky propouští TV signál a to beze změny. Poznamenejme že průchod TV signálu je funkční i v případě že všechna EoC zařízení jsou bez napájení.

Základní popis technologií

G.hn

•  Ekonomicky přijatelné:  aktuálně nejlepší cena za Gigabitové EoC
• Sběrnicová komunikace: Master-Slave topologie,  v jeho terminologie hovoříme v případě Slave zařízení o End Pointu (EP).
• Koexistuje s DVB-T:   navrženo s tímto účelem,  pracovní kmitočty 2~200MHz,  nemají kmitočtově separovaný upstream a downstream směrem
• Standard: G.hn, ITU-T G.9960, G.9961
• Přenosová rychlost: 1Gbit/s oběma směry.  Reálně měřené výkony pro TCP při útlumu tras 40dB jsou pro  simultánní  upload/download 557/582Mbps, jednosměrně  924/924Mbps
• Integrovaný diplexer.
• Vzájemná izolace klientů.
• Limit: 16 klientů na jeden master.
  

DOCSIS 3.0

• Ekonomicky přijatelné:  největším nákladem  jsou řídící jednotky, miniCMTS zařízení výrazně snížilo cenu řešení a je tak vhodné i pro řešení od cca. 20-ti klientů  výše, ceny modemů jsou nízké
• Sběrnicová komunikace: Master-Slave topologie,  terminologicky hovoříme o CMTS v roli Master a v případě Slave zařízení o kabelovém modemu, tj. CM
• Koexistuje s DVB-T:   navrženo s tímto účelem,  pracovní kmitočty upstreamu 5-65MHz a liboovlné nastavení downstreamu mezi 87-1000MHz, kmitočtově separovaný upstream a downstream směrem
• Standard: DOCSIS 3.0, naprosto nejrozšířenější typ kabelového modemu
• Přenosová rychlost: miniCMTS 16x8 800/160Mbps, reálně TCP @40dB simultánní i jednosměrné shodně download/upload 796/140Mbps
• Rozbočovač: nemá vestavěný rozbočovač/diplexer, je nutná pasivní komponenta,  která redukuje energii intermodulačních složek zpětného směru.
  Řešení:
  a) lze použít rozbočovač 1:2 v kombinaci s dolní propustí na portu modemu (mezní frek.  470MHz)
  b) stejná komponenta v integrovaném provedením, nasazovací řešení (plug-in, snap-on). Na trhu s různými názvy jako  „Internet optimizer“, „Data-TV rozbočovač“, „Multimediální adaptér“
  c) stejnou funkci výměna zásuvky na  typ se zpětným kanálem, prodává se jako „TV/R/DATA  zásuvka" „Multimediální zásuvka“, „TV-DATA zásuvka“
• Vzájemná izolace klientů.
• Limit: 511  klientů na jedno miniCMTS

IEEE 1901/ HomePlug AV

• Ekonomicky přijatelné:  nejlevnější vůbec
• Sběrnicová komunikace: Master, Slave
• Koexistuje s DVB-T:   kmitočty 2~86MHz (2~67,5MHz), sdílí kmitočtově
• Standard: IEEE 1901/Home PlugAV2. Nicméně standard se ukazuje dlouhodobě být čipově závislý na velmi omezenou skupinu producentů. Dnes jsou na hranici své morální životnosti
• Přenosová rychlost: 600/600Mbps.  Reálně TCP @40dB  simultánní  download/upload  320/45Mbps, jednosměrně download/upload 288/255Mbps (agregovaně)
• Integrovaný diplexer
• Vzájemná izolace klientů
• Limit: 64 klientů na jeden master, Slave jednotky max. 100Mbps
  
  
  

Kterou EoC technologii zvolit?

Pokud budeme volit dle nákladů na jednoho připojeného klienta při splnění požadavků na různá zatížení nebude naše volba nijak složitá:

G.hn

zvolíte jej pokud chcete budovat rozvod který bude svým přenosovým výkonem vhodný pro vysokorychlostní internet. Například dokáže splnit požadavek být ekvivalentem VDSL2 přípojkám a dokáže přenášet i při 16-ti připojených klientech 50Mbps download a 10Mbps upload simultánně, v TCP, i za situace kdy na spojení "leží" všichni klienti. Maximum které můžete spolehlivě nabídnout je 1Gbps upload a 1Gbps download. Má samozřejmě smyslu jej nasadit pokud dokážete budovu připojit internetovou přípojkou 250~1000Mbps a to buď nyní nebo někdy v brzké budoucnosti.
Také jej použijete jako páteřní technologii pro napojování pomalejších EoC systémů.
Na druhou stranu asi jej ekonomicky neospravedlníte (aspoň zatím ne, 6/2021)  pro užití v hotelovém IPTV, kde je jeho výkon nadměrný.

DOCSIS 3.0, miniCMTS + modemy 8x4

zvolíte jej pokud potřebujete na Internet připojit mezi 20-ti a 70-ti  klienty na jednom koaxiálním kabelu. Celkový úhrn přenosu sice nemá šanci dosáhnout parametrů  jaké poskytuje G.hn ale bude více než vhodný pro ekonomický internet s max. výkonem 200/100Mbps.
Stejně tak je jasnou volbou pro hotelový IPTV systém pro 20~50 klientů na jednom vedení, kdy splní požadavek na spolehlivý download 15Mbps  TCP při simultánní zátěži všech klientů.

IEEE1901 / HomePlug AV

zvolíte jej pokud potřebujete na Internet připojit do 20ti klientů na jednom koaxiálním kabelu, kdy stále dokáže naplnit parametry pro ekonomický internet a kdy lze slíbit uživatelům max. výkon 100/50Mbps.
Rovněž pro hotelový IPTV systém jej lze spolehlivě použít pro cca. 18 klientů na jednom kabelu.

Jak lze technologie kombinovat?

Navýšení přenosové kapacity

Ne každý uživatel EoC technologie ví že může do jedné koaxiální sítě nainstalovat i víc Master jednotek a tím výrazně zvýšit přenosovou kapacitu sítě.
To co je však při tomto zapojení třeba splnit je nutnost od sebe frekvenčně izolovat pracovní pásma  jednotlivých Master jednotek, jelikož jednotky běžně překonávají i více než 60dB.
Proto si ve schématu povšimněte horní propusti která spolu s vestavěnými diplexery zajišťuje izolaci jednotlivých segmentu a to tak aniž by měla významný vliv na průchod DVB-T signálu.

Páteřní propojení G.hn

Technologie G.hn je velmi dobře použitelní pro vytvoření Gigabitové páteře pro sítě kde se nám sice nevyplatí je kompletně postavit v G.hn ale jejich použití pro páteřní napojení v rámci stejného koaxiálního rozvodu nám dovolí celou síť ekonomicky postavit. Pěkné je i to že v ní mohu distribuovat DVB-T z jediného zdroje.
Poznamenejme že jednotlivé sítě/technologie  jsou z hlediska a jejich pracovních kmitočtů vzájemně izolovány pasivními prvky.



 

Použití v rozvodech příjmu DVB-S

Pro použití v systémech DVB-S se obvykle jedná o méně rozsáhlé kabelové systémy jjeichž centrálním prvkem je multipřepínač. Na schématu můžete vidět že EoC se připojuje do větve přenosu pozemního vysílání. Existuje hned několik způsobů jak EoC do kabeláže připojit. Ovládání polarizace LNB, přepínání kmitočtového pásma LNB a DiSEqC pracují souběžně s EoC a není zde vlivu na jejich funkčnost. Různé způsoby propojení naleznete v dokumentaci.

 
 

Poznamky:

DVB-T/T2 kmitočty v kabelovém vedení jsou mezi 470-868MHz
DVB-S/S2  kmitočty v kabelovém vedení jsou mezi  950-2150 MHz, jde o kmitočty mezi LNB a  přijímačem, tzv. mezifrekvence
FM  analogové rádio, kmitočty jsou mezi  87,5-108 MHz
DAB  digitální rádio, kmitočty jsou mezi  174-204 MHz
Přepínání polarizace LNB: stejnosměrné, napětím, vertikálně 13V, horizontálně 17V (+/- 1V)
Přepínání do horního kmitočtového pásma LNB: 22kHz trvalý signál nastavuje LNB pro příjem horního pásma 11,7–12,5 GHz, pokud je vypnut je LNB přepnuto do dolního pásma 10,7–11,7 GHz.
Přepínání dvouportového LNB: 22kHz signál "Tone Burst"
DiSEqC: je nadstavbou nad starším analogovým řízením ale z hlediska kmitočtového pásma jde  stále pouze o stejnosměrný a 22kHz signál