Arquitecturas de redes CATV SRA3501 SOPORTE REDES DE ACCESO Arquitecturas de redes CATV

Red de anillo de fibra óptica Unidad de Aprendizaje 2 Red de anillo de fibra óptica Experiencia 2: Otras arquitecturas de red CATV

Ing. Juan Ramón García Bish Revisado por René Ávila Rojas

Arquitectura Tipo Árbol y Rama (Tree & Branch) Es la arquitectura tradicionalmente utilizada en las redes de CATV desde 1950 hasta 1990 Consta de dos partes básicas : -Línea troncal que se va ramificando. -Línea de distribución que se deriva de la troncal.

- Conexiones a usuarios se toman de la distribución - Cascada de amplificadores troncales = 30 o 40 amp - Cascada de distribución = 1 Bridger + 3 extensores - Ancho de banda típico 220 MHz hasta 550 MHz. - Espaciamiento típico 22 a 25 dB.

Arquitectura Tipo Árbol y Rama Esquema Básico

Arquitectura Tipo Árbol y Rama Calidad de señal muy dependiente de la ubicación del cliente respecto al headend. Fluctuaciones de nivel de señal al final de la línea por la gran cantidad de dispositivos en cascada. Poco confiable, gran cantidad de dispositivos encadenados genera múltiples puntos de falla. Inapropiada para servicios bidireccionales : - Baja capacidad de retorno compartida entre muchos - Efecto de acumulación de ingreso interferencias Limitación de ancho de banda

Arquitecturas tipo HFC HFC = Arquitectura hibrida de fibra óptica y cable coaxil Cada variación de diseño tiene su acronismo - CAN = Cable Area Network - FBB = Fiber Backbone - FTF = Fiber to the Feeder - FTLA = Fiber to the Last Active - FTTC = Fiber to the Curb - FTTH = Fiber to the Home

Arquitecturas Tipo HFC Esta arquitectura se basa en una estructura celular donde enlaces de fibra óptica vinculan pequeñas celdas (nodos) con la cabecera del sistema. Característica de las construcciones desde 1990. Tamaño del nodo óptico : - 1990-1995 => 2000 a 5000 hogares - 1995-2000 => 1000 a 2000 hogares - 2000-2005 => 100 a 1000 hogares Ancho de Banda : - 1990-1995 => 550 a 750 MHz - 1995-2000 => 750 a 860 MHz - 2000-2005 => 860 a 1000 MHz

Cable Área Network - CAN Mas que una arquitectura se trata de una herramienta de actualización del sistema (upgrade). Consiste en reemplazar partes de la línea troncal por enlaces de fibra óptica. Permite mejorar la confiabilidad y la calidad de la señal al reducir cascadas de amplificadores. Permite implementar sistemas redundantes si se utiliza la vieja troncal como reserva. Permite utilizar este recurso como alternativa para ampliar el ancho de banda reemplazando troncales por equipos de mayor ganancia (superior a 30 dB)

Cable Área Network

Fiber Backbone Si se invierte la posición de algunos amplificadores de la vieja troncal se logra optimizar la relación entre cascada y cantidad de enlaces de fibra. Se pierde la redundancia al no poder utilizarse la vieja troncal como reserva. Esta arquitectura se utilizo tanto en actualización como en nuevas construcciones a fines de los 80s

Fiber Backbone

Fiber to the Feeder Esta arquitectura parte de definir el alcance del nodo óptico en función de una cierta cantidad de casas pasadas o extensión geográfica. La calidad de señal buscada también limita la extension del nodo óptico. En el tramo coaxil diferenciamos líneas expreso (express feeder) y líneas de distribución. Es practica común no intercalar derivadores domiciliarios (multitaps) sobre las líneas expreso.

Fiber to the Feeder

Fiber to the Last Active Esta arquitectura ubica un nodo óptico con varias salidas operando en alto nivel para alimentar una gran cantidad de clientes. Nodos pequeños, menos de 100 hogares típico. No existen amplificadores en cascada. La distribución es totalmente pasiva PON = Passive Optical network. Arquitectura eficiente en áreas de densidad media o alta.

Fiber to the Last Active

Fiber to the Curb El cable de fibra óptica llega hasta la puerta de la casa del suscriptor (curb = cordon de la vereda). Esta arquitectura se basa en mini-nodos de bajo costo con 4 , 8 o 16 salidas. Nodos muy pequeños, menos de 20 hogares Igual que la arquitectura de fibra hasta el ultimo activo es totalmente pasiva. Arquitectura muy rica en tendido de fibra La única limitación de ancho de banda esta en el enlace óptico

Fiber to the Home El cable de fibra óptica ingresa a la casa del cliente Se requieren cables de gran cantidad de fibras ópticas. Todavía no resulta económicamente viable

Consideraciones sobre la Cantidad de Fibras Fiber count = cantidad de fibras ópticas que se asignan a cada nodo. Debe definirse si se va a permitir dividir la señal óptica en la calle. Es preferible hacer todo el manejo de las señales ópticas (division, conmutación y combinación) en el headend. Minima cantidad de fibras = 2 por nodo (1 fibra para directa y 1 fibra para reversa) Cantidad de fibras recomendada 8 a 12 por nodo 12 fibras = 4 directa + 4 reversa + 4 reserva

Arquitectura HFC Evolución A medida que el tamaño del nodo va disminuyendo cada vez se requiere que mas fibras ópticas lleguen hasta la cabecera del sistema. En sistemas sin redundancia el número de fibras en los cables se ira reduciendo a medida que nos alejemos de la cabecera (modulo escalonado) En sistemas redundantes tendremos un anillo con cantidad constante de fibras (modulo constante) Con nodos pequeños se tiene casi la misma calidad de señal en cualquier punto del sistema.

Arquitectura HFC Estrellas de Fibra - Módulo Decreciente

Arquitectura HFC Anillos de Fibra – Módulo Constante

Arquitectura HFC Caso Real - Cantidad de Fibras Consideremos los siguientes parámetros : Ciudad de 1.000.000 hogares (Buenos Aires) Nodos de 1000 hogares pasados. Previsión de 12 fibras ópticas por nodo. Con estas hipótesis resulta : Cantidad total de nodos = 1000 Cantidad total de fibras ópticas llegando a la cabecera del sistema = 12000

Arquitectura HFC - Segmentación Para reducir la cantidad de fibras que llegan al Headend dividimos al sistema en unidades menores denominadas HUBs . Desde el Headend llegamos a los HUBs con enlaces redundantes de fibra (anillos). Desde los hubs llegamos a los nodos con : Enlaces redundantes (anillos) Enlaces no redundantes (estrella o módulo decreciente)

Arquitecturas HFC modernas De acuerdo a las consideraciones anteriores resultan tres arquitecturas modernas tipo HFC. Anillo – Estrella : Anillo entre HUBs y estrella al nodo. Doble Anillo : Anillo entre HUBs y anillo entre los nodos. Anillo – Anillo – Estrella Introduce el concepto de HUB secundario. Anillo HUBs primarios y anillo HUBs secundarios Estrella de Hub secundario al nodo.

Arquitectura HFC Tipo Anillo - Estrella

Arquitectura HFC Tipo Anillo - Anillo

Arquitectura HFC Tipo Anillo – Anillo - Estrella

Anillo Óptico Headend – Hub Dividiendo la señal Óptica en Headend

Anillo Óptico Headend – Hub Dividiendo la señal Óptica en Anillo

Broadcast & Narrowcast Broadcast = La misma información esta presente en todos los puntos del sistema. Estructura típica de transmisión en la arquitectura tipo “Árbol y Rama” (Tree & Branch) Narrowcast = Se transmite información difernciada según el cliente o la región geográfica. Las diferentes variantes de la arquitectura HFC permiten segmentar el área de cobertura enviando información especifica según el nodo, grupo de nodos o HUB.

Servicios Tipo Narrowcast Canal de información local o regional. (Diferenciado por HUB o grupo de HUBs) Servicios de Video por Demanda (VOD). (Diferenciado por nodo o grupo de nodos) Servicios de Telefonía y Datos . (Diferenciado por nodo o grupo de nodos) Inserción de publicidad diferenciada por target de audiencia.(Diferenciado por nodo o grupo de nodos) Al direccionar la información solo al usuario que debe recibirla se logra optimizar el uso del ancho de banda (permite el reuso de frecuencias)

Arquitecturas de Narrowcast Narrowcast a nivel RF desde el HUB. CWDM (Coarse Wave Division Multiplexing): 1550nm Broadcast / 1310 Narrowcast DWDM (Dense wave Division multiplexing): 1310nm Narrowcast / 1550 Broadcast DWDM (Dense Wave Division Multiplexing): 1550nm Narrowcast / 1550 Broadcast

Narrowcast a Nivel RF desde el Hub

CWDM – Narrowcast en 1310 nm

DWDM – Narrowcast en 1550 nm

DWDM – Narrowcast en 1550 nm

Multiplicación Capacidad Upstream Dedicación de mas fibras al retorno. Apilado de frecuencia, conv. en bloque. (Frequency Stacking , Block Conversión) WDM , CWDM, SWDM, DWDM (Wave División Multiplexing) Retorno Digital Combinación de las anteriores - DWDM + Frequency Stacking - DWDM + Retorno Digital

Dedication de más Fibras al Retorno Es el método mas económico si existe suficiente cantidad de fibras de reserva. Permite utilizar transmisores ópticos tipo Fabry-Perrot (FP) o DFB. Transmisores FP: económicos pero baja pefomance (problemas de ruido y de estabilidad térmica) Método caro si hay que instalar nuevo cable de F.O., sobre todo en zonas urbanas. Típicamente se preveen 4 fibras por nodo para retorno lo cual permite segmentar el nodo en cuatro partes.

Múltiples Fibras de Retorno por Nodo

Conversión en Bloque Se efectúa una conversión hacia frecuencias más altas para multiplexar cuatro retornos dentro de una banda de 200 MHz de ancho de banda. No permite el uso de transmisores ópticos tipo FP pues se requiere una mayor linealidad. Sólo se puede trabajar con transmisores tipo DFB. La perfomance del sistema depende de las características de cada conversor en bloque : Rango Dinámico Estabilidad en Frecuencia Ruido de Fase

Conversión en bloque

Multiplexación por long de onda WDM o CWDM (coarse wave division multiplexing) Una longitud de onda cercana a los 1310 nm y otra a los 1550 nm SWDM (sparse wave division multiplexing) Una long de onda de 1310 nm se combina con hasta 8 de 1550 nm. DWDM (dense wave division multiplexing) Ídem al caso anterior pero llegando hasta 16 longitudes de onda para operación analógica y 32 en el caso digital

SWDM – Sparse Wave Division Multip. Estabilidad de los laser DFB = 15 nm . Longitudes de onda espaciadas = 20 nm . Valores nominales de longitud de onda = 1490, 1510, 1530, 1550, 1570, 1590 y 1610 nm. Amplio rango de longitudes de onda no permite el uso de amplificadores ópticos EDFA (Erbium Doped Fibre Amplifier) Adecuado para cubrir links de hasta 13 dB de presupuesto óptico.

DWDM – Dense Wave Division multiplexing Usualmente cubre la banda C = 1520 - 1570 nm. La ITU (International Telecommunications Union) ha definido un set de longitudes de onda standard que se conoce como grilla ITU. Espaciamiento grilla ITU = 100 GHz o 0.8 nm. Canales ITU comienzan con CH 0 = 1577.86 nm Tecnología actual permite transmisión de señales analógicas con técnicas DWDM hasta 8 long. de onda por fibra (16 en condiciones especiales).

SWDM – DWDM en el Hub Hub Activo

DWDM en el Hub - Hub Pasivo

Retorno Digital El sistema mas básico consiste en digitalizar la señal analógica de 0 a 42 MHz. Para un rango dinámico adecuado se requieren conversores Analógico-Digitales de 10 a 12 bits y frecuencias de muestreo superiores a 90 MHz. En estas condiciones se requiere un link digital de 2.5 Gbps para transmitir dos retornos independientes. Permite utilizar transmisores ópticos de bajo costo. Mayor robustez permite SWDM con links de 23 dB. Digital DWDM permite hasta 32 longit. de onda.

Retorno Digital

Conversion en Bloque + DWDM Combina técnicas de conversion en bloque en el Nodo con DWDM en el Nodo o Hub. Permite implementar estructuras centralizadas sin incrementar considerablemente la cantidad de fibras que llegan a la cabecera. Multiplexando : - 4 bloques sobre 8 lambdas = 32 retornos x fibra - 4 bloques sobre 16 lambdas = 64 retornos x fibra - 8 bloques sobre 16 lambdas = 128 retornos x fibra

Conversión en Bloque + DWDM

Nodo Escalable Escalabilidad vs Redundancia Nodo escalable admite los siguientes módulos : - 4 Receptores ópticos - 4 Transmisores ópticos - 2 Fuentes deó Máxima escalabilidad sin redundancia = 4 x 4 Division en 4 downstreams + 4 upstreams Máxima escalabilidad con redundancia = 2 x 2 División en 2 downstreams + 2 upstreams

Escalabilidad vs Redundancia Downstream Escalabilidad X2 Escalabilidad X2 Escalabilidad X4 Sin redundancia Con redundancia Sin redundancia

Escalabilidad vs Redundancia Upstream Sin escalar Escalabilidad X2 Escalabilidad X4 Con redundancia Con redundancia Sin redundancia

Esquema Hub Downstream

Esquema Hub Upstream