解密 DOCSIS 技術演進：DOCSIS 4.0 和 10G 高速網路時代的全面剖析
DOCSIS 的演進
有線電纜資料服務介面規範（Data Over Cable Service Interface Specifications，簡稱 DOCSIS） 是一項透過射頻（RF）、或同軸電纜進行高速資料通訊與傳輸的技術，專為提升有線電視基礎設施的資料傳輸能力而設計；DOCSIS 最初由 CableLabs 於 1997 年推出，第一個版本為 DOCSIS 1.0，這標誌著有線網路技術的一次重大突破，DOCSIS 的誕生以既有的有線電視基礎設施為基礎，這種做法不僅節省了大規模重新佈建網路的成本，還使得該技術得以快速推廣，進而促進了寬頻服務的普及。1990 年代末期，互聯網逐步進入人們的日常生活，成為普羅大眾的重要工具，然而當時的使用者需求與今日相比相對簡單 — 大多以傳送電子郵件或瀏覽靜態網頁為主；當時的互聯網基礎設施能夠滿足這樣的需求，因為使用者對於速度與穩定性的要求尚未達到極高水準；然而，隨著技術的快速發展，互聯網的應用場景迅速擴大，從影音串流、線上遊戲、到即時通訊等，資料傳輸量需求以幾何級數成長，如今，互聯網已經成為現代社會運行的基石，無法接入高速網路幾乎等同於被隔絕於數位生活之外。
隨著互聯網成為人類生活中的必需品，使用者對於網路的要求也越來越高，他們期望能隨時隨地無縫存取網路資源，不僅僅是穩定的連接，還需要超高速的資料傳輸以及極低的延遲，尤其是在影音串流、視訊通話、和線上遊戲等應用場景中，任何網路延遲或中斷，都可能對使用者體驗產生重大影響。
為了應對這些挑戰，DOCSIS 協定不斷升級，從 DOCSIS 1.0 到目前的 DOCSIS 4.0，每次更新都帶來顯著的技術突破；透過精準監控網路使用情況及使用者行為，DOCSIS 不僅逐步提高資料傳輸速度，還顯著降低了延遲，確保其技術始終保持領先並滿足當代需求。
DOCSIS 的歷史
DOCSIS 1.0
DOCSIS 1.0 提供高達 40 Mbps 的下行頻寬以及 10 Mbps 的上行頻寬，在當時，這樣的傳輸速率已足夠滿足全球使用者對於互聯網的需求，這個版本的推出，讓使用者首次接觸到真正的高速網路服務，迅速獲得廣泛的接受；然而，使用者對於高頻寬的需求持續增加，促使 DOCSIS 技術的快速演進，僅僅兩年後，DOCSIS 1.1 隨之誕生。DOCSIS 1.1 在傳輸速率方面（下行 40 Mbps / 上行 10 Mbps）維持不變，但加入了對 VoIP（網路電話）服務的支援，讓有線電視使用者能夠進一步體驗到多元化的網路應用，這代表 DOCSIS 從單純的資料傳輸技術，逐步進化為一套支援綜合網路應用的協定。
DOCSIS 2.0
隨著使用者對於更高頻寬的需求不斷攀升，DOCSIS 2.0 於 2002 年正式推出，這個版本提升了上行頻道的頻寬，並改進了調變技術（例如 QAM 和 QPSK 的應用），顯著提升了上行的傳輸能力，透過這些改進，DOCSIS 2.0 將傳輸速率提升至 40 Mbps 的下行速率以及 30 Mbps 的上行速率。DOCSIS 2.0 的另一大進步在於其更高效的頻譜利用率，這不僅滿足了日益增長的家庭用戶需求，還適應了企業用戶對於穩定上行連接的需求，尤其是在電子郵件服務、文件上傳、及遠端會議等場景中，表現更為出色。
DOCSIS 3.0
2006 年，DOCSIS 3.0 橫空出世，為有線網路帶來了顯著的技術躍進，這一版本引入了 通道捆合技術（Channel Bonding） 技術，允許將多個上行和下行通道結合在一起使用，透過綁定 6 或 8 MHz 的通道，DOCSIS 3.0 的下行速率可達 340 Mbps（EuroDOCSIS 可達 440 Mbps），上行速率則可達 120 Mbps。除了速度的提升，DOCSIS 3.0 還增加了多項重要功能：
- IP 群播（IP Multicast）：
支持同時向多個接收端傳輸相同的資料流，大幅提升了串流媒體和 IPTV 的效率。 - 支援 IPv6：
隨著 IPv4 位址日益枯竭，IPv6 的引入讓網路具備了更長遠的發展潛力。 - AES 加密：
引入先進加密標準（Advanced Encryption Standard, AES），加強了資料傳輸的安全性，特別是在保護使用者隱私與商業資料方面意義重大。
邁入 DOCSIS 3.1 的轉變
在 DOCSIS 3.0 規範發布五年後，DOCSIS 3.1 正式問世，此項技術相較於以往的 DOCSIS 規範發生了巨大的改變，在 DOCSIS 3.0 及其之前，下行 DOCSIS 傳輸所採用的調變技術是 SC-QAM（單載波正交幅度調變，Single Carrier Quadrature Amplitude Modulation），在這種調變技術中，單一載波訊號透過幅度和相位調變以特定頻寬進行傳輸，DOCSIS 3.0 規範允許每通道使用最高 256-QAM（正交幅度調變） 進行調變。
DOCSIS 3.1 採用了更先進的調變技術，包括 正交頻分複用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM） 和 正交頻分多工接取（Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, OFDMA），為有線網路技術帶來了全新的突破，這些技術的核心在於提高頻譜利用效率，提供更高的資料傳輸速率，同時提升在挑戰性網路環境中的性能。
OFDM 是 DOCSIS 3.1 的重要基礎，它將頻寬劃分為多個窄頻子頻道，而非僅使用單一寬頻頻道來傳輸資料，每個子頻道中包含多個正交的子載波，這些子載波可以分別使用不同的調變階數來進行調變；正交性表示子載波之間互不干擾，因此它們可以被緊密排列，無需保留傳統的保護頻段（Guard Bands），這種設計讓頻寬的使用更為高效，同時能實現更高的資料傳輸速率，特別是在網路條件不穩定或干擾較多的情況下，仍能保持穩定的性能表現。
與 OFDM 類似，OFDMA 是一種進階的多工接取技術，它進一步將頻道細分為更多的子頻道，OFDMA 不僅可以將這些子頻道靈活分配給不同的設備，還能動態調整頻率的使用方式，確保頻譜資源得到最大化利用，這種靈活性使得網路運營商能夠更高效地管理多用戶環境下的頻譜需求。
此外，DOCSIS 3.1 採用了更高的調變階數，從原有的 256-QAM 提升至 1k-QAM 甚至 4k-QAM，更高的調變階數表示在相同頻寬內可以傳輸更多資料，因此每赫茲頻譜所能容納的位元數量大幅增加；這不僅提高了網路的整體容量，還進一步提升了頻譜效率，讓有線提供商能夠提供更高性能的服務；透過採用這些創新的技術，DOCSIS 3.1 不僅提升了資料傳輸速率，還確保了在現代複雜網路需求中的適應性和高效性，這種技術上的飛躍使其成為支援下一代寬頻應用的重要基礎。
這些改變為協定帶來了巨大的好處，包括：
• 能夠靈活應對頻道品質不佳或受干擾的情況，例如雜訊干擾、高頻損耗、或訊號衰減等問題。
• 透過多接取技術在多個用戶之間共享頻譜，實現頻譜的高效利用。
• 憑藉著先進的頻譜利用技術（如 OFDM 和 OFDMA）、智慧化資源分配機制，以及更高效的設備和基礎設施設計，大幅減少干擾。
• 根據實際的網路條件和頻譜環境動態調整調變方式，實現更高的頻譜效率和更穩定的資料傳輸。
同時，如此大幅度的技術變革使得 DOCSIS 3.1 的推行相比以往的規範更加複雜，這項部署是一項巨大的工程（並且至今仍是如此），無法一蹴而就；多系統運營商（MSOs）不得不對硬體進行全面重新設計，這成為部署新型電纜數據機終端系統（CMTS）中被動與主動設備的一大成本負擔，在某些情況下，甚至需要對基礎設施進行重新設計，例如：85MHz 的上行頻段（稱為“中分頻”，Mid-Split），由於其與現有 DOCSIS 3.0 設備使用相同的頻寬，因此較少出現問題；然而，204MHz 的上行頻段（稱為“高分頻”，High-Split） 則需要更換設備，包括客戶端設備（Customer Premises Equipment, CPE），此外，網路還需進一步升級，以提升下行頻譜的上限；這些升級挑戰極具規模，因為需要同時更換被動與主動設備，才能滿足新的頻譜需求。
網路頻寬與頻道擴展
由於 DOCSIS 3.1 允許運營商根據需求擴展上行與下行的網路容量，其中一項重要特性在於它能在現有的 光纖同軸混合網路（Hybrid Fiber-Coaxial Network, HFC）上運行，這些網路可以透過升級來容納更多頻寬，這一點已在 DOCSIS 3.1 規範中有所說明：- 在下行方向，有線系統的頻道可選擇以下下邊界頻率：54 MHz、87.5 MHz、108 MHz 或 258 MHz，上邊界頻率則依具體實現而定，通常範圍為 550 至 1002 MHz；為了提升網路容量，未來的升級將使上邊界頻率延伸至 1218 MHz、1794 MHz 或更高頻率，滿足更大的資料傳輸需求。
- 在上行方向，有線系統的頻道可以配置為以下頻段之一：5 -42 MHz、5-65 MHz、5-85 MHz、5-117 MHz、5-204 MHz，甚至是上邊界超過 204 MHz 的頻段，以支援更高效的數據上傳能力。
這些靈活的頻段設定為 DOCSIS 3.1 的部署提供了極大的彈性，不僅適應了現有的網路架構，還為未來的頻寬需求提供了增強網路容量的升級路徑。
DOCSIS 4.0
在實施 DOCSIS 3.1 後，使用者對更高速度和更大頻寬的需求依然不斷增加，在 DOCSIS 的技術演進中，需求始終是推動力，因此雖然部分運營商將重點放在多千兆位服務的推廣上，但寬頻連接的其他優勢同樣不可忽視，穩定可靠的網路和低延遲是推動 DOCSIS 產業擴展 HFC（光纖同軸混合網路）投資，並邁向 10G 的主要動力。DOCSIS 3.1 的上行頻寬已達到設定極限，但市場資料顯示這仍不足以應對需求，每年上行頻寬使用量以 50% 的速度增長，按照此增長率，上行的最大容量將很快被突破；此外，需求不僅限於 HFC 網路上的對稱多千兆速度，還包括更低的延遲、穩定的抖動（Jitter）以及更高的可靠性，正是這些需求促使技術進一步發展到 DOCSIS 4.0 和 10G，10G 不僅提供更高的速度，還具備更高的可靠性、更好的安全性以及更低的延遲。
當前，多系統運營商（MSOs）需要透過增加上下行頻寬來提升上行速度與容量，DOCSIS 4.0 提供更寬的上下行頻率範圍，達到 684 MHz，能夠支援下行速度高達 10 Gbps 和上行速度高達 7 Gbps，這種頻寬擴展為未來的高性能網路應用提供了強大的支撐，滿足使用者對穩定且高速網路的需求。
DOCSIS 4.0 的兩種模式
為了實現這些結果，DOCSIS 4.0 提供了兩種不同的模式，分別是 頻分雙工（Frequency Division Duplex, FDD） 和 全雙工 DOCSIS（Full Duplex DOCSIS, FDX）。FDD 模式本質上是 DOCSIS 3.1 的延伸，基於相同的技術架構進行擴展，它也被稱為 擴展頻譜 DOCSIS（Extended Spectrum DOCSIS, ESD），具體體現為上行與下行頻譜的獨立擴展，兩者互不干擾，在 FDD 模式中，5-85 MHz 頻段仍保留供舊版設備使用（與先前版本一致），而上行頻譜則可擴展至高達 684 MHz，從而將 108-684 MHz 頻段專用於上行傳輸；同時 FDD 引入了四種新的分頻選項：300 MHz、396 MHz、492 MHz 和 684 MHz，進一步提升上行頻寬靈活性；此外 FDD 模式將下行頻譜擴展至 1.8 GHz，使多系統運營商（MSOs）能夠提供更大的頻寬和更高的數據傳輸速率，同時實現上下行頻寬的對稱配置，滿足更高效穩定的網路需求。
另一方面，FDX（全雙工 DOCSIS, Full Duplex DOCSIS） 是一項全新的技術，首次引入並未曾使用過，FDX 透過允許網路設備在相同的 108-684 MHz 頻譜內，同時進行下行通道（Downstream Channel）和上行通道（Upstream Channel）的傳輸，顯著提升了網路容量，此外下行專用頻譜的範圍還進一步擴展至 1.2 GHz，進一步增強了頻寬利用率與傳輸能力。
FDX 的上行容量提升依賴於共享頻譜設計，這使其具備了更高的靈活性和效率，在 108-684 MHz 頻段內，不同用戶可以根據需求進行多樣化操作，而不會引發干擾；然而，由於上行訊號和下行訊號共用相同的頻譜，FDX 的實現需要依賴全新的回波消除技術，該技術的核心在於 電纜數據機（Cable Modem, CM），它必須有效消除由共享頻譜引起的干擾，這一要求顯著增加了相關設備（例如節點、電纜數據機和放大器）在設計與實現過程中的複雜性。
相比之下，DOCSIS 3.1 和 FDD 技術未採用共享頻譜設計，因此不存在回波干擾的問題，這使得它們在硬體實現上更加簡單，技術門檻和部署成本也相對較低。
Source: Data-Over-Cable Service Interface Specifications DOCSIS® 4.0 - CableLabs
多系統運營商（MSOs）可以根據自身需求靈活選擇採用 FDD 或 FDX 技術，但無法同時部署兩者，這是因為兩種技術在部署方式和所需設備上存在顯著差異，導致同時實施的成本過高；目前尚未確定哪種技術更受偏好，但 CableLabs 已經為這兩種技術制定了 DOCSIS 4.0 的規範，為運營商提供了充分的選擇空間。
DOCSIS 4.0 的推行
DOCSIS 4.0 的初版規範於 2019 年 8 月發布，並已經過多次修訂，未來也將持續完善，該規範包括 PHY 層與 MAC 層的內容，以及系統在 DOCSIS 4.0 中的通訊方式；PHY 層指的是開放系統互連模型（OSI 模型）的物理層，負責管理設備之間的位元級 (bit-level) 資料傳輸，並協助同步通訊；MAC 層包含了運行網路所需的必要功能，更多訊息可參考由 CableLabs 主辦的 CableLabs-hosted 10G Showcase。在矽晶片可用性方面，專注於 DOCSIS 4.0 的晶片製造商數量雖然有限，但市場上仍有多種選擇，根據多系統運營商（MSOs）的消息和試驗結果，用於 FDX 和 FDD 設備（包括遠端物理層設備（Remote PHY）和電纜數據機）的矽晶片已經上市供應，據報導，Broadcom 和 MaxLinear 正積極參與 DOCSIS 4.0 矽晶片的開發工作。
DOCSIS 4.0 面臨的挑戰
由於 FDD（頻分雙工） 和 FDX（全雙工 DOCSIS） 的性質截然不同，這兩種技術的部署方式也存在顯著差異。FDD 作為 DOCSIS 3.1 的延伸，本應更容易部署，但由於使用了更寬的頻段，基礎設施必須進行相應的準備；FDD 使用 1.2 GHz 至 1.8 GHz 的頻譜，這需要更換包括分接頭（Taps）和放大器（Amplifiers）在內的主動與被動設備；由於傳統放大器僅支援高達 1 GHz 的頻段，無法滿足該技術的需求，這使得部署變得非常複雜且昂貴；截至 2023 年，支援更高頻段的新型放大器開始進入市場，為這一挑戰提供了解決方案。
FDX 的設計則更適用於 N+0 拓撲結構，即將光纖網路延伸至靠近家庭的位置，也稱為 Fiber-Deep（深度光纖化）；在 N+0 結構中，"N" 代表節點，而數字 "0" 則表示不需要放大器；然而，一旦 FDX 放大器開始進入市場，N+0 結構將變成一種高成本的解決方案，對大多數有線網路的覆蓋範圍來說並不適用，特別是在沒有完善基礎設施的偏遠地區，部署 FDX 會面臨更大的挑戰，這些區域的現有條件必須被納入考量。
對於大多數有線網路的覆蓋範圍來說，N+0 拓撲結構並不實用，主要是因為該結構的高成本以及其對基礎設施的嚴格要求，以下是具體原因的解釋：
1. 高成本問題：
- N+0 拓撲結構依賴於光纖延伸至靠近用戶的位置，這需要大量的基礎設施投資，例如：光纖佈線、節點升級、以及相關設備的部署；而且，FDX 放大器的加入會進一步增加硬體和施工的成本。
- 在已經建成的有線網路中，大部分採用的是 N+X 結構，其中 X 表示節點之後仍有多個放大器來擴展覆蓋範圍；相比之下，N+0 結構移除了這些放大器，表示需要更高密度的節點，進一步提升了佈建成本。
2. 偏遠地區的挑戰：
- 偏遠地區的用戶密度較低，每一個節點所覆蓋的用戶較少，在這種情況下，採用 N+0 結構需要大量資金投入，卻無法實現相對應的經濟效益。
- 此外，偏遠地區的現有基礎設施通常較為落後，例如：當地可能缺乏足夠的光纖佈設、或節點支援，這使得要完成 N+0 的全光纖化升級更加困難且昂貴。
網路頻寬與頻道擴展的工具與策略
規劃並實施這些擴展頻寬的過程中，必然需要採用新工具和新策略，為適應不斷變化的頻譜需求，一些必要的部署要素包括：- 覆蓋全頻段的協定分析儀（Protocol Analyzer）
一台能夠覆蓋整個頻率範圍的協定分析儀，可以幫助運營商在開始使用更高頻段時將資本支出降至最低。 - 上下行頻道配置
支援根據頻譜需求的變化，自由配置上行頻道（Upstream Channel）和下行頻道（Downstream Channel）在不同的頻段運行，確保系統能夠靈活適應新頻段的操作需求。 - 模組化儀器
採用模組化設計的儀器，使系統功能能夠隨著網路需求的變化進行升級和擴展，從而在使用相同硬體與元件的基礎上增加更多功能。 - 同步運行的多系統
能夠同步運行的多系統，用於擴展 DOCSIS 頻段的覆蓋範圍與分析能力，滿足更大規模的網路需求。
測試 DOCSIS 4.0
在一台電纜數據機（Cable Modem, CM）推向市場之前，必須通過 CableLabs 的 PHY 層接受測試程序（ATP） 認證，所有設備都需完成一系列測試，以證明其符合相關規範並具備與其他已認證設備的互通性；這些基於共同規範的互通性設備，不僅能為用戶提供更多選擇，還能確保新技術的順利部署，並有效降低多系統運營商（MSOs）和消費者的成本；MSOs 必須將數據機送至 Kyrio 進行認證，Kyrio 會針對不同的 PHY 層運行 ATP 測試，並將測試結果與規範要求進行對比，以確保設備達到認證標準。
因此自動化 ATP 測試顯得尤為重要，若採用手動方式執行這些測試，不僅可能耗費數月時間，還難以確保結果的一致性和可重複性；而自動化測試系統則能大幅縮短測試時間，並在每次測試中都提供穩定、可靠且可重現的結果，無論測試運行多少次，系統都能始終保持一致的資料與準確性，確保測試過程的高效性與精確性。
為此 Jupiter 310（J310） 被設計開發，專門用於自動執行 DOCSIS 3.0、3.1 和 4.0 的 PHY ATP 測試，全球各地的晶片製造商廣泛採用這套儀器，以確保其產品順利通過 Kyrio 的認證，通過所有測試至關重要，因為每次將數據機送交認證，都可能消耗大量時間與成本；為了降低失敗風險，許多公司選擇在內部部署 J310 進行預認證測試，在產品送至 Kyrio 之前，先解決任何與 ATP 測試標準不符的問題；J310 還能快速產生必要的文件，滿足公司對測試結果可追溯性的需求，從而進一步提升測試效率並降低潛在成本。
像 Jupiter 310（J310） 這樣的自動化工具，在縮短產品上市時間、降低測試失敗風險、以及確保設備符合規範方面發揮了關鍵作用，它已成為 DOCSIS 4.0 測試流程中不可或缺的一環，為加速技術部署和提升測試效率提供了有力支持。
DOCSIS 協定分析
在基礎層面上，網路運營商可以透過協定分析（Protocol Analysis），通常稱為「資料封包攔截（Packet Sniffing）」來捕捉資料封包，並將其解碼為各個構成部分，特別是用於排查通訊問題時；儘管協定分析儀的傳統功能主要集中於資料封包攔截，但它的應用範圍遠不止於此，例如，它在網路管理的多個層面上發揮著重要作用，包括分析、除錯、維護以及監控本地網路和互聯網連接。透過提供網路流量的詳細統計資料，協定分析儀能幫助多系統運營商（MSOs）識別可能引發網路問題的潛在趨勢，由於這些工具的高效多功能性，它們適用於負責網路管理的技術人員，以及需要深入了解流量問題的使用者，協定分析儀的應用場景包括：
- 排查即時故障和服務中斷問題
- 分析網路中的異常行為
- 產生即時和歷史統計資料，用於監控鏈路健康狀況及觀察長期行為模式
- 支援實驗室中的測試和驗證工作
在過去幾十年中，協定分析工具已被證明是除錯和解決網路問題的有效方案，由於網路環境的不斷變化，協定分析儀需要具備靈活性、可升級性、和可擴充性，以應對不斷演進的協定標準，如 DOCSIS 4.0；同時，協定分析儀還必須保持向下相容性，以確保與舊版技術的相容運行。
協定分析儀憑藉其非侵入式網路探測功能，結合對射頻（RF）量測和MAC 層通訊分析的能力，為網路監控提供了更高層級的保障，這種功能組合使其能夠有效地檢測和分析網路問題，同時不會干擾現有的網路運行。
以下是協定分析儀的重要功能：
- MAC 層通訊驗證：
- 驗證來自 CMTS（電纜數據機終端系統）或 CM（電纜數據機）的消息是否正確格式化。
- 確認 CMTS 和 CM 之間的某些交易（例如 REQ/RSP/ACK 機制）在正常條件下是否正確執行。
- 透過分析產生的 MAC 消息內容，檢測 CMTS 或 CM 對某些事件的反應是否符合預期。
- 即時解調功能：
- 即時解調和顯示 OFDM 通道描述符（OCD），提供關鍵除錯訊息，幫助診斷 CMTS 問題，並分析 CM 無法鎖定的原因。
- 提供額外的監控能力，允許運營商啟用警報和閾值警示功能，快速反應異常情況。
- 觸發功能：
- 支援捕獲觸發功能，可針對特定類型的消息、或目標來源（MAC 地址）進行配置。
- 硬體觸發功能，可針對特定消息類型進行設置，這一功能可擴展 DOCSIS 測試場景，例如與頻譜分析儀、或自訂解決方案整合，進一步提升測試可能性。
- 通訊資料封包的記錄能力：
- 提供資料封包的記錄和儲存功能，用於後續分析和溯源。
- 多協定標準支援：
- 支援多種協定標準，以適應不同的網路環境和技術需求。
結論
DOCSIS 是一個持續演進的協定，將隨著使用者需求的不斷變化而持續發展，依靠既有基礎設施的優勢，DOCSIS 的升級不僅具備實現的可行性，還能兼顧成本效益，這確保了它在未來的長期技術發展中繼續扮演關鍵角色。隨著越來越多的多系統運營商（MSOs）開始評估並部署 DOCSIS 4.0 設備及其功能，他們也需要審慎考慮必備的工具，以確保網路具有最高的可用性並保持穩定運行；適當的測試設備應具備快速、自動化和靈活的特性，以滿足產業快速發展的需求，透過將認證設備內部化，MSOs 不僅能顯著提高工作效率，還能在競爭激烈的時效內實現目標；此外，協定分析工具可以幫助運營商全面了解網路的複雜性，並確保網路性能達到預期標準，進一步提升網路運營的可靠性和效率。
DOCSIS 的未來不僅關乎技術的提升，也依賴於準確的測試和可靠的分析工具來支持網路性能的優化和持續改進。