Banda Ancha Residencial Primera parte

Banda Ancha Residencial Primera parte
Master de Telemática, Mondragon Unibertsitatea San Sebastián, de mayo de 2001 Rogelio Montañana Universidad de Valencia

Sumario Introducción Fundamentos técnicos Redes CATV ADSL y xDSL
Sistemas por microondas: LMDS Comparación de las diversas tecnologías

Características de RBB
Acceso con caudal superior a RDSI básico (128 Kb/s). Comunicación full dúplex (puede ser asimétrica) Precio moderado Usuario inmóvil (conexión por cable o por medios inalámbricos) Normalmente conexiones permanentes (tarifa plana) El concepto de acceso residencial de banda ancha va asociado a una serie de características entre las que destacamos: Capacidad superior a 128 Kb/s. Esto diferencia el RBB de los accesos residenciales ‘tradicionales’, tales como la red telefónica básica (analógica) o la RDSI (Red Digital de Servicios Integrados). La mayor capacidad permite hacer uso de aplicaciones y contenidos a los que no sería posible o viable acceder con los sistemas tradicionales. Comunicación full dúplex. La comunicación debe poder realizarse en ambos sentidos simultáneamente para que el usuario (cliente) interaccione con el servidor y dirija así su comportamiento. El caudal puede ser asimétrico ya que el flujo de información será mayor normalmente en el sentido servidor->cliente que al contrario. Es habitual encontrar ratios de asimetría 10:1 o incluso superiores entre el caudal en un sentido y el contrario. Precio moderado. Dado que el usuario RBB contrata el servicio normalmente por razones de esparcimiento, no profesionales, los precios deben ser asequibles, ya que de lo contrario renunciará a él. Usuario inmóvil, independientemente de que la conexión se realice mediante cable o por medios inalámbricos. El usuario puede tener una movilidad limitada si dispone en su vivienda de algún tipo de LAN inalámbrica. Conexión permanente (tarifa plana). El usuario paga una cuota fija independientemente de la utilización que haga de la conexión. Esto le permite estar permanentemente conectado y utilizar lo que se denomina ‘push mode’, es decir que el servidor le envíe la información cuando está disponible, sin ninguna acción por su parte. Por ejemplo los mensajes de correo electrónico pueden entregarse en tiempo real.

Aplicaciones de RBB La prevista en 1995: VoD (Video on Demand), NVoD (Near Video on Demand). Dudosa rentabilidad. En la actualidad: Fast Internet (navegación web, teleenseñanza, teletrabajo, videoconferencia, etc.) Convergencia con TV digital (DVB, Digital Video Broadcast) DVB-S: Satélite DVB-C: Cable DVB-T: Terrestre Hace unos 4 ó 5 años casi todas las referencias a RBB planteaban como aplicación típica la difusión de vídeo digital mediante servicios de video bajo demanda (VoD). Sin embargo con el tiempo se ha visto que la implantación a gran escala de este tipo servicios plantea una serie de retos técnicos que encarecen su implementación, y está claro que el usuario normal no está dispuesto a pagar por un servicio VoD una cifra sustancialmente superior a la que paga por alquilar una película en su video club. Por tanto, a pesar de que se han desarrollado, especialmente en Estados Unidos, algunas experiencias piloto de los servicios de VoD, actualmente la principal motivación para la puesta en marcha de servicios RBB estriba en el acceso a Internet de alta velocidad también conocido como Fast Internet. Por otro lado es importante destacar que en casi todos los casos el servicio RBB utiliza el mismo acceso físico que la televisión digital. Existe una gran convergencia entre ambas tecnologías, lo cual redunda en beneficio de los usuarios, ya que en el diseño y fabricación de módems y otros elementos de RBB y televisión digital se pueden utilizar los mismos chips y otros componentes, con el consiguiente abaratamiento de los equipos gracias a la economía de escala. Un canal de TV digital permite enviar entre 4 y 8 canales MPEG-2 donde antes solo cabía uno (según el factor de compresión utilizado). La televisión digital se utiliza ya ampliamente en emisiones vía satélite, empieza a utilizarse en televisión por cable y se encuentra en pruebas en emisiones terrestres.

Fuente: http://www.pioneerconsulting.com/globalbroadband/index.html
En esta gráfica se muestra de forma comparativa la evolución prevista para los próximos años del mercado de servicios de bana ancha en el entorno residencial y de negocios. Como puede verse la proporción entre uno y otro se mantiene aproximadamente constante en una relación 2:1 (residencial:negocios). Fuente:

Limitaciones del RBB Bajo costo de mantenimiento ( ptas/mes) Bajos costes de instalación. Compatible con cableado doméstico (par telefónico o cable coaxial de antena de TV). Autoconfiguración y autoprovisionamiento (instalable por el usuario final). Manejo sencillo. Para tener éxito la RBB debe tomar en cuenta una serie de limitaciones, entre las que destacaremos las siguientes: Bajo costo: El usuario particular no está dispuesto a pagar una cantidad elevada por un servicio que contrata para fines de esparcimiento. Si se fija una cuota excesiva se pierde la mayor parte de los usuarios potenciales, con lo que el costo de implantación y mantenimiento de las infraestructuras se hace insostenible. Como ya es sabido por servicios similares ofrecidos en otros países la cuota razonable está entre las y las ptas al mes, en función de la calidad del servicio. Por debajo de este rango el tiempo de amortización de las inversiones resulta excesivamente largo, mientras que por encima el número de clientes se reduce de forma excesiva. Compatibilidad con el cableado doméstico. Actualmente esto significa cable telefónico o de antena de televisión. Una tercera opción en estudio es la red de distribución de energía eléctrica, aunque esto plantea problemas técnicos serios, especialmente a velocidades elevadas. Los costes de instalación se incrementan de forma notable si el sistema a implantar requiere la visita de un técnico a domicilio. Idealmente todos los dispositivos necesarios deberían ser instalables por el usuario final. En un estudio se calculó que el tiempo dedicado por un ISP a responder las consultas telefónicas de los nuevos usuarios tenía un costo medio equivalente a dos meses de la cuota de suscripción. La subestimación de este factor ha hecho perder dinero a muchos ISPs, algunos de los cuales han decidido abandonar por este motivo el mercado residencial y dedicarse en exclusiva a empresas, que normalmente tienen personal cualificado propio por lo que utilizan menos el servicio de soporte telefónico. El manejo sencillo es fundamental cuando se trata de un servicio que se dirige al gran público. En lo posible los equipos deben ser autoconfigurables, o sea de funcionamiento ‘Plug & Play’.

Fundamentos técnicos de RBB
Modelo de referencia Medios físicos de transmisión de la información digital. Límites en la capacidad de transmisión de la información digital. Teorema de Nyquist y Ley de Shannon Control de errores Multicast

Arquitectura de una red RBB
Modelo de referencia RBB Servidor Red del proveedor de contenidos (ATM, enlaces Punto a Punto, Frame Relay, etc.) Red de transporte (ATM, Packet Over SONET) Red de acceso RBB (CATV, ADSL, etc.) Terminador de red (Ethernet, USB) Cliente En la red de comunicaciones que ofrece servicios telemáticos al usuario de RBB podemos distinguir diversos elementos: El servidor: es el ordenador que contiene la información solicitada por el usuario, por ejemplo un servidor Web o de vídeo bajo demanda. Red del proveedor de contenidos: esta es la conexión permanente de alta capacidad del servidor a Internet (por ejemplo un enlace punto a punto o una conexión ATM). Red de Transporte: es la red a la que se conecta la del proveedor de contenidos, normalmente gestionada por un operador que puede o no ser el mismo que opera la red RBB. Desde el punto de vista tecnológico esta red puede ser por ejemplo ATM o POS (Packet Over SONET). Red de Acceso: la red de transporte sería como la autopista o carretera principal que solo da acceso a las grandes ciudades.La capilaridad necesaria para llegar a cada ‘pueblo’ (cada vivienda) nos la suministra la red de acceso RBB, que es el objeto de este curso. Es aquí donde se dan todas las propuestas mas o menos novedosas desde el punto de vista tecnológico que comentaremos. El terminador de red es el elemento que delimita las responsabilidades del operador de la red RBB. Por ejemplo en el caso de una red de TV por cable sería el cable módem. Por último el cliente es el ordenador del usuario final, desde el cual éste accede al servicio.

Arquitectura completa de una red RBB
Merece la pena destacar que, aunque nuestro énfasis irá dirigido a la red de acceso residencial de banda ancha (RBB), ésta es solo un eslabón de la cadena y el correcto funcionamiento de un servicio RBB solo es posible si todos los elementos han sido estudiados y diseñados cuidadosamente para su funcionamiento conjunto, no solo la red de acceso, ya que la calidad del servicio percibido por el usuario final es función de todos. El cuello de botella en la comunicación, que puede darse en cualquier punto del sistema, será a fin de cuentas lo que limitará la calidad del servicio ofrecido.

Red de Datos de un operador
Cabecera Cable TV Comp B Comp A Inalámbrico POTS RDSI Cable Frame ATM FUNI D/C ISP1 ISP2 IDSL/ SDSL ADSL VDSL/ ATM DSLAM Backbone SONET/ATM Switch En la red de un gran operador como la que vemos en la figura nos podemos encontrar con una mezcla de todas las tecnologías que veremos durante este curso, y algunas mas. En muchos casos el elemento común que permite el uso de todas estas redes, tan diferentes en lo que a sus características técnicas se refiere, es el protocolo de red IP de la Internet.

Medios de transmisión de la información digital
Cables Metálicos (de cobre) Coaxial: CATV (redes de TV por cable) Par trenzado: ADSL Fibra óptica monomodo: redes de transporte, FTTC (Fibre To The Curb), FTTH (Fibre To The Home) Aire (microondas): Satélites, LMDS Antes de hablar de las tecnologías RBB repasaremos brevemente las características de los medios físicos utilizados para transmitir las ondas electromagnéticas, por medio de las cuales se transporta la información digital que nos interesa. En primer lugar tenemos los denominados medios guiados, es decir cables. Éstos pueden ser metálicos (generalmente de cobre) o de fibra óptica. Los cables de cobre pueden ser a su vez de dos tipos: coaxiales, como el que se utiliza en las redes de TV por cable o de pares trenzados no apantallados, que es el cable utilizado normalmente en telefonía; este cable es el utilizado en ADSL y en todos los servicios denominados conjuntamente como xDSL. La fibra óptica puede ser a su vez multimodo o monomodo. Dado su alcance limitado (2 Km) la fibra multimodo no se utiliza en redes RBB. La monomodo tiene un mayor alcance (hasta Km) y gran capacidad, aunque también un costo mayor pues utiliza emisores láser. Por esta razón la fibra óptica se utiliza normalmente en la red de transporte, no en la red de acceso. Por último tenemos la transmisión de ondas por medios no guiados, es decir por el aire. En esta categoría se encuentran las transmisiones vía satélite y por LMDS (Local Multipoint Distribution System) que utiliza la propagación de microondas por la superficie terrestre.

Problemas de las señales de banda ancha en cables metálicos
Atenuación Es la reducción de la potencia de la señal con la distancia. Motivos: Calor Emisión electromagnética al ambiente La atenuación es el principal factor limitante de la capacidad de transmisión de datos. La propagación de ondas electromagnéticas de alta frecuencia a través de conductores metálicos presenta una serie de características que limitan su alcance y/o capacidad. La principal es la atenuación de la señal, que se produce por la pérdida de energía en forma de calor y de radiación electromagnética al ambiente.

Factores que influyen en la atenuación: Grosor del cable: menor atenuación cuanto más grueso (a menos resistencia menos pérdida por calor) Frecuencia: a mayor frecuencia mayor atenuación (proporcional a la raíz cuadrada) Tipo de cable: menor atenuación en coaxial que en par trenzado (menos emisión electromagnética) Apantallamiento (solo en coaxial): a mas apantallamiento menor atenuación (menos emisión electromagnética) La frecuencia influye en el aumento de la atenuación de forma aproximadamente proporcional al cuadrado de ésta. Uno de los factores que influyen en este comportamiento es el conocido como ‘efecto piel’ por el cual las corrientes de alta frecuencia se transmiten utilizando únicamente la superficie del conductor de cobre, no el núcleo. Cuanto mayor es la frecuencia mayor es la influencia de este comportamiento. El grosor del cable también influye en la atenuación. Para una frecuencia dada un cable de mayor grosor tiene menor atenuación. Asimismo en el caso de cables coaxiales la atenuación es menor cuanto mayor es el apantallamiento del cable.

Atenuación en función de la frecuencia para un bucle de abonado típico (cable de pares)
Frecuencia (KHz) 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -20 -40 Atenuación (dB) 3,7 Km -60 Esta figura muestra un ejemplo concreto (para el caso de ADSL) de cómo evoluciona la atenuación de la señal en función de la frecuencia para dos longitudes de cable dadas. 5,5 Km -80 -100 -120

Desfase: Es la variación de la velocidad de propagación de la señal en función de la frecuencia. Resulta importante cuando se utiliza un gran ancho de banda Interferencia electromagnética: Externa (motores, emisiones de radio y TV, etc.). Es mucho mayor en cable no apantallado De señales paralelas:diafonía o crosstalk (efecto de cruce de líneas). El crosstalk también aumenta con la frecuencia Otro problema es el desfase, que consiste en al distorsión de la señal debida a la diferente velocidad de propagación de la onda en función de la frecuencia. Cuanto mayor es la anchura de banda del canal mayor es el desfase. Para un ancho de banda dado el desfase es directamente proporcional a la distancia recorrida; por otro lado cuanto mayor es la capacidad del canal mas sensible es el receptor al desfase. La combinación de estos dos factores lleva a expresar a menudo la capacidad máxima en términos de capacidad*distancia. Por último tenemos la interferencia electromagnética. Aquí podemos distinguir dos tipos. Por un lado la inducida por factores externos, tales como arranque de motores o emisiones comerciales de radio o televisión, y por otro el denominado crosstalk, que es la interferencia debida a señales que inevitablemente acompañan a la que nos interesa, por ejemplo en una comunicación full dúplex cada señal produce una cierta interferencia en el sentido opuesto. Otro ejemplo es la inducción producida por señales que viajan en cables paralelos, que están en un mismo mazo.

La señal inducida en cables vecinos se propaga en ambas direcciones
La señal eléctrica transmitida por un par induce corriente en pares vecinos Crosstalk La señal inducida por un cable en otro viaja en ambas direcciones, hacia el emisor y hacia el receptor. La señal inducida en cables vecinos se propaga en ambas direcciones

Near end Crosstalk (NEXT)
Aquí se muestra el tipo de crosstalk del extremo cercano o NEXT (Near End Crosstalk). La señal inducida viaja hacia el emisor. Si la fuente de interferencia se produce lejos del emisor el NEXT es pequeño ya que la señal ha de viajar una gran distancia y llega más atenuada; en cambio si se produce cerca del emisor la señla es fuerte. El NEXT lo produce la señal inducida que vuelve y es percibida en el lado del emisor

Far end crosstalk (FEXT)
El otro tipo de crosstalk es el del extremo lejano o FEXT (Far End Crosstalk). En este caso la corriente inducida sigue el mismo sentido que la original, por lo que se manifiesta en el lado del receptor. En este caso la intensidad de la señal recibida es independiente de donde se produce la interferencia, ya que la señal ha de viajar la misma distancia en cualquier caso. El FEXT lo produce la señal inducida que es percibida en el lado receptor. Es mas débil que el NEXT

El FEXT y el NEXT aumentan con la frecuencia. El NEXT es más fuerte que el FEXT porque la intensidad de la señal es mayor. Si se usa una frecuencia distinta para cada sentido el NEXT no es problema. Si se usa el mismo par para ambos sentidos (ADSL) el uso de diferentes frecuencias también evita los problemas del eco (señal que ‘rebota’ en el mismo par debido a empalmes e irregularidades en el cable).

Distinción entre bit y baudio
Bit (concepto abstracto): unidad básica de almacenamiento de información (0 ó 1) Baudio (concepto físico): veces por segundo que puede modificarse la característica utilizada en la onda electromagnética para transmitir la información La cantidad de bits transmitidos por baudio depende de cuantos valores diferentes pueda tener la señal transmitida. Ej.: fibra óptica, dos posibles valores, luz y oscuridad (1 y 0): 1 baudio = 1bit/s. El bit es la unidad básica de información y solo puede tener dos valores, que generalmente representamos como 0 ó 1. El bit es un concepto abstracto, aunque en la práctica se almacena en un dispositivo físico (por ejemplo un transistor) que puede tener dos estados, que asociamos a 0 y 1. En cambio el baudio, la unidad básica de transmisión de información, no es un concepto abstracto sino que va asociado al medio físico concreto por el que se transmite ésta, que casi siempre es una onda electromagnética. Para transmitir la información dicha onda ha de poder variar alguna de sus características (por ejemplo la amplitud) entre una serie de valores posibles. Los baudios indican el número de veces por segundo con que podrá cambiar esa característica, elegida para transmitir la información. Si la amplitud puede variar entre 2 posibles valores se asocia un bit a cada baudio y el número de baudios coincide con el de bits por segundo. Pero si hay cuatro valores posibles podremos transmitir dos bits por baudio, con lo que el número de bits por segundo será doble que el número de baudios. Por ejemplo en RDSI los datos se transmiten mediante pulsos de cuatro posibles voltajes, +2,64, +0,88, -0,88 y –2,64 Voltios. A menudo se utiliza el término símbolo como sinónimo de baudio. Estrictamente hablando hay una diferencia entre ambos, ya que un baudio es un símbolo por segundo.

Con tres posibles niveles de intensidad se podrían definir cuatro símbolos y transmitir dos bits por baudio (destello): Símbolo 1: Luz fuerte: 00 Símbolo 2: Luz media: 10 Símbolo 3 Luz baja: 01 Símbolo 4 Oscuridad: 00 Pero esto requiere distinguir entre los tres posibles niveles de intensidad de la luz En cables de cobre se suele transmitir la información en una onda electromagnética (corrientes eléctricas). Para transmitir la información digital se suele modular usando la amplitud, frecuencia o fase de la onda transmitida.

Modulación de una señal digital
1 1 1 1 1 Señal binaria Modulación en amplitud Modulación en frecuencia Modulación en fase Cambios de fase

En algunos sistemas en que el número de baudios esta muy limitado (p. ej. módems telefónicos) se intenta aumentar el rendimiento poniendo varios bits/s por baudio: 2 símbolos: 1 bit/s por baudio 4 símbolos: 2 bits/s por baudio 8 símbolos: 3 bits/s por baudio Esto requiere definir 2n símbolos (n=Nº de bits por baudio). Cada símbolo representa una determinada combinación de amplitud (voltaje) y fase de la onda. La representación de todos los símbolos posibles de un sistema de modulación se denomina constelación Una onda electromagnética tiene tres características que pueden emplearse (o modularse) para transmitir información: la amplitud, la frecuencia y la fase. En telemática suele modularse en amplitud o en fase, casi nunca se emplea la modulación en frecuencia. La codificación binaria emplea únicamente dos valores de amplitud, por lo que cada símbolo representa un bit. A menudo el número de símbolos por segundo está limitado por el medio físico, por lo que para aumentar la capacidad hay que utilizar codificaciones en las que un símbolo representa varios bits.

Constelaciones de algunas modulaciones habituales
Amplitud Fase Binaria simple 1 bit/símb. 1 2B1Q (RDSI) 2 bits/símb. 2,64 V 0,88 V -0,88 V -2,64 V 00 01 10 11 QAM de 4 niveles 2 bits/símb. 01 00 10 11 Portadora QAM de 32 niveles (Módems V.32 de 9,6 Kb/s) 5 bits/símbolo 11111 11000 01101 00011 00100 La codificación 2B1Q (utilizada en RDSI, por ejemplo) contempla cuatro valores diferentes de amplitud, con lo que un símbolo puede transportar dos bits. Las técnicas más sofisticadas utilizan amplitud y fase. Por ejemplo la codificación 4QAM consigue también dos bits por baudio combinando dos valores de amplitud y dos de fase. 4QAM es una modulación más robusta que 2B1Q, aunque su mayor complejidad la hace también más costosa. Los estados de una técnica de modulación se representan en gráficos bidimensionales con la amplitud en el eje de abscisas y la fase en el de ordenadas. Dichas gráficas se denominan ‘constelaciones’. En la figura podemos ver las constelaciones de las modulaciones mencionadas, así como la 32QAM utilizada en los módems V.32 (9,6 Kb/s) . Esta define 32 estados combinando diversos valores de amplitud y fase, lo cual permite representar 5 bits por símbolo. Así V.32 sólo ha de transmitir a 1,92 Kbaudios para conseguir los 9,6 Kb/s.

Modulaciones más utilizadas en RBB
Técnica Símbolos Bits/símbolo Utilización QPSK (4QAM) 4 2 CATV ascendente, satélite, LMDS 16QAM 16 CATV ascendente, LMDS 64QAM 64 6 CATV descendente 256QAM 256 8 Varias Hasta 65536 Hasta 16 ADSL En esta tabla se muestran las modulaciones mas utilizadas en redes RBB. Las modulaciones más eficientes suelen ir asociadas a canales de comunicación más fiables (con una mayor relación señal/ruido). QPSK: Quadrature Phase-Shift Keying QAM: Quadrature Amplitude Modulation

Teorema de Nyquist (1924) El número de baudios transmitidos por un canal nunca puede ser mayor que el doble de su ancho de banda (dos baudios por hertzio). En señales moduladas estos valores se reducen a la mitad (1 baudio por hertzio). Ej: Canal telefónico: 3 KHz  3 Kbaudios Canal ADSL: 1 MHz  1 Mbaudio Canal TV PAL: 8 MHz  8 Mbaudios Recordemos que se trata de valores máximos Ya en 1924 Nyquist demostró por procedimientos puramente teóricos que existía un límite máximo en el número de baudios que podían transmitirse por un canal, y que dicho límite era igual al doble de su ancho de banda. Por ejemplo en el caso de un canal telefónico, con una anchura de 3 KHz, el máximo es de 6 Kbaudios. Para un canal de televisión PAL con una anchura de 8 MHz el máximo sería de 16 Mbaudios. Podemos comprender intuitivamente el Teorema de Nyquist si pensamos que la secuencia de símbolos a transmitir puede fluctuar entre dos situaciones extremas: transmitir siempre el mismo símbolo o transmitir cada vez un símbolo con un valor de amplitud opuesto al anterior. En el primer caso tendríamos una señal constante d frecuencia cero, mientras que en el segundo la frecuencia será la mitad que el número de símbolos transmitido (ya que dos símbolos consecutivos formarían una oscilación completa). Así pues la anchura de banda, que sería igual a la diferencia entre estos dos casos extremos, sería la mitad del número de símbolos transmitidos por segundo. En la práctica, cuando se trata de señales moduladas (que es el tipo de señales que se dan en casi todos los casos en RBB) el número de baudios no puede ser mayor que el ancho de banda del canal. Por tanto en los ejemplos anteriores (canal telefónico y canal de televisión PAL) el máximo sería de 3 Kbaudios y 8 Mbaudios, respectivamente.

Teorema de Nyquist (1924) El Teorema de Nyquist no dice nada de la capacidad en bits por segundo, ya que usando un número suficientemente elevado de símbolos podemos acomodar varios bits por baudio. P. Ej. para un canal telefónico: Anchura Símbolos Bits/Baudio Kbits/s 3 KHz 2 1 3 8 9 1024 10 30 El teorema de Nyquist nos limita los baudios, pero no dice nada respecto al número de bits por baudio. Por tanto nos permite transmitir información de forma ilimitada ya que podemos enviar un numero en principio ilimitado de bits por baudio. Por ejemplo en el caso de los módems telefónicos esta es básicamente la técnica que se ha empleado para ir aumentando el caudal sin aumentar la anchura del canal utilizado. En la práctica para enviar varios bits por baudio es necesario utilizar muchos símbolos diferentes, ya que el aumento se realiza de manera exponencial.

Ley de Shannon (1948) La cantidad de símbolos (o bits/baudio) que pueden utilizarse dependen de la calidad del canal, es decir de su relación señal/ruido. La Ley de Shannon expresa el caudal máximo en bits/s de un canal analógico en función de su ancho de banda y la relación señal/ruido : Capacidad = BW * log2 (1 + S/R) donde: BW = Ancho de Banda S/R = Relación señal/ruido Este caudal se conoce como límite de Shannon. A medida que aumenta el número de bits por baudio se incrementa el número de estados diferentes que el receptor ha de poder discernir, y se reduce la distancia entre éstos en la correspondiente constelación. En canales muy ruidosos puede llegar a ser difícil distinguir dos estados muy próximos. Como cabría esperar, el número máximo de estados que el receptor pueda distinguir depende de la calidad del canal de transmisión, es decir de su relación señal/ruido. Ya en 1948 Shannon dedujo una expresión que cuantificaba la capacidad máxima de un canal analógico en función de dos parámetros: su ancho de banda y su relación señal/ruido.

Ley de Shannon: Ejemplos
Canal telefónico: BW = 3 KHz y S/R = 36 dB Capacidad = 3,3 KHz * log2 (3981)† = 39,5 Kb/s Eficiencia: 12 bits/Hz Canal TV PAL: BW = 8 MHz y S/R = 46 dB Capacidad = 8 MHz * log2 (39812)‡ = 122,2 Mb/s Eficiencia: 15,3 bits/Hz † 103,6 = 3981 ‡ 104,6 = 39812 Aquí tenemos la aplicación de la ley de Shannon a nuestros dos ejemplos: un canal telefónico con una relación señal/ruido de 36 dB (que corresponde a condiciones ideales) y un canal de televisión por cable PAL, con una relación señal/ruido de 46 dB (valor que se da normalmente en la realidad). Se puede observar que la capacidad de un canal telefónico se encuentra ya cerca del límite de sus posibilidades con la última generación de módems de 33,6 Kb/s. Por eso en la práctica cualquier imperfección en las características de la línea es razón suficiente para que la comunicación no pueda establecerse a dicha velocidad. El teorema de Shannon no se aplica a los módems V.90 (56 Kb/s) ya que en este caso el canal no es analógico. Los módems V.90 consiguen una velocidad superior aprovechando el hecho de que la comunicación se inicia en la RDSI. Los módems V.90 solo mejoran la comunicación en un sentido, ya que en el sentido opuesto se mantiene la velocidad máxima en 33,6 Kb/s. Una simplificación del Teorema de Shannon fácil de recordar es la siguiente: la eficiencia de un canal analógico es de 3,3 bits/Hz por cada 10 dB de relación señal/ruido.

Errores de transmisión
Se dan en cualquier medio de transmisión, especialmente en RBB ya que: Se utilizan cables de cobre (coaxial en CATV y de pares en ADSL) Se cubren distancias grandes El cableado esta expuesto a ambientes hostiles (interferencias externas) Los errores se miden por la tasa de error o BER (Bit Error rate). El BER es la probabilidad de error de un bit transmitido Cualquier medio de transmisión está sujeto a errores. En LANs son típicas tasas de error o BER (Bit Error Rate) de 10-8 a 10-12, en función del medio físico utilizado. Los sistemas RBB no suelen tener fiabilidades tan elevadas, ya que utilizan cableados diseñados para otros fines, o enlaces vía radio que son intrínsecamente menos fiables. En RBB son normales valores de BER de 10-5, o incluso 10-4.

Algunos valores de BER típicos: Ethernet 10BASE-5: <10-8 Ethernet 10/100/1000BASE-T: <10-10 Ethernet 10/100BASE-F, FDDI: < 4 x10-11 Fiber Channel, SONET/SDH:<10-12 CATV, ADSL, Satélite: < Los flujos MPEG-2 (utilizados en TV digital) requieren BER < La transmisión de flujos MPEG-2 es muy sensible a los errores, requiere un medio altamente fiable (BER de ). Por tanto es preciso adoptar medidas correctoras.

Ante la aparición de errores se pueden adoptar las siguientes estrategias: Ignorarlos Detectarlos y descartar la información errónea. Requiere un código detector de errores o CRC (Cyclic Redundancy Code). Introduce un overhead pequeño. Detectarlos y pedir retransmisión. Requiere CRC. El overhead depende de la tasa de errores. Detectarlos y corregirlos en recepción. Requiere un código corrector de errores o FEC (Forward Error Correction), que tiene un overhead mayor que el CRC pues tiene que incorporar más redundancia. De las diversas estrategias posibles ante la aparición de errores en RBB se adopta la de enviar redundancia suficiente en los datos para que el receptor sea capaz de corregirlos.

Control de errores. FEC La TV Digital (y por tanto la RBB) utiliza códigos correctores o FEC (Forward Error Correction). No se puede pedir retransmisión por varias razones: La comunicación es simplex (no hay canal de retorno) La emisión es broadcast (de uno a muchos) Se funciona en tiempo real (la corrección no llegaría a tiempo) Los códigos FEC usados en RBB se llaman Reed-Solomon (RS) El overhead del FEC RS: 8-10% A pesar de su mayor overhead en televisión digital siempre se emplean códigos correctores, llamados FEC (Forward Error Correction). No sería posible emplear códigos detectores porque no se puede pedir retransmisión debido a tres razones: La comunicación en televisión digital es normalmente simplex; al no haber canal de retorno el receptor no puede pedir retransmisión. Se trata de una comunicación broadcast, es decir de un emisor a muchos receptores. Aún en el caso de disponer de un canal de retorno no sería factible que el emisor atendiera las peticiones de retransmisión originadas por los receptores (que podrían ser miles). Al tratarse de información en tiempo real el retardo introducido por las peticiones de retransmisión sería excesivo. Dicho de otro modo, para cuando la información errónea llegara correctamente ya no sería útil puesto que el receptor ya habría tenido que reproducir información posterior (fotogramas o sonido). Todas las tecnologías de RBB emplean códigos FEC Reed-Solomon. Dado que estas funciones se implementan a bajo nivel en el hardware siempre que usamos sistemas RBB empleamos códigos FEC, queramos o no. El overhead introducido por el FEC es de un 8-10% aproximadamente. Gracias al FEC el BER típico puede pasar de 10-5 a 10-10, o menos; esto representa un error por hora en una emisión MPEG-2 de 3 Mb/s, valor que es aceptable en todas las aplicaciones normales.

Control de errores. Interleaving
El FEC no puede corregir muchos errores juntos, funciona mejor si están repartidos. En RBB lo normal son errores a ráfagas (p. Ej. interferencia debida al arranque de un motor). Interleaving: para que sea más eficaz el FEC se calcula sobre una secuencia modificada de los bits que no corresponde a la transmitida; si hay un grupo de bits erróneos en la secuencia original quedarán repartidos en la modificada y el FEC los puede corregir. El interleaving aumenta el retardo. Ej. en CATV para corregir ráfagas de hasta 220 s se ha de introducir un retardo de 4 ms. A menudo los errores en sistemas RBB se deben a interferencias electromagnéticas externas tales como arranque de motores, etc., lo cual provoca errores a ráfagas. Los FEC resultan más efectivos cuando los errores se dan repartidos en la secuencia de datos que cuando se dan agrupados, por lo que para mejorar su eficacia el FEC se calcula sobre una secuencia modificada de los bits a transmitir. Este cambio de orden conocido como interleaving aumenta el retardo, ya que el receptor no puede verificar la secuencia original hasta después de haber recibido todos los bits utilizados en el cálculo del FEC. Por ejemplo en redes CATV el interleaving puede configurarse para proteger de errores a ráfagas de entre 5 a 220 s, lo cual introduce retardos de 95s a 4 ms.

Efecto de interleaving + FEC en corrección de errores a ráfagas
Ráfaga en error Orden de transmisión 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Buffer de interleaving En esta figura vemos un ejemplo simplificado de cómo se realiza el interleaving. Supongamos que tenemos que transmitir 24 bits que numeramos en secuencia , del 1 al 24. Para el cálculo del FEC en vez de manejarlos en su orden natural los organizamos en tres grupos de ocho, y tomamos un bit de cada grupo; por tanto el FEC lo calcularemos sobre la secuencia 1, 9, 17, 2, 10, 18, etc. Al transmitir los bits un error de ráfaga provoca que lleguen alterados los bits 7 a 11; como en la secuencia utilizada para calcular el FEC los bits erróneos están separados el FEC puede corregir esos errores y restaurar la secuencia original. Otra forma de explicar el efecto del interleaving es mediante la siguiente analogía: supongamos que tenemos un fax que por una avería tiene tendencia a omitir fragmentos de líneas de texto cuando éste está escrito en formato vertical (retrato). Como los fragmentos omitidos corresponden a palabras enteras será muy difícil para el receptor adivinar su significado. Pero si escribimos el texto en horizontal (apaisado) los errores afectarán a letras de líneas diferentes (y por tanto de palabras diferentes), con lo que el receptor podrá fácilmente deducir las letras que faltan por el contexto. Por otro lado, mientras que cuando se enviaba en formato vertical el receptor podía ir leyendo líneas a medida que aparecían, cuando se envía en formato horizontal el receptor no puede leer nada de la página hasta que ésta le llega en su totalidad. 1 9 17 2 10 18 3 11 19 4 12 20 5 13 21 6 14 22 7 15 23 8 16 24 Al reordenar los datos para calcular el FEC los errores se reparten

Multicast La transmisión de datos puede ser:
Unicast: dirigido a un solo destinatario. Broadcast: dirigido a todos los posibles destinatarios Multicast: dirigido a algunos de todos los posibles destinatarios. La transmisión multicast es importante en las redes RBB porque permite ofrecer servicios escalables Sirve sobre todo para transmisiones de audio y vídeo en tiempo real. Por su funcionamiento es especialmente adecuada para redes CATV y LMDS La posibilidad de realizar emisiones multicast tiene especial interés en redes RBB por dos razones: Las emisiones multicast permiten un mejor aprovechamiento de los recursos, ya que con ellas se consigue que un mismo tráfico sea enviado a varios usuarios, con la consiguiente ocupación de capacidad, especialmente en los enlaces troncales de la red. Cuando la tecnología de red es de tipo broadcast, cosa que ocurre en la mayoría de las redes RBB, la emisión multicast permite reducir el nivel de ocupación de la red al ser cada paquete recibido por varios usuarios.

Emisión Multicast en una red sin soporte Multicast
Rosa En este ejemplo dos usuarios, Rosa y Juan, están interesados en la misma emisión de paquetes desde el servidor (podría tratarse por ejemplo de una emisión de audio-vídeo digital correspondiente a un evento retransmitido en directo por Internet). En este caso se supone que la red no soporta emisión multicast, por lo que el servidor ha de replicar el tráfico y enviarlo duplicado por el mismo enlace. Juan Replicación de paquetes Luis

Emisión Multicast en una red con soporte Multicast
Rosa Ahora la red tiene soporte multicast, por lo que los routers están capacitados para replicar los paquetes que se han de distribuir allí donde es necesario proceder a su replicación. Juan Replicación de paquetes (El router sabe qué usuarios están en el grupo multicast) Luis

Emisión de un programa en una red multicast
Rosa Juan En esta red, más compleja que la anterior, cada router detecta si algún miembro del árbol de distribución multicast está interesado en la emisión, en cuyo caso se la envía. De lo contrario ‘poda’ el árbol. De esta forma la distribución multicast se optimiza en el sentido de que el tráfico solo discurre por aquellos enlaces por los que es necesario, y solo lo hace una vez. Luis Pedro

Emisión de dos programas en una red multicast
Rosa Juan En este ejemplo se realizan dos emisiones (dos `programas’) diferentes, y cada usuario decide cual de ellas recibe (alguno podría recibir ambas o ninguna). La distribución de tráfico se optimiza como en el ejemplo anterior. Cada router mantiene un árbol de distribución diferente para cada programa en el que participa. Cada árbol se modifica de acuerdo con las selecciones realizadas por los usuarios. Luis Pedro

Mbone: Multicast en Internet
En Internet se han hecho pruebas de tráfico Multicast desde 1992, sobre todo para videoconferencias La red multicast se denomina MBone (Multicast Backbone) A partir de 1997 algunos ISP comerciales se han conectado a MBone

Problemas de MBone A pesar de sus ventajas MBone aun es algo experimental. Razones: Técnicamente el routing multicast es mucho más complejo que el routing unicast Las aplicaciones AV que usan multicast no funcionan bien cuando hay congestión. Las ventajas solo se presentan cuando el ISP tiene un número de usuarios elevado. El enlace de la mayoría de los usuarios de ISPs no tiene capacidad para recibir las emisiones de MBone Debido a su mayor complejidad técnica el routing multicast aún se encuentra lejos de la estabilidad que presenta el routing unicast. En caso de congestión el tráfico unicast puede regularse pidiendo al emisor que reduzca el caudal. En una emisión multicast este comportamiento supone obligar al emisor a emitir para todo el grupo con el caudal que pueda soportar el miembro mas desfavorecido del grupo. Esto puede suponer que el emisor envíe a muchos un flujo de baja calidad por culpa de unos pocos. Si un ISP no tiene varios miembros del grupo multicast en la misma área geográfica el tráfico multicast no reporta beneficios. Las aplicaciones MBone, la mayoría audiovisuales, requieren enlaces con una capacidad media-elevada no saturados, o con posibilidades de QoS. Estas condiciones no se dan en muchos ISPs todavía.

Aplicaciones y Servicios en MBone
Videoconferencia multipunto (utilizado regularmente desde 1992 para sesiones del IETF) Video (128 Kb/s – 3 Mb/s) Audio (9-64 Kb/s) Pizarra electrónica Servicios de vídeo ‘casi’ bajo demanda Flujos MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, etc. Aplicaciones de teleenseñanza (LANs empresas) Los servicios de videoconferencia multipunto funcionan desde hace bastante tiempo en Interent y permiten en la actualidad seguir una variada serie de eventos de todo tipo. Los sistemas de codificación y compresión de audio y vídeo empleados son los habituales en sistemas de videoconferencia. Además de la videoconferencia se pueden programar emisiones de vídeo de forma análoga a la programación de un canal de televisión. Es posible incluso programar una determinada emisión de forma que se repita cada pocos minutos; los usuarios podrían así ‘sintonizar’ la emisión que mejor les acoplara a su horario, preferencias personales, etc. Esto permite ‘simular’ el servicio de vídeo bajo demanda, ya que aunque el usuario no puede ‘parar’ la emisión puede dejar de verla y cuando vuelva más tarde ‘engancharse’ a la emisión que sigue donde se quedó, de forma que consigue parte de la versatilidad del video bajo demanda. Por tal motivo este servicio se conoce como vídeo ‘casi’ bajo demanda. Cuando el número de espectadores previsto es elevado el vídeo ‘casi’ bajo demanda es más eficiente que el vídeo bajo demanda.

Fuente: http://www.pioneerconsulting.com/globalbroadband/index.html
La presente gráfica muestra la evolución prevista de las diversas tecnologías dentro del mercado RBB. En el estudio de referencia se comparan las cuatro alternativas principales, que son xDSL (fundamentalmente ADSL), las redes de TV por cable, las comunicaciones vía satélite y la transmisión por microondas de superficie LMDS. Según el estudio los cable módems superarán en usuarios al xDSL, empezando a implantarse ambos servicios en el año Por su parte los servicios vía satélite empezarán algo más tarde, hacia el , pero tendrán un crecimiento superior hasta el punto de superar en número de usuarios al xDSL hacia el LMDS, que empezará también en el , tendrá un crecimiento menor quedando como una alternativa minoritaria dentro de las opciones RBB. Fuente:

Referencias G. Abe: ‘Residential Broadband’, Cisco Press, Capítulos 1 y 2 en cpress/cc/td/cpress/design/rbb/index.htm K. Maxwell: ‘Residential Broadband: An Insider’s Guide to the Battle for the Last Mile’, John Wiley & Sons, 1998. Web de DAVIC (Digital Audio Visual Council): Contiene los documentos correspondientes a todos los estándares DAVIC. Existen multitud de referencias sobre temas de RBB. La mayoría son de interés en relación a tecnologías concretas, y las describiremos allí. Aquí detallamos las que pueden tener un interés más general.

Redes CATV Evolución histórica y arquitectura HFC Nivel físico
Nivel MAC Cable Modems Estándares Redes CATV en España Referencias

Redes CATV tradicionales (coaxiales, 1949-1988)
Las redes CATV (Community Antenna TeleVision) nacieron para resolver problemas de recepción en zonas de mala cobertura. La antena (centro emisor) se ubicaba en sitio elevado con buena recepción. La señal se enviaba a los usuarios hacia abajo (downstream). Cable coaxial de 75  Amplificadores cada 0,5-1,0 Km. Hasta 50 en cascada. Red unidireccional. Señal solo descendente. Amplificadores impedían transmisión ascendente. Las redes CATV aparecieron en los Estados Unidos en 1949 para resolver las malas condiciones de recepción de la señal de televisión que se daban en ciudades o barrios por orografía u otras razones. La solución consistía en instalar una antena en un sitio elevado con buenas condiciones de recepción, y desde allí distribuir la señal mediante cable coaxial a los usuarios. El hecho de que la antena se colocara en un lugar elevado dio lugar a la denominación ‘downstream’ o ‘hacia abajo’ que se utiliza para describir la comunicación en el sentido del centro emisor hacia el usuario. Se utiliza cable coaxial de 75  como el de antena de televisión pero con mas apantallamiento, que le confiere la menor atenuación necesaria para cubrir grandes distancias. Para regenerar la señal se colocan amplificadores cada 0,5 – 1,0 Km. La distancia entre amplificadores es función de la cantidad de usuarios en cada tramo (a mas usuarios menor distancia) y de la frecuencia máxima que utilizara la red (a mayor frecuencia máxima menor distancia). Esta frecuencia máxima era de MHz. Las redes CATV antiguas eran unidireccionales. No se contemplaba la necesidad de utilizarlas en sentido ‘ascendente’, por lo que los amplificadores se diseñaban con la única función de amplificar la señal hacia abajo y actuaban como verdaderas válvulas que impedían cualquier propagación de señales en sentido ascendente.

Hasta 50 amplificadores en cascada
Arquitectura típica de una red CATV coaxial tradicional Hasta 50 amplificadores en cascada Amplificador unidireccional Empalme CABECERA Moduladores y Conversores Receptores y Decodificadores Aquí tenemos un ejemplo de red CATV ‘clásica’ unidireccional que utiliza cable coaxial únicamente. El centro emisor, o cabecera de la red, puede tener una antena de superficie para captar la programación normal, varios receptores de canales vía satélite y una serie de canales de programación propia. Todas estas señales se distribuyen a los abonados a través de la red de cable coaxial, que puede abarcar muchos miles de usuarios. Debido a la necesidad de colocar amplificadores en las redes CATV coaxial la señal podía tener que atravesar hasta 50 amplificadores para llegar a algunos usuarios. Cada amplificador degradaba la señal un poco, y la probabilidad de averías aumentaba al haber tantos elementos en serie. Desde el punto de vista del mantenimiento la red era muy compleja. Contenidos locales Cable Coaxial (75 ) Muchos miles de viviendas

Redes CATV modernas (HFC, 1988 en adelante)
Muchos amplificadores en cascada degradan la señal, complican y encarecen mantenimiento. Solución: redes HFC (Hybrid Fiber Coax): Zonas de viviendas Señal a cada zona por fibra, distribución en coaxial. Máximo 5 amplificadores en cascada. Además amplificadores para tráfico ascendente, red bidireccional (monitorización, pago por visión, interactividad y datos) En España casi todas las redes CATV son HFC bidirecc. Para resolver los problemas de gestión y mantenimiento de las redes CATV coaxiales a finales de los años 80 empezaron a aparecer redes CATV con la arquitectura denominada HFC (Hibrid Fiber Coax). Esta consiste en dos niveles jerárquicos, el principal formado por un tendido de fibra óptica con topología de estrella que distribuye la señal desde el centro emisor hasta cada zona de la ciudad. En cada zona hay un nodo (normalmente un armario ubicado en la acera) que se encarga de convertir la señal óptica en eléctrica para su distribución final en cable coaxial a los abonados. Cada zona abarca de 500 a 2000 viviendas. Debido a la menor distancia a cubrir el número de amplificadores máximo es de 5 (en muchas redes nunca hay más de 2 ó 3), con la consiguiente mejora en calidad de la señal y sencillez de mantenimiento. Un elemento crucial en la implantación de redes HFC fue la posibilidad de enviar la señal analógica de televisión por fibra óptica sin necesidad de convertirla en digital. Las redes HFC también facilitaron la utilización de la red para tráfico ascendente. Esto permitía labores de monitorización y servicios tales como el pago por visión. Dado que la señal de televisión utiliza el rango de frecuencias altas ( MHz) para el sentido descendente, se utilizan frecuencias por debajo de 50 MHz para el ascendente. Se colocan amplificadores en sentido ascendente para el rango de bajas frecuencias, que no interfieren en la propagación de la señal descendente. En España, dado que la mayoría de las redes CATV son de reciente creación, casi todas son del tipo HFC.

Arquitectura HFC (Híbrida Fibra-Coax.)
Nodo fibra Nodo fibra Nodo fibra 8 MHz Cab. local TV1 C9 TV3 Cabecera Regional Cab. local Nodo fibra Nodo fibra Cab. local En esta figura tenemos un ejemplo típico de red HFC. Al nivel más alto tenemos un anillo de fibra óptica, seguramente por motivos de fiabilidad, que distribuye la señal del centro emisor a una serie de concentradores. Cada uno de esos concentradores a su vez reenvía la señal, también por fibra óptica, a una serie de nodos que la convierten en señal eléctrica y la envían por cable coaxial a los abonados. Nodo fibra COAX Empalme Nodo fibra Nodo fibra Nodo fibra Conexión Set-top box-TV Cable módem - ordenador

Arquitectura típica de una red CATV HFC
Bidireccional 3-5 amplificadores máx. Amplificador bidireccional Empalme Cable módem Cabecera regional Internet Nodo de fibra ( viviendas) Cabecera local Este esquema representa la arquitectura típica de una red CATV HFC bidireccional preparada para ofrecer servicios de transmisión de datos. Aparte de los equipos utilizados para la distribución de la señal de televisión encontramos en el centro emisor el CMTS (Cable Modem Termination System); en la vivienda además del televisor tenemos el Cable Módem, que conecta el ordenador. Tanto el canal ascendente como el descendente son compartidos, pero gracias a la estructura de la red HFC los canales solo son compartidos por los usuarios de una zona, no entre zonas diferentes. En función de la densidad de usuarios del servicio de datos de cada zona el operador puede adoptar las siguientes estrategias: Si la densidad es baja puede agrupar varias zonas en un mismo canal compartido, con lo que a efectos de datos se comporta todo como una misma zona. Si la densidad es alta puede asignar varios canales ascendentes y/o descendentes a una misma zona, con lo que el resultado es equivalente a dividir la zona en dos. En el caso de los canales ascendentes también es posible jugar con la anchura. Receptor y Modulador Anillo de fibra (TV y datos viajan por separado) Conversor fibra-coaxial viviendas Fibra (monomodo) Cable Coaxial (75 ) Ethernet (10BASE-T)

Elementos de comunicación en una red CATV HFC
Señal modulada de radiofrecuencia Ethernet 10BASE-T Cabecera regional Backbone operador Red CATV HFC Cable módem Ordenador (o hub) CMTS (Cable Módem Termination System) Router Esta figura nos muestra los elementos básicos que permiten la comunicación en una red CATV HFC. En primer lugar tenemos el denominado CMTS (Cable Modem Termination System) que es el dispositivo que se encarga de enviar los datos en sentido descendente modulados por el canal de televisión elegido al efecto, así como de recoger de los Cable Módems de los usuarios los datos que éstos envían a través del canal ascendente asignado. El CMTS se ubica normalmente en el centro emisor o cabecera de la red. De allí se conecta al resto de la red (la red de transporte) y a la Internet por alguna tecnología de red de área extensa, por ejemplo POS (Packet over SONET). Por su parte el usuario dispone de un cable módem, dispositivo que se encarga de sintonizar el canal de televisión elegido para los datos y extraer los que le corresponden, es decir los que van dirigidos a él. También debe de enviar los datos de retorno por el canal ascendente correspondiente. Existen diversas formas de conectar el Cable Módem al ordenador del usuario final. De entre ellas la más frecuente es utilizar una conexión Ethernet de 10 Mb/s, que es una interfaz de alta velocidad y bajo costo para prácticamente cualquier ordenador. Domicilio del usuario Internet Cabecera local Proveedor de contenidos

Transmisión de datos en CATV
Sentido descendente (ida): datos modulados en portadora analógica de un canal de televisión de 6 MHz (NTSC) u 8 MHz (PAL) Para el retorno: Redes HFC (bidireccionales): zona de bajas frecuencias (no usada normalmente en CATV). Canales de anchuras diversas, de 0,2 a 3,2 MHz Redes coaxiales (unidireccionales) línea telefónica (analógica o RDSI). Cuando se utiliza una red CATV para transmitir datos se reserva un canal de televisión para el sentido descendente. Según se utilice la norma americana (NTSC) o europea (PAL o SECAM) el canal tendrá una anchura de 6 u 8 MHz, respectivamente. Para el retorno en las redes CATV coaxiales puras se emplea una conexión telefónica (módem analógico o RDSI) ya que la comunicación en sentido ascendente a través de la red CATV es imposible. En las redes CATV HFC se utiliza para el sentido ascendente el rango de frecuencias bajas en el que los amplificadores actúan en sentido inverso. En este rango se pueden definir canales de diversas anchuras entre 0,2 y 3,2 MHz.

Organización de los canales en redes HFC
Canales para transmisión de datos Set-Top box digital Canales para televisión digital Frecuencia Canales para televisión analógica Cable módem Canales de retorno para datos Varios sintonizadores permiten acceder simultáneamente a los canales de TV y de datos. Servicios clásicos (TV) Servicios de datos (Internet)

Reparto de frecuencias en redes HFC (estándar DOCSIS)
Descendente: MHz (Europa), MHz (América). S/R > 34 dB (normal 46 dB) Ascendente: 5-65 MHz (Europa), 5-42 MHz (América). S/R > 25 dB Sentido ascendente más problemático: Banda de RF más ‘sucia’ (interferencias, emisiones de onda corta, radioaficionados, etc.) Amplificación del ruido e interferencia introducido por todos los usuarios de la zona (efecto ‘embudo’). Esto impide utilizar el sentido ascendente en redes con muchos amplificadores. La mayor relación señal/ruido de la señal ascendente se debe a dos razones: El rango de frecuencias es mas ‘sucio’ desde el punto de vista electromagnético, es decir está mas sujeto a interferencias externas de todo tipo. En el sentido ascendente los amplificadores recogen la señal de todos los abonados de la zona; una manipulación incorrecta de un abonado en su televisor puede introducir ruido en la red que será amplificado y afectará a todos los usuarios de la zona. Esto se conoce como efecto ‘embudo’. Este problema es aún mas acusado en redes coaxiales puras, ya que el efecto se suma para todos los usuarios de la red. Las redes CATV antiguas (coaxiales) no llegan generalmente a frecuencias tan elevadas por dos razones: Los equipos antiguos funcionan en frecuencias más bajas. Las frecuencias elevadas sufren una mayor atenuación en cable coaxial, con lo que el número de amplificadores necesarios aumenta.

Bandas ascendentes utilizables en redes CATV
Dentro del rango de frecuencias utilizado para el sentido ascendente por las redes CATV HFC se encuentran multitud de bandas asignadas a diversos servicios tales como radiodifusión comercial de onda corta, radioaficionados, banda ciudadana, fines militares, navegación aérea y naval, etc. Aunque el cable coaxial aísla bastante bien de estas emisiones, en algún caso pueden introducir interferencia, por lo que es preferible evitarlas en el tráfico ascendente. Las mas nocivas en este sentido son las bandas de radiodifusión comercial porque tienen emisoras de mucha potencia, y las de radioaficionado y banda ciudadana, porque aunque son de baja potencia el emisor se puede encontrar muy cerca del usuario de la red de cable. La tabla adjunta muestra la parte aprovechable del rango de frecuencias ascendente después de haber suprimido dichas bandas. También se muestra la cantidad de canales que según la anchura pueden definirse en cada caso (una misma red puede mezclar canales de diferentes anchuras). Como puede verse por debajo de 29 MHz hay pocas bandas libres y las que hay solo pueden aprovecharse con canales estrechos.

Asignación típica de frecuencias ascendentes en una red CATV
Servicio Banda (MHz) Ancho de banda (MHz) Supervisión de la red (uso reducido por el ruido) 5-25 20 Reserva 25-28 3 Telefonía y Datos (Internet) 28-40 12 Banda de guarda 40-42 2 Señalización interactiva, pago por visión 42-45 Datos (Internet) 45-52 7 52-54 54-65 11 Este es un ejemplo típico de reparto de la banda de frecuencias ascendentes en una red CATV HFC. Debido a los problemas de interferencia electromagnética se suele ignorar toda la gama de frecuencias por debajo de 28 MHz.

Asignación típica de frecuencias descendentes en una red CATV
Servicio Banda (MHz) Ancho banda Ancho por canal (MHz) Núm. Canales Radiodifusión FM 87,5-108 20,5 0,15 130 Radio Digital (DAB) 10 Televisión analógica PAL B 182 7 26 Televisión analógica PAL G 304 8 38 Televisión digital 144 1,6 90 Datos (Internet), Telefonía y otros servicios 112 14 Por lo que respecta a la banda descendente un reparto típico es el que se muestra en esta tabla. En primer lugar tenemos la banda de radiodifusión de FM, que se respeta colocando las emisoras en sus mismas frecuencias. Así se evitan posibles interferencias y se da al usuario la posibilidad de sintonizar las emisoras de FM a través de la red de cable. A continuación hay 10 MHz libres antes del primer canal de televisión, que se pueden aprovechar para enviar emisiones de radio digital (DAB, Digital Audio Broadcast) codificada en MPEG-1 Layer III. Los canales de televisión analógica PAL ocupan de 118 a 606 MHz (se utilizan dos normas diferentes en función de la frecuencia, con diferente anchura de canal); esto nos da un total de 64 canales analógicos. A partir de 606 MHz hasta los 750 MHz se colocarían las emisiones de televisión digital MPEG-2 utilizando la norma europea DVB (Digital Vídeo Broadcast). Con una conservadora estimación de 5 canales digitales por canal analógico, equivalente a un caudal de algo mas de 5 Mb/s por programa, podríamos colocar en esta banda 90 programas digitales, (que se sumarían a los 64 programas analógicos). Por último la banda de 750 a 862 MHz quedaría reservada para el servicio de datos, lo cual nos permitiría definir en caso necesario hasta 8 canales para este fin.

Técnicas de modulación para transmisión de datos en redes CATV
Sentido Bits/símb. S/R mínima Shannon QPSK Ascend. 2 > 21 dB 7 16 QAM 4 > 24 dB 8 64 QAM Descend. 6 > 25 dB 8,3 256 QAM > 33 dB 10,9 Las técnicas de modulación empleadas en redes CATV son diferentes en sentido ascendente y descendente, ya que la menor relación señal/ruido del canal ascendente obliga a utilizar técnicas mas robustas que en el descendente. De acuerdo con lo que cabría esperar por la Ley de Shannon las modulaciones mas resistentes al ruido tienen una eficiencia en bits/símbolo menor . En ascendente se emplea normalmente la modulación QPSK, pudiendo alternativamente emplear la 16 QAM, que requiere una relación señal/ruido 3 dB mayor; también requiere una mayor complejidad de los circuitos y por tanto un mayor costo. En descendente se utiliza normalmente modulación 64 QAM, pudiendo emplearse también 256 QAM. Aquí de nuevo la mayor eficiencia requiere una mayor calidad del canal y supone un mayor costo de los equipos. Debido al mayor costo de 16 QAM y 256 QAM en general se prefiere utilizar QPSK y 64 QAM y recurrir a la utilización de canales adicionales cuando se necesita mayor capacidad. QPSK: Quadrature Phase-Shift Keying QAM: Quadrature Amplitude Modulation

Caudales brutos en redes CATV
Anchura (KHz) Kbaudios Caudal QPSK (Kb/s) Caudal 16 QAM (Kb/s) 200 160 320 640 400 1280 800 2560 1600 5120 3200 10240 Asc. Anchura (MHz) Kbaudios Caudal 64 QAM (Kb/s) Caudal 256 QAM (Kb/s) 6 (NTSC) 5057 30342 5361 42888 8 (PAL) 6952 41712 55616 En esta tabla se compara la capacidad de los distintos tipos de canales ascendentes y descendentes en redes CATV en función de su anchura y del tipo de modulación utilizado. Como ya sabemos el número de símbolos transmitidos por segundo no puede superar la anchura del canal en hertzios; en realidad ha de ser algo menor, para asegurar una suficiente separación entre canales contiguos. En los canales ascendentes el número de símbolos por segundo es en todos los casos un 20% inferior a la anchura del canal, con lo que se tiene un margen de separación del 10% a cada lado. Los descendentes, que pueden ser de 6 u 8 MHz de anchura según se utilice la norma americana (NTSC) o europea (PAL), tienen un margen de aproximadamente 500 KHz a cada lado. Sabido el caudal en símbolos/s y el tipo de modulación es fácil calcular el caudal en bits/s. Sin embargo hay que tener en cuenta que estos son los caudales a nivel físico; debido al overhead introducido por el código corrector de errores (FEC) y otros factores (protocolo MAC) los caudales aprovechables son aproximadamente un 15% inferiores en el sentido ascendente y un 10% menores en el descendente que los representados en la tabla. Desc. Debido al overhead introducido por el FEC (Forward Error Correction) y otros factores los caudales netos son aproximadamente un 10-15% menores que los brutos

Capacidad de una red CATV
Suponiendo que se utilizara exclusivamente para transmitir datos, la capacidad máxima de una red CATV sería: Descendente: 96 can. de 55,6 Mb/s: 5,338 Gb/s Ascendente: 176 can. de 640 Kb/s: 112,6 Mb/s Esta capacidad estaría disponible para cada zona de la red HFC. La capacidad total para datos de una red CATV depende del número de canales que utilicemos en cada sentido, y del tipo de modulación empleado. Suponiendo que se utilizara exclusivamente para este fin podríamos definir en sentido descendente 96 canales, que a 55,6 Mb/s de capacidad (modulación 256 QAM) nos da una capacidad total de 5,338 Gb/s. En el sentido ascendente podemos como máximo utilizar 176 canales de 200 KHz de anchura, cada uno con una capacidad de 640 Kb/s (modulación 16 QAM), lo cual da un total de 112,6 Mb/s. Esta capacidad estaría disponible para cada zona de una red HFC, ya que la asignación de canales se realiza de forma independiente para cada zona. Vemos pues que la capacidad de transmisión de datos de una red CATV es considerable.

Esquema de una zona en una red CATV
Canal Descendente ( MHz) 41,7 Mb/s Compartidos por 3 usuarios (1) (2) (3) Canal ascendente – (29,7–31,3 MHz) 2,56 Mb/s compartidos por 3 usuarios (3) (1) (2) Dos canales ascendentes (29,7-31,3 y 31,3-32,9 MHz) 2,56 Mb/s compartidos por usuarios 1 y 3 2,56 Mb/s dedicados al usuario 2 Aquí se representan dos ejemplos de asignación de canales en una zona de una red CATV. En el ejemplo de la izquierda se asigna un canal descendente de 8 MHz y uno ascendente de 1,6 MHz; estos canales son compartidos por todas las viviendas de la zona. En el caso de la derecha todas las viviendas comparten el mismo canal descendente como antes, pero en el sentido ascendente se utilizan dos canales. Uno es compartido por las viviendas 1 y 3, mientras que el otro se dedica a la vivienda 2 (presumiblemente este usuario ha contratado una mayor calidad de servicio que los otros dos).

Protocolo MAC de CATV (DOCSIS)
Medio broadcast: cada CM recibe todo el tráfico descendente, vaya o no dirigido a él. Cada CM (y el CMTS) recibe una dirección MAC IEEE 802 globalmente única (48 bits) que le identifica. Por seguridad el tráfico viaja encriptado (DES 56 bits), sólo el destinatario lo puede descifrar. Es posible realizar emisiones multicast/broadcast El canal ascendente es compartido, pero no plantea problemas de seguridad ya que la información solo puede ser recibida por el CMTS. En cambio en el sentido descendente la información enviada a un CM puede ser en principio recibida por cualquier CM de la zona, aunque no sea el destinatario. Por esto la información del CMTS a los CMs se envía encriptada mediante DES 56, lo cual da un nivel de protección aceptable en la mayoría de situaciones frente a posibles intrusos. Tanto el CMTS como cada CM reciben direcciones MAC globalmente únicas de 48 bits (como las de Ethernet) que les identifican de forma no ambigua. Todas las tramas enviadas en la red van acompañadas de la correspondiente dirección MAC de destino. Dado que el medio físico es compartido es posible realizar emisiones multicast, con el consiguiente ahorro de capacidad. Por ejemplo se puede efectuar una emisión de vídeo de alta calidad (4 Mb/s) a toda la red consumiendo sólo ese caudal en aquellas zonas donde haya algún usuario siguiendo la emisión, independientemente del número de usuarios.

Funcionamiento de CATV
Medio broadcast, canales ascendente y descendente compartidos por cada zona, como una LAN, pero: Canal descendente: solo el CMTS puede transmitir, todos los CMs reciben. Canal ascendente: todos los CMs pueden transmitir, pero solo el CMTS recibe. Dos CMs no pueden hablar directamente (aunque estén en la misma zona); solo pueden comunicarse a través del CMTS del que dependen. La red CATV es un medio compartido singular; al no ser simétrico el medio físico tampoco lo es su funcionamiento: el CMTS gobierna la red y los CMs se limitan a cumplir sus órdenes. Debido a la forma como funcionan los cable módems la comunicación entre dos usuarios de la red CATV siempre se realiza a través del equipo de cabecera, aun en el caso de que ambos usuarios se encuentren en la misma zona y compartan el canal ascendente y descendente. Así por ejemplo si en el ejemplo de la transparencia anterior el usuario 1 quiere transmitir algo al usuario 3 tendrá que utilizar el canal ascendente para enviar la información al CMTS, el cual la reenviarla por el canal descendente al destinatario. Por tanto dicha información pasará dos veces por el mismo cable. .

MAC de CATV (DOCSIS) En descendente el CMTS es el único que emite, por tanto no hay conflicto. En ascendente los CM comparten el canal. Cuando un CM quiere transmitir pide permiso al CMTS que le da ‘crédito’ para que emita una cantidad de bits, de acuerdo con la disponibilidad y el perfil que tiene asignado el CM. Se puede producir una colisión solo cuando el CM manda el mensaje de petición (pero no cuando esta usando su ‘turno de palabra’). En sentido descendente al haber un único emisor no hay necesidad de implementar ningún protocolo MAC en las redes CATV. Las tramas son simplemente enviadas por el CMTS y recibidas por el correspondiente destinatario. En sentido ascendente hay múltiples emisores, que además son incapaces de ‘verse’ entre sí. Por tanto puede haber colisiones entre dos o mas CMs que intentan transmitir a la vez. Es preciso pues implementar un protocolo MAC. Debido a la imposibilidad de los CM de captar la señal del canal ascendente no puede funcionar ningún protocolo MAC tradicional (Ethernet, Token Ring, etc.). En su lugar se utiliza un protocolo basado en la asignación por parte del CMTS de crédito a los CMs para que puedan transmitir. Este crédito, medido en unidades denominadas mini-slots, lo asigna el CMTS a los CMs que lo solicitan. Cuando un CM tiene algo que transmitir solicita al CMTS el número de mini-slots necesario y éste se los otorga en base a la disponibilidad, perfil del usuario solicitante, recursos consumidos,políticas de uso, etc. Las solicitudes de mini-slots viajan por el canal ascendente, y evidentemente no utilizan mini-slots previamente asignados, por lo que es posible que se produzcan colisiones entre dos CMs que solicitan a la vez la asignación de mini-slots. Cuando esto ocurre se entra en un proceso de retroceso exponencial binario similar al de Ethernet. Puesto que las solicitudes de mini-slots son mensajes de muy corta duración la probabilidad de colisión es muy reducida. Al concentrar todas las funciones complejas del protocolo MAC en el CMTS los CMs pueden ser dispositivos de bajo costo, que es uno de los objetivos en el diseño del protocolo.

Funcionamiento de MAC en DOCSIS
Un mini-slot: 64 símbolos Esta figura muestra el funcionamiento del protocolo MAC en una red CATV. El CMTS transmite por el canal descendente, además del tráfico útil, información sobre el uso que los CMs pueden hacer de los mini-slots disponibles en el canal ascendente (el denominado ‘mapa de asignación’), y que puede ser de tres tipos: Asignados: Estos mini-slos (representados con óvalos) son los que están asignados por el CMTS a CMs que previamente han realizado su solicitud. Cada CM recibe el número de mini-slots necesarios de acuerdo con su solicitud y con la política de asignación de recursos de la red. Libres: Estos mini-slots (representados por rectángulos) pueden ser utilizados libremente por los CMs para solicitar al CMTS la asignación de mini-slots. En estos intervalos pueden producirse colisiones. Mantenimiento: Estos mini-slots (representados con rombos en la figura) están reservados para mensajes de control de DOCSIS y no están por tanto disponibles para su uso por los CMs. Un ejemplo de esto sería el intercambio de mensajes que se produce cuando se enciende o se conecta a la red un cable módem. La duración de un mini-slot es configurable por el CMTS. Su valor por defecto es de 64 símbolos´(16 bytes con QPSK y 32 con 16 QAM), es decir entre 25 y 400 s según la anchura del canal (de 3200 a 200 KHz, respectivamente).

Protocolos implicados en la comunicación CM-CMTS
El intercambio de información entre el CM y el CMTS se realiza mediante tramas ethernet. La comunicación entre ambos obedece el funcionamiento de los puentes transparentes de acuerdo con lo establecido en el estándar 802.1D. Por tanto la comunicación CM-CMTS se puede asimilar a la de dos puentes remotos. Esta figura muestra los protocolos que intervienen en dicha comunicación. Por encima de la capa física y la subcapa MAC aparece un protocolo denominado Link Security que se ocupa del encriptado de la información para asegurar la confidencialidad de los datos transmitidos a través de la red CATV.

Correspondencia de DOCSIS con el modelo OSI
Aplicación FTP, SMTP, HTTP, etc. Mensajes de control DOCSIS Aplicac. basadas en MPEG, ej. Video, TV digital Transporte TCP y UDP Red IP IEEE 802.2 Enlace MAC DOCSIS Esta figura muestra la correspondencia entre los protocolos utilizados en DOCSIS, que es el estándar más extendido en redes CATV, y el modelo OSI. Podemos ver que las peculiaridades de redes CATV se limitan al nivel físico y a la subcapa MAC (mitad inferior de la capa de enlace), compartiendo el protocolo LLC con el resto de redes IEEE 802. En este sentido podemos considerar las redes CATV como una tecnología LAN mas, al lado de Ethernet (802.3) o Token Ring (802.5). Para el nivel de red y superiores DOCSIS sigue en lo posible el modelo y la pila de protocolos TCP/IP, si bien añade una serie de mensajes de control para mejorar la gestión y mantenimiento de la red. Por otro lado las aplicaciones de televisión digital emplean una pila de protocolos propia a partir del nivel de enlace, compartiendo sólo el nivel físico en la especificación de canal descendente (puesto que no se contempla la posibilidad de interacción en este caso no se requiere sentido ascendente). Las características más singulares de las redes CATV son fruto de la asimetría de la comunicación ascendente/descendente. Así, además de las diferencias ya vistas en canales, frecuencias y modulaciones, los canales ascendente y descendente difieren en la forma como agrupan los bits. El canal descendente utiliza como ‘contenedores’ de la información celdas MPEG-2, lo cual le hace compatible con el tráfico de vídeo digital. En cambio el canal ascendente utiliza mini-slots, es decir pequeños intervalos de tiempo que son asignados desde el CMTS. Ascendente TDMA (mini-slots) Descendente TDM (MPEG) Física MHz (8 MHz/canal) ITU-T J.83 Anexo A 5-65 MHz HFC

Cable Módem El CM se conecta al ordenador normalmente mediante Ethernet (10BASE-T). Así se consigue una interfaz de alta velocidad a bajo costo y una clara separación usuario-red. Puede actuar como puente transparente o como router IP. Se pueden conectar varios PCs a través de un mismo CM (algunos CM llevan hub incorporado). Hay algunos módems internos (bus PCI) y conectables a USB La inmensa mayoría de los cable módems actuales utiliza una red ethernet de 10 Mb/s para conectar al ordenador. Esto requiere la instalación de una tarjeta en el ordenador del usuario, con la consiguiente complejidad de instalación, pero a cambio permite conectar varios ordenadores a través de un cable módem, si el operador lo permite. Normalmente este servicio tiene un costo adicional respecto a la conexión de un solo ordenador. Aunque teóricamente la conexión a 10 Mb/s puede suponer un cuello de botella en la comunicación descendente, en la práctica esto no es cierto ya que el rendimiento que se obtiene es siempre muy inferior a 10 Mb/s. Otra posibilidad es la conexión de un módem externo a través del puerto USB; esto evita tener que instalar tarjetas internas en el ordenador (suponiendo que éste disponga de conexión USB). La utilización de cable módems internos presenta problemas de dos tipos: por un lado la división usuario-red no queda tan claramente definida como en el caso de cable módems externos; por otro plantea problemas de aislamiento galvánico entre el ordenador y el cable coaxial.

Cable Módems Estos son dos ejemplos de cable módems comerciales. Por alguna razón la mayoría de los cable módems tienen formato vertical, como el que aparece en la imagen de la izquierda. Tambiéne s posible, aunque muy raro, disponer de un cable modem interno, en una tarjeta directamente enchufada al bus del PC. Los operadores son reacios a este tipo de solución por dos motivos: Impide disponer de un punto claro de delimitación del servicio, ya que el dispositivo de comunicación se encuentra embebido en el equipo del cliente. Hace más difícil el control y aislamiento de los posibles problemas eléctricos que puedan producirse en la red por parte del equipo del cliente.

Funciones del Cable Módem
Captar/generar señal de Radiofrecuencia Modular/demodular los datos Generar/verificar la información de control de errores (FEC) Encriptar/desencriptar la información Respetar protocolo MAC en Upstream Gestión y control del tráfico (limitación de caudal, número de ordenadores conectados, etc.) Aun cuando en el diseño de las redes CATV se ha intentado minimizar la complejidad del Cable Módem para reducir su costo, la verdad es que a pesar de ello la cantidad de funciones que desempeña el cable módem es notable.

Cable Módem vs Set-Top Box
Función Cable Módem Set-Top Box Microprocesador, 4 MB RAM, memoria Flash 15000 Pts. Elementos de transmisión (sintonizador, ecualizador, modulador, FEC) 9000 Pts. Chips MPEG, gráficos y proc. de sonido No aplicable 7500 Pts. Chip MAC 3000 Pts. Ethernet/ ATM 25 Mb/s 1500 Pts. Chasis, fuente de alimentación, montaje final, PCB y prueba Interfaces analógicas e infrarrojas Licencias de software (Sistema Operativo, encriptación, comunicaciones) TOTAL 39000 Pts. 42000 Pts. Es interesante realizar una comparación entre las funciones de un cable módem y las de una set-top box para televisión digital por cable. En esta tabla se muestra dicha comparativa acompañada de los precios de costo comparados para cada una de las funciones de ambos. La similitud entre ambos dispositivos es evidente. Esto permite que compartan una gran cantidad de componentes, lo cual redunda en un abaratamiento de los costos de ambos.

Estándares en redes CATV
Primeros CM y CMTS propietarios. Mayo de 1994: el IEEE crea subcomité (redes CATV). Estándar borrador en septiembre de 1998. En 1995 el DAVIC (Digital Audio Visual Council) empieza a desarrollar estándares para CATV. DAVIC 1.2 se publica en diciembre de 1996. Enero de 1996: cuatro operadores crean MCNS (Multimedia Cable Network System) para desarrollar estándares DOCSIS (Data-Over-Cable Service Interface Specification). DOCSIS 1.0 se publica en marzo de 1997. Hasta fechas muy recientes no había estándares que especificaran el funcionamiento de los cable módems, por lo que no era posible la interoperabilidad entre equipos de diferentes fabricantes; todos los cable módem debían ser del mismo fabricante. En 1994 el IEEE puso en marcha el subcomité con el fin de elaborar un estándar para la transmisión de datos en redes CATV que fuera consistente con el conjunto de estándares 802. La publicación del primer borrador estaba prevista para el año siguiente, pero debido a la multitud de problemas que surgieron se produjo en 1998. A la vista de la lentitud con la que avanzaba el comité una serie de operadores de redes CATV de Estados Unidos se asociaron en 1996 y crearon el MCNS, consorcio que tenía la finalidad de elaborar un estándar de redes CATV en poco tiempo. Dicho estándar (denominado DOCSIS 1.0) estuvo listo en marzo de En 1998 se elaboró una adaptación europea de la norma, denominada Euro-DOCSIS. En marzo de 1999 se publicó DOCSIS 1.1 Por otro lado DAVIC, organización creada para el desarrollo de estándares en materia audiovisual, elaboró a finales de 1996 su propio estándar de redes CATV, denominado DAVIC 1.2. DAVIC es una organización con fuerte implantación europea. Aunque el funcionamiento en líneas generales es similar los estándares DOCSIS y DAVIC son incompatibles. Nuestra descripción corresponde fundamentalmente al estándar Euro-DOCSIS 1.0.

Cronología estándares CATV
IEEE DAVIC MCNS 5/94 Creación 12/95 DAVIC 1.0 1/96 9/96 DAVIC 1.1 12/96 DAVIC 1.2 3/97 DOCSIS 1.0 9/98 Publicación borrador 3/99 DOCSIS 1.1 2000 Aprobada su disolución 2001 ¿DOCSIS 1.2? A la vista de su fracaso en convencer a la industria de que desarrollara sus propuestas, en abril de 2000 el comité IEEE aprobó su autodisolución por unanimidad.

Estándares CATV DOCSIS: estándar más extendido.
Productos DAVIC 1.2 aproximadamente un año por detrás. DOCSIS: desarrollo USA. Caso europeo (Euro-DOCSIS) contemplado a posteriori (solo cambia nivel físico). DAVIC: desarrollo europeo. CMs actuales: DOCSIS 1.0 (sobre todo), también DVB 1.2 y propietarios (ver p. Ej. ITU-T ha adoptado tanto DOCSIS 1.0 como DAVIC 1.2. Los estándares de redes de cable elaborados por el MCNS reciben el nombre de estándares DOCSIS. En 1997 MCNS publicó los documentos relativos a DOCSIS v 1.0, que contemplaban el funcionamiento tanto de redes bidireccionales como con retorno telefónico. En 1999 MCNS publicó el estándar DOCSIS v 1.1. La mayoría de las redes que se instalan actualmente utilizan equipos DOCSIS v 1.0.

Mejoras DOCSIS 1.1 Impide que un usuario monopolice canal ascendente (fragmenta el paquete si es muy grande). Si coexisten CMs DOCSIS v 1.0 y v 1.1 los primeros no fragmentan y se comportan como ‘malos ciudadanos’. Incorpora funciones de priorización (QoS). Permite utilizar VoIP, ya que mejora Calidad de Servicio (reduce jitter) gracias a la fragmentación. Permite implementar telefonía. Ya existen algunos CMs DOCSIS 1.1. Las principales mejoras introducidas por DOCSIS 1.1 son las siguientes: Se prevé la posibilidad de utilizar canales de 6 u 8 MHz (anteriormente sólo se contemplaba el uso de canales de 6 MHz). El CMTS puede asignar al CM un número de mini-slots menor que el solicitado, obligando al CM a fragmentar la información que desee enviar. Se prevén mecanismos para fijar prioridades de tráfico, pudiendo establecer redes con calidad de servicio. Como consecuencia de la posibilidad de fragmentación y las mejoras en calidad de servicio la red está mejor adaptada a aplicaciones isócronas altamente sensibles al retardo, tales como voz sobre IP. Ya existen en el mercado algunos cable módems DOCSIS v 1.1, si bien su uso aun es escaso. La mayoría de los cable módems DOCSIS v 1.0 desarrollados antes del estándar 1.1 requerirán ciertas modificaciones hardware para funcionar como DOCSIS v1.1.

Características DAVIC
En el canal ascendente usa solo QPSK. Canales de 256 Kb/s, 1,544, 3,088 y 6,176 Mb/s (200 kHz, 1 MHz, 2 MHz y 4 MHz) Además del canal descendente normal hay otro de 1,544 o 3,088 Mb/s para información fuera de banda (control de protocolo MAC. Etc.). Celdas ATM con AAL5 + IP/ATM. Mejores características QoS, pero más overhead. Incorpora funciones avanzadas de calidad de servicio (parecido a DOCSIS 1.1)

Modelo de referencia DAVIC para CATV
Esta figura muestra el modelo de referencia de DAVIC. Como puede verse el modelo contempla la existencia de un canal bidireccional de comunicación entre el usuario y proveedor de contenidos aparte del canal por el que se recibe la información. En el caso de los cable módems esto significa que son necesarios dos canales descendentes, el normal de 6-8 MHz de anchura y un canal más estrecho para la interacción. Obsérvese también el enfoque mas general de DAVIC, que habla en todo momento de cable módem o de set-top box.

Estándares de cable-módem en el mundo
Aquí aparece la distribución a nivel mundial de los dos estándares de cable módems actualmente existentes. Las zonas reflejan preferencias de fabricantes, no de operadores. Dado que en la práctica la mayoría de los cable módems se fabrican en Estados Unidos el predominio de la norma MCNS/DOCSIS es mayor de lo que la imagen puede hacer pensar. Por otro lado la norma MCNS/DOCSIS lleva aproximadamente un año de ventaja sobre la DVB/DAVIC.

Normativas de televisión digital en el mundo
Esta figura ayuda a comprender la anterior. Como puede verse el ‘territorio’ MCNS/DOCSIS se corresponde con los países que mantienen el estándar OpenCable para la televisión digital vía cable.

IEEE 802.14 Grupo de trabajo creado en 1984.
Primer borrador de especificaciones publicado en 1998: Nivel físico: posibilidad de canales ascendentes de 30 Mb/s (enlaces simétricos). Nivel MAC: nuevos protocolos más complejos y eficientes. Enfoque entornos residenciales y de negocios. Aprobación del estándar prevista para 2000, pero en su lugar se aprobó la disolución del grupo. Poco interés en la industria por las propuestas del IEEE

Evolución Cable Módems
1ª Generación ( ): Sistemas propietarios 2ª Generación ( ): Estándares DOCSIS 1.0, 1.1 y DAVIC 3ª Generación (2001-?): DOCSIS 1.2, DAVIC ??

Servicios IP en redes CATV
Por sencillez, comodidad y seguridad se utiliza DHCP para asignación de direcciones IP (el usuario no puede ‘falsear’ su dirección) El CM actúa como un puente MAC transparente (IEEE 802.1D) entre dos LANs (la del CM y la del CMTS). También puede funcionar como un router. Se puede restringir el número de direcciones MAC que pueden acceder a través de un CM. En redes CATV la asignación de direcciones IP se realiza de forma dinámica mediante el protocolo DHCP (Dynamic Host Control Protocol). La información sobre parámetros de configuración de la red (incluida la dirección IP) se mantiene así de forma centralizada en el servidor DHCP, transmitiéndose al equipo cuando se incorpora a la red. Esto simplifica la configuración y permite un mayor control, ya que el administrador del servidor DHCP puede modificar cualquiera de los parámetros sin intervención del usuario del equipo. Cada equipo nuevo que se incorpora a la red ha de registrarse (mas concretamente ha de registrar su dirección MAC) en el servidor DHCP. En el caso de que se conecten varios ordenadores a través de un cable módem habrán de registrarse todos ellos. Esto permite al operador limitar el número de ordenadores que el usuario conecta a la red mediante un cable módem, según el tipo de contrato establecido. Los cable módems también han de registrarse en el servidor DHCP y recibir direcciones IP propias. Esto permite la gestión remota vía SNMP de los equipos. Además el cable módem necesita una configuración que se le carga también de manera remota desde un servidor TFT de la red del operador. En dicha configuración se especifican diversos parámetros del cable módem, como el caudal máximo autorizado a ese usuario para el sentido ascendente y descendente. El servidor DHCP y el TFTP se encuentran normalmente en la cabecera de la red y son un elemento clave para el funcionamiento de la misma.

Direcciones IP en redes CATV
A los ordenadores se les pueden asignar: Direcciones privadas RFC 1918 (10..., ). Requiere el uso de NAT (Network Address Translation) en el router o un servidor proxy. Direcciones públicas estáticas (‘vendidas’) Direcciones públicas dinámicas (‘alquiladas’) Lo mas aconsejable es utilizar direcciones públicas dinámicas Los cable módems también necesitan una dirección IP para que se les pueda gestionar remotamente por SNMP. Esta puede (y debe) ser privada. La asignación de direcciones IP es un tema crucial en el desarrollo de una red CATV. EN caso de que el operador no disponga de un rango suficiente de números asignados por el NIC (la autoridad central de asignación de direcciones IP) tendrá que echar mano de los rangos privados según se especifica en el RFC Esto significa que cualquier comunicación con el exterior tendrá que hacer uso del NAT (normalmente implementado en un router) o bien de un servidor proxy, que haría una función equivalente. Algunas aplicaciones avanzadas o que no utilizan puertos estándar no pueden funcionar en estas condiciones; esto incluye por ejemplo los servicios de telefonía por Internet y muchos juegos. La segunda alternativa es asignar direcciones públicas a todos los ordenadores conectados a la red, de forma estática; para esto es preciso disponer de un amplio rango de números asignados por el NIC, cosa que no siempre es posible. La tercera opción, intermedia entre las dos anteriores, consiste en asignar direcciones de forma dinámica a los ordenadores solo durante el tiempo que realmente lo necesiten para salir a Internet. Esto es posible gracias a la facilidad que da DHCP para el ‘alquiler’ de direcciones. De este modo se reduce considerablemente el rango de direcciones necesario, si bien tiene el inconveniente de que el usuario no sabe a priori que dirección IP le corresponderá, por lo que impide utilizar una red CATV para instalar servidores accesibles desde el exterior. Por último las direcciones IP de los cable módems, que solo se utilizan para la gestión de la red, deben ser normalmente direcciones privadas.

Redes privadas virtuales sobre CATV
Las redes CATV representan una opción muy interesante frente a las alternativas clásicas para redes de datos (RDSI, p.a p.). Problemas: Seguridad (atravesar la Internet) Integración (direcciones IP del proveedor CATV) El uso de túneles IPSEC permite crear redes privadas virtuales (VPN) y resolver ambos problemas. En ocasiones el uso de redes CATV se plantea como la solución óptima para conectar oficinas de una empresa. Sin embargo esta no es una opción viable si no se garantiza la seguridad y la completa integración de las diversas oficinas. La solución en estos casos estriba en utilizar túneles IPSEC de forma que la información viaja encriptada por la red del operador y por la Internet. Además los túneles también permiten encapsular datagramas con las direcciones IP propias de la empresa a través de Internet, de forma que el usuario percibe su conexión a través de la red CATV como una conexión interna de su empresa (limitado evidentemente al rendimiento que obtenga de los enlaces que atraviese). Evidentemente la creación de túneles IPSEC no es algo exclusivo de redes CATV sino que se puede aplicar en cualquier situación como conexiones ADSL o incluso en RDSI o conexiones vía módem.

IPsec (RFC 2410): Encriptación sobre TCP/IP para crear VPNs
Túnel IPsec A B Red CATV, ADSL, etc. Para una seguridad aún mayor el túnel puede hacerse directamente de A a B

Túneles IPSEC Problemas: Implementación:
El encapsulado de información requiere duplicar cabeceras. Esto introduce overhead, especialmente con paquetes pequeños. En el caso de utilizar encriptación el consumo de CPU es elevado. Implementación: W2000 Server incluye software de servidor de túneles IPSEC W2000 Profesional incluye software de cliente IPSEC Los túneles requieren la incorporación de cabeceras adicionales en cada paquete. Esto supone un cierto overhead en la comunicación, tanto mayor cuanto menor es el tamaño de los paquetes transmitidos ya que el peso relativo de las cabeceras aumenta. En el caso de túneles con encriptación si un equipo ha de realizar la encriptación/desencriptación de un número elevado de usuarios puede suponer un cuello de botella en la comunicación debido a la saturación de su CPU, ya que estas tareas requieren labores de cálculo intensivo. En estos casos se suelen utilizar equipos que implementan los algoritmos de encriptación en hardware. Hoy en día es relativamente sencillo desarrollar túneles IPSec, ya que las implementaciones de los conocidos sistemas operativos Windows 2000 de Microsoft implementan las funciones de server y cliente en sus modalidades Windows 200 Server y Profesional, respectivamente.

Administración y mantenimiento de una red CATV
Backbone Host de Administración 1: Definir y salvar la configuración del CM 3: Asignar identificador Router En esta figura se muestra una configuración básica típica de una red CATV con cable módems. En el centro de control de la red tenemos, además del CMTS, el servidor DHCP/TFTP. Dado que este es un elemento crítico para el funcionamiento de la red su funcionalidad estará normalmente replicada o será un equipo de alta disponibilidad. El mantenimiento y actualización de toda la información relativa a la configuración de los ordenadores y cable módems es una tarea compleja y delicada, que normalmente se realiza en otro host previsto al efecto. Esta función, aunque importante, no requiere un nivel de disponibilidad tan elevado como el servidor DHCP/TFTP. Red CATV HFC Cable Módem Servidor DHCP/TFTP Conmutador LAN CMTS 2: Cargar fichero de configuración (protocolo de acceso DOCSIS)

Red de centros regionales
Arquitectura de una moderna red CATV ISP Larga Distancia Red de centros regionales 2,5 Gb/s (SDH) Hosting Cabecera red CATV HFC Red telefónica Esta figura nos muestra una visión completa de la arquitectura de una red CATV HFC con acceso RBB. En la red de transporte existen diversas opciones, todas ellas basadas en el uso de fibra óptica y casi siempre en tecnología SONET/SDH. En el ejemplo que aquí aparece tenemos un anillo STM-4 (622 Mb/s) con POS (PPP over SONET), que a su vez se conecta a otro anillo STM-16 (2,5 Gb/s). Un aspecto fundamental en cualquier red de acceso RBB es la instalación de servidores cache. Esta es la única forma de aprovechar realmente la elevada capacidad que brinda una red de acceso RBB. Red metropolitana 622 Mb/s (SDH) Red HFC Datos Voz Ambos

Servicio IP sobre CATV Por razones de marketing se suele limitar el caudal. También se limita el tráfico máximo (al mes) para evitar excesiva ocupación de Internet por parte de un usuario. Ejemplo: servicio Cable Módem de ONO: Caudal desc. (Kb/s) Caudal asc. (Kb/s) Tráfico max. Mensual Tarifa mensual 128 64 750 MB 3495 Pts. 256 1000 MB 5495 Pts. 512 1500 MB 9495 Pts. Aunque los cable módems permiten capacidades de transferencia del orden de megabits por segundo, los servicios comerciales que se ofrecen actualmente limitan la capacidad a valores menores por razones de marketing. Las velocidades que se ofrecen normalmente están entre 128 Kb/s (velocidad de un acceso RDSI básico). De esta forma se pueden ofrecer servicios de mayor caudal a precios superiores, y se evita que un usuario pueda llegar a ocupar toda la capacidad disponible, degradando así de forma apreciable el rendimiento de la red percibido por el resto de los usuarios. También se suele establecer un límite máximo a la cantidad de información que un usuario puede transferir durante un período largo de tiempo (por ejemplo un mes). De esta forma se evita que un usuario pueda ocupar de forma sustancial la capacidad del acceso a Internet, afectando de forma sensible el rendimiento para el resto de los usuarios. Normalmente las limitaciones de caudal y datos transferidos no se aplican al tráfico multicast. Alquiler de cable módem (DOCSIS 1.0): 1500 Pts/mes

CATV en España Legislación sobre redes de TV por cable:
Norma básica: RD 2066/1996 de 13/7/1996 Análisis tecnológico y de servicios para redes de Cable: Información diversa:

España está dividida en una serie de demarcaciones, cada una de las cuales se adjudica de forma independiente a un operador por la Comunidad Autónoma correspondiente. Telefónica dispone de una empresa filial, Telefónica Cable, que también ofrece servicios de televisión por cable. Para compensar por la situación de monopolio disfrutada por Telefónica la ley establece una moratoria de 24 meses a la prestación de servicios por parte de Telefónica Cable a partir del momento en que se resuelve el concurso de adjudicación de cada demarcación. Esta figura muestra el momento en que vencía dicha moratoria para las diversas demarcaciones. Como puede apreciarse la moratoria ya ha expirado en todas ellas. En algunas demarcaciones, al haber quedado desierto el concurso de adjudicación del primer operador Telefónica Cable tenía libertad para operar desde el primer momento, sin moratoria. Se trata sin embargo de demarcaciones de escaso interés comercial por su reducido tamaño y/o su baja densidad de población. Este es el caso de Extremadura, Castilla la Mancha (excepto Albacete, que es demarcación propia por motivos históricos), Menorca, Ibiza, Ceuta y Melilla.

Comunidades, regiones o ciudades
Empresas de redes CATV en España Grupo Comunidades, regiones o ciudades Viviendas (miles) Inversión (MPts) Madritel Comunidad de Madrid 1.929 Ono Comunidad Valenciana, Andalucía IV, Murcia, Palma de Mallorca, Cantabria, Cádiz, Huelva, Albacete, Puerto de Santa María 4.200 Supercable Sevilla, Andalucía I, Andalucía II, Andalucía III, Almería 897 Menta Cataluña 2.748 Mundo-r Galicia 1.113 43.275 Euskaltel País Vasco 774 (42.000) Retecal Castilla y León 1.268 37.621 Able Aragón 574 33.233 Retena, Reterioja Navarra, Rioja 330 32.215 Cabletelca Canarias 581 (30.000) Telecable Asturias 431 17.772 Atcom Vélez-Málaga (26) 2.408 TDC-Sanl. Sanlúcar de Barrameda (30) (1.450)

Comunidades, regiones o ciudades
Grupos de facto de empresas CATV en España Grupo Comunidades, regiones o ciudades Viviendas (miles) Inversión (MPts) Ono Comunidad Valenciana, Andalucía IV, Murcia, Palma de Mallorca, Cantabria, Cádiz, Huelva, Albacete, Puerto de Santa María 4.200 AOC: Madritel Supercable Menta Mundo-r Euskaltel Able Retena, Reterioja Cabletelca Telecable Comunidad de Madrid, Sevilla, Andalucía I, II y III, Almería, Cataluña, Galicia, País Vasco, Aragón Navarra, Rioja Canarias Asturias 9.377 1.929 897 2.748 1.113 774 574 330 581 431 43.275 (42.000) 33.233 32.215 (30.000) 17.772 Retecal Castilla y León 1.268 37.621 TOTAL 14.845 AOC: Asociación de Operadores de Cable

Servicios de acceso Internet por Cable Módem en España
Grupo Web Cable módem Velocida Kb/s (desc./asc.) Precio mensual (Pts) Madritel Si 777/777 6.450 (500 MB/mes), (1.500 MB/mes) Ono 128/64, 256/128, 512/256 (750 MB/mes), 7.495 (1.000 MB/mes), (1.500 MB/mes) Supercable 128/?, 256/? 4.775, 6.775 Menta 512/256, 1024/512 5.400, 7.400, 17.400 Mundo-r 150/? 6.800 Euskaltel No Retecal 256/96 4.950 (1.000 MB/mes) 7.450 (1.000 MB/mes) Able 5.000, 7.917 Retena, Reterioja 6.000, 8.000 Cabletelca 128/? 4.995 7.495 Telecable 384? (con TV) Atcom ? TDC-Sanl.

Referencias CATV Estándares MCNS/DOCSIS: Estándares DVB/DAVIC:
Estándares DVB/DAVIC: Cable Modem University: Tutorial: Cable Modem Home Page: Actualidad: cabledatacomnews.com

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