Accesoresidencial[1]

Notas del editor

• #5: 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.
• #6: 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 25 y 50 euros 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’.
• #9: 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.
• #10: 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.
• #11: 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 120-150 Km) y gran capacidad, aunque también un costo mayor debido a los emisores láser que requiere. Por esta razón la fibra óptica monomodo 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.
• #12: 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.
• #13: El grosor del cable tiene una influencia directa en la atenuación. Para una frecuencia dada un cable de mayor grosor tiene menor atenuación. La atenuación de la señal en cables de cobre aumenta de forma aproximadamente proporcional al cuadrado de la frecuencia de dicha señal. Uno de los factores que influyen en este comportamiento es lo que se conoce como ‘efecto piel’ por el que las corrientes de alta frecuencia tienden a utilizar únicamente la superficie del hilo de cobre, no el núcleo. Por tanto cuando aumenta la frecuencia de la señal disminuye la sección de cable utilizada para transmitirla, con lo que aumenta la atenuación. En el caso de cables coaxiales la atenuación es menor cuanto mayor es el apantallamiento del cable.
• #14: 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.
• #15: 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 esta figura se muestran las constelaciones de algunas de las modulaciones más habituales. La codificación 2B1Q (utilizada en RDSI) contempla cuatro valores diferentes de amplitud, con lo que un símbolo puede transportar dos bits. Al no existir en este caso una portadora analógica, pues la señal se transmite de forma digital, no cambia la fase. Las modulaciones sobre portadora analógica normalmente combinan amplitud y fase. Por ejemplo la codificación 4QAM consigue también dos bits por baudio combinando para cada baudio dos posibles valores de amplitud y dos de fase. En la figura podemos ver también la constelación de la modulación 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.
• #16: 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).
• #17: 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 3,1 KHz, el máximo es de 6,2 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 3,1 Kbaudios y 8 Mbaudios, respectivamente.
• #18: 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.
• #19: 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.
• #20: 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 . Podemos por tanto calcular la eficiencia en bits por Hertzio de un canal simplemente dividiendo por 3 su relación señal/ruido. Esta es una aproximación válida en prácticamente todos los casos, excepto para valores extremadamente pequeños de la relación señal/ruido.
• #21: 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 .
• #22: La transmisión de flujos MPEG-2 es muy sensible a los errores, requiere un medio altamente fiable (BER de 10 -10 - 10 -11 ). Por tanto es preciso adoptar medidas correctoras.
• #23: 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.
• #24: 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.
• #25: A menudo los errores en sistemas RBB se deben a interferencias electromagnéticas externas tales como arranque de motores, etc., que provocan ruido durante períodos breves de tiempo (de entre 1 y 100  s). Esto provoca que los errores se produzcan agrupados o a ráfagas. Los códigos FEC resultan más efectivos cuando los errores se encuentran repartidos en la secuencia de datos, 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 protegerse de errores a ráfagas de entre 5 a 220  s, introduciendo para ello retardos de 95a 4000  s, respectivamente.
• #26: 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. Imaginemos ahora que al transmitir los bits un error de ráfaga provoca que lleguen alterados los bits 12, 13 y 14; como en la secuencia utilizada para calcular el FEC esos bits estaban separados el FEC puede corregir los tres 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 la página a transmitir, y que dichas omisiones se producen siempre en forma de rectángulos horizontales, rectángulos que tienen la misma anchura que una línea de texto. Si se envía un texto escrito en formato vertical (retrato) ocurrirá a menudo que los fragmentos omitidos correspondan a palabras enteras del texto, con lo que será muy difícil para el receptor adivinar su significado. Pero si enviamos un texto escrito en horizontal (apaisado) los errores afectarán a letras sueltas de líneas diferentes (y por tanto de palabras diferentes), con lo que el receptor podrá fácilmente deducir por el contexto las letras que faltan. Ahora bien, mientras que cuando se envia en formato vertical el receptor puede ir leyendo el texto a medida que se recibe el fax, cuando se envía en formato horizontal el receptor no puede leer nada hasta que la página le llega en su totalidad, por lo que se introduce un retardo mayor en el envío de la información.
• #29: 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 determinadas ciudades, aldeas 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 normalmente con un apantallamiento mayor, lo cual le confiere una menor atenuación, condición necesaria para cubrir grandes distancias. Para mantener un nivel de señal adecuado 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 en las redes CATV antiguas de 300-400 MHz (actualmente las redes se diseñan para poder funcionar a frecuencias de hasta 1 GHz). Hasta finales de los años 80 las redes CATV eran unidireccionales. No se contemplaba la necesidad de utilizarlas en sentido ‘ascendente’, por lo que los amplificadores utilizados solamente amplificaban la señal hacia abajo y actuaban como válvulas que impedían la propagación de señales en sentido ascendente.
• #30: 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 combinadas en diferentes canales a los abonados a través de la red de cable coaxial, que puede abarcar muchos miles de usuarios (multiplexación por división en frecuencia). Debido a la necesidad de colocar amplificadores en las redes CATV coaxiales 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. Dado que la debilitación de la señal no solo dependía de la distancia sino también del número de abonados conectados en cada tramo era muy difícil saber a priori cuando hacía falta añadir un amplificador, con lo que la instalación se hacía de forma empírica, no planificada. Esto complicaba considerablemente el mantenimiento de la red.
• #31: 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 (50-400 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.
• #32: Esta figura nos muestra el esquema de una red HFC típica. Al nivel más alto tenemos un anillo de fibra óptica, por motivos de fiabilidad, que distribuye la señal de la Cabecera Regional a una serie de Cabeceras Locales. Los datos en el anillo normalmente se envían mediante SONET/SDH. Cada una de las Cabeceras Locales a su vez reenvía la señal, también por fibra óptica, a una serie de Nodos de Fibra, los cuales se encargan de convertirla en señal eléctrica y enviarla por cable coaxial a los abonados. El trayecto entre el Nodo de Fibra y el abonado, que es el único que se realiza pro cable coaxial, suele tener una longitud máxima de 300 metros.
• #33: 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 a la red CATV. Tanto el canal ascendente como el descendente son compartidos, pero gracias a la estructura de la red HFC 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. Como veremos luego en el caso de los canales ascendentes también es posible jugar con la anchura del canal.
• #34: 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. Generalmente el CMTS es un router que dispone de interfaces específicas de radiofrecuencia para redes CATV. El CMTS se ubica normalmente en la Cabecera Local. 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). Lo habitual es que el CMTS se conecte con otro router ubicado en la Cabecera Regional y a través de este acceda a Internet. 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. Mientras que el CMTS es normalmente un router el cable módem suele ser un puente transparente, aunque también existen cable módems que actúan como routers.
• #35: Esta figura nos muestra una visión de conjunto de una red CATV HFC. 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).
• #36: 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 6,4 MHz.
• #38: La menor relación señal/ruido de la señal ascendente se debe a dos razones: El rango de frecuencias utilizado 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 era aún mas acusado en redes coaxiales puras. Las redes CATV coaxiales no llegaban generalmente a frecuencias tan elevadas como las redes HFC por dos razones: Los equipos antiguos funcionaban a frecuencias más bajas. Las frecuencias elevadas sufren una mayor atenuación en cable coaxial, con lo que el número de amplificadores necesarios aumenta.
• #39: Dentro del rango de frecuencias utilizado por las redes CATV HFC para el sentido ascendente 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 conveniente evitarlas. 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. Esta figura muestra las partes de la banda ascendente que no se deben utilizar en redes CATV. En muchos casos las operadoras optan por no hacer uso de las estrechas bandas que aparecen por debajo de 30 MHz, aunque las técnicas de ecualización y de corrección de errores más recientes permiten compensar con bastante efectividad las interferencias que se producen en estas bandas.
• #40: 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, o la 64 QAM con una relación señal/ruido 4 dB mayor. Además de una mayor calidad del canal estas modulaciones también suponen 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 64 QAM (ascendente) y 256 QAM (descendente) en general se prefiere utilizar QPSK (asc.) y 64 QAM (desc.) y recurrir a la utilización de canales adicionales cuando se necesita mayor capacidad.
• #41: 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 los bits por símbolo correspondientes al tipo de modulación utilizado 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 (el protocolo MAC por ejemplo) 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.
• #42: 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 una red CATV se utilizara para transmitir datos exclusivamente podríamos definir en sentido descendente 96 canales, que a 55,6 Mb/s de capacidad (modulación 256 QAM) nos daría una capacidad total de 5,338 Gb/s. En el sentido ascendente podemos como máximo utilizar 261 canales de 200 KHz de anchura, cada uno con una capacidad de 960 Kb/s (modulación 64 QAM), lo cual da un total de 250,6 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.
• #43: 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 como antes el mismo canal descendente, 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, por lo que su cable módem esta sintonizado a dicho canal. El operador de la red podría ofrecer un servicio ‘premium’ en el que el número de usuarios por canal fuera menor de lo habitual para reducir los problemas de congestión. Este servicio premium podría ser de especial interés a usuarios de negocios, no residenciales, que además pueden tener un especial interés en mejorar el rendimiento de su conexión en el canal ascendente si disponen de algún servidor web o similar en sus oficinas para el acceso remoto de sus clientes.
• #44: 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 funciona la red la comunicación entre dos cable módems siempre se realiza a través del CMTS, aun en el caso de que ambos usuarios se encuentren en la misma zona y compartan los canales 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. .
• #45: El canal ascendente es compartido, pero esto no plantea problemas de seguridad ya que la información solo puede ser recibida por el CMTS. En el sentido descendente en principio los cable módems filtran el tráfico no dirigido a ellos, como hacen las tarjetas LAN en una red local, pero al igual que aquellas un cable módem puede ponerse en modo promiscuo con lo que captura todo el tráfico que viaja por el canal descendente, vaya a o no dirigido a el. Por esto se prevé la posibilidad de que el CMTS envíe a los cable módems la información encriptada mediante claves DES de 56 bits, lo cual da un nivel de protección aceptable en la mayoría de situaciones. En la práctica las operadoras no suelen utilizar la encriptación ya que supone aumentar la carga de proceso en el CMTS, que ha de enviar tráfico a muchos cable módems simultáneamente. A las interfaces de la red CATV, tanto del CMTS como de los cable módems, se les asignan direcciones MAC globalmente únicas de 48 bits, como las de cualquier LAN. Todas las tramas enviadas a la red van acompañadas de las correspondientes direcciones MAC de origen y 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 a toda la red en modo multicast, consumiendo ese caudal solo en aquellas zonas donde haya algún usuario siguiendo la emisión, independientemente del número de usuarios.
• #46: 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 (todos los cable módems) que además son incapaces de ‘verse’ entre sí. Por tanto puede haber colisiones entre dos o mas cable modems que intentan transmitir a la vez. Es preciso pues implementar un protocolo MAC. Debido a la imposibilidad de los cable modems de captar la señal del canal ascendente no puede utilizare ninguno de los protocolos MAC tradicionales (Ethernet, Token Ring, etc.). En su lugar se utiliza un protocolo basado en la asignación de crédito por parte del CMTS a los cable módems para que puedan transmitir. Este crédito, medido en unidades denominadas mini-slots, lo asigna el CMTS a los cable módems que lo solicitan. Cuando un cable módem 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. Los cable módems envían las solicitudes de mini-slots por el canal ascendente utilizando mini-slots no asignados, por lo que es posible que se produzcan colisiones entre dos cable módems 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 cable módems pueden ser dispositivos de bajo costo, que es uno de los objetivos en el diseño del protocolo.
• #47: Esta figura muestra el funcionamiento del protocolo MAC en una red CATV. El CMTS transmite por el canal descendente, además del tráfico útil dirigido a los cable módems, el correspondiente ‘mapa de asignación’ de mini-slots, que incluye información sobre el uso que los cable modems pueden hacer de los mini-slots disponibles. Los mini-slots pueden pertenecer a uno de los siguientes tres tipos: Asignados: Estos mini-slos (representados con óvalos en la figura) son los que están asignados por el CMTS a cable módems que previamente han realizado una solicitud. Cada cable módem recibe el número de mini-slots requeridos. Libres: Estos mini-slots (representados por rectángulos) pueden ser utilizados libremente por los cable módems para solicitar al CMTS asignaciones 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 la red y no están por tanto disponibles para su uso por los cable módems. Un ejemplo de esto sería el intercambio de mensajes de registro y configuración que se produce cuando un cable módem se enciende o se conecta a la red. La duración de un mini-slot es configurable por el CMTS. Su valor por defecto es de 64 símbolos´(16 bytes con QPSK, 32 con 16 QAM y 48 con 64 QAM). En tiempo esto equivale a entre 12,5 y 400  s según la anchura del canal (de 6400 a 200 KHz, respectivamente).
• #48: El intercambio de información entre el cable módem 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.
• #50: En esta figura se muestra una forma típica de organizar el servicio de cable módems en una zona de una red HFC. En primer lugar el medio físico suministra un canal descendente, que en este ejemplo se supone que es de 30 Mb/s, y un canal ascendente de 2,56 Mb/s. Cada cable módem desempeña las funciones de puente transparente entre la LAN 10BASE-T a la que está conectado y el canal de radiofrecuencia, descendente o ascendente, de la red CATV. Esto significa que el cable módem solo recibirá del canal descendente el tráfico dirigido a los ordenadores que estén en su LAN y el tráfico broadcast/multicast. A su vez enviará por el canal ascendente solo el tráfico dirigido a estaciones que no se encuentren en su Ethernet, así como el tráfico broadcast/multicast. Obsérvese que al conectar el cable módem CM1 el tráfico broadcast/multicast generado por A y B ya no queda confinado a su red local, sino que es escuchado por toda la zona de la red CATV. Por su parte el CMTS desempeña a la vez las funciones de puente y router en un solo equipo; como puente se ocupa de transmitir las tramas dentro de la zona y como router de reenviar las que vayan dirigidas a Internet. Por ejemplo un datagrama emitido por A y dirigido a C será enviado por CM1 por el canal ascendente hacia el CMTS, que a su vez lo enviará por el canal descendente hacia CM2, con lo que la trama atravesará tres puentes en total. Si el datagrama va dirigido al exterior irá por el canal ascendente hasta el CMTS, de donde saldrá por el router al exterior.
• #51: 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 802.2 con el resto de redes IEEE 802. En este sentido podemos considerar las redes CATV como una más de las tecnologías LAN, al lado de Ethernet (802.3) o Token Ring (802.5). Para el nivel de red y superiores DOCSIS sigue plenamente 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.
• #52: La 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 con un costo adicional respecto a la conexión de un solo ordenador). Además permite establecer una separación nítida entre la red y el equipo de usuario. Aunque teóricamente la conexión a 10 Mb/s podría llegar a suponer un cuello de botella en la comunicación, en la práctica no lo es ya que los servicios que se ofrecen siempre tienen (actualmente) caudales inferiores a 10 Mb/s. Otra posibilidad es la conexión de un cable módem a través del puerto USB; esto evita tener que instalar tarjetas internas en el ordenador. También existen cable módems internos, aunque son muy raros.
• #54: 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.
• #55: Es interesante realizar una comparación entre las funciones de un cable módem y las de un sintonizador para televisión digital por cable. En esta tabla se muestra dicha comparativa acompañada de los precios de costo (orientativos) de los componentes utilizados en 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.
• #56: En un principio 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 y CMTS de una red debían ser del mismo fabricante. En 1994 el IEEE puso en marcha el subcomité 802.14 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 se realizó en 1998, pero debido a la multitud de problemas que rodearon a este subcomité se disolvió en el 2000 sin llegar a aprobar ningún estándar. A la vista de la lentitud con la que avanzaba el comité 802.14 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 1997. 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 DOCSIS.
• #58: Las principales mejoras introducidas por DOCSIS 1.1 son las siguientes: El CMTS puede asignar a cada cable módem un número de mini-slots menor que el solicitado, obligando a éste 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. La mayoría de los cable módems que se suminstran actualmente son conformes con el estándar DOCSIS 1.1 Muchos cable módems DOCSIS 1.0 pueden ser convertidos a DOCSIS 1.1 mediante un cambio en el firmware.
• #60: 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 (salvo que se trate de cable módems USB). 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 TFTP 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.
• #61: 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 1918. 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 (en el caso de cable módems Ethernet), que solo se utilizan para la gestión de la red, deben ser normalmente direcciones privadas.
• #62: 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 replicado 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.
• #63: 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.
• #64: 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.
• #73: El sistema telefónico convencional está limitado por los 3,1 KHz de anchura del canal utilizado para la voz. Aún en el caso de utilizar RDSI la capacidad de un canal es de tan solo 64 Kb/s. El cable telefónico de pares que une al abonado con la central (denominado bucle de abonado) permite velocidades bastante superiores, pero la necesidad de utilizar la infraestructura telefónica a partir de la central impide el uso de canales de mayor anchura o capacidad. Cualquier tecnología que consiga una mayor capacidad del bucle de abonado deberá adoptar una de las dos estrategias siguientes: Hacer uso de múltiples canales de telefónicos para transmitir esa información hacia el destino. Esta es la aproximación adoptada por RDSI (el acceso básico consigue 128 Kb/s usando dos canales). Disponer en la central de un acceso a una red de datos independiente del sistema telefónico que no esté sujeta a las limitaciones de éste. Esto es lo que hacen las tecnologías xDSL.
• #74: ADSL es un servicio de datos y vídeo digital, pero no está pensado para sustituir al servicio de voz. Para que sea compatible con la telefonía analógica, que emplea frecuencias por debajo de 4 KHz, ADSL utiliza frecuencias superiores a 32 KHz.RDSI utiliza frecuencias de hasta 80 KHz, por lo que para que coexista con ADSL es necesario desplazar hacia arriba el espectro de frecuencias de ADSL. ADSL suministra una comunicación full dúplex. Para simplificar su implementación generalmente se emplea un rango de frecuencias distinto para cada sentido; esto evita interferencias entre la señal de ida y de vuelta, y los problemas producidos por ecos de la señal transmitida. En total se utiliza un ancho de banda de 1 MHz aproximadamente. Como interesa una comunicación asimétrica el rango de frecuencias se reparte de forma desigual, asignando una parte mucho mayor a la comunicación descendente. Además de que para la mayoría de aplicaciones interesa así, técnicamente es mas fácil implementar un reparto asimétrico que uno simétrico o con la asimetría opuesta, ya que la interferencia inducida por señales paralelas de gran ancho de banda en el lado del usuario es muy baja al tratarse de diferentes viviendas; si las señales de gran ancho de banda fuera en sentido ascendente la interferencia entre diferentes usuarios sería excesiva, ya que todos confluyen en el equipo de la central telefónica.
• #75: Para reducir la interferencia entre las señales de alta frecuencia de ADSL y las de baja frecuencia del servicio telefónico, cuando se instala una línea ADSL se pone en el acceso a la vivienda un separador de frecuencias. Este separador (también llamado ‘splitter’ de su nombre en inglés) está formado por un filtro de altas frecuencias al que se conecta el teléfono y uno de bajas frecuencias al cual se conecta el módem ADSL. Con la misma finalidad que en la vivienda, en la central telefónica también se coloca un divisor de frecuencias al bucle de abonado. La salida de baja frecuencia se conecta al conmutador telefónico tradicional y la de alta frecuencia al DSLAM (DSL Access Multiplexor) que es el dispositivo que contiene los módems ADSL de los usuarios. El módem ADSL se denomina también ATU-R (ADSL Transmission Unit- Remote). El DSLAM se llama también ATU-C (ADSL Transmission Unit-Central). Las conexiones ADSL son siempre punto a punto, no hay medio compartido; por tanto el DSLAM ha de contener un módem ADSL por cada usuario conectado al servicio.
• #77: El DSLAM se conecta normalmente a un conmutador ATM, a través del cual el usuario podrá tener acceso al proveedor de Internet con el que haya contratado el servicio. También es posible tener conexiones de red privada virtual, por ejemplo para teletrabajadores que quieran acceder a la red corporativa de su empresa a través de la conexión ADSL.
• #78: Este esquema muestra a título comparativo como se conectaría a Internet un usuario de ADSL frente a uno de red telefónica convencional. Aunque en el ejemplo se supone que el usuario de red telefónica utiliza una conexión analógica la figura sería prácticamente la misma si se utilizara la RDSI. La principal ventaja de ADSL frente a una conexión tradicional es la no utilización de la red telefónica. Esto supone un considerable ahorro de recursos, y evita la tarificación por tiempo a la que esta sujeto este tipo de servicios.
• #79: Mientras que los cable módems casi siempre son dispositivos externos, en el caso de ADSL existen múltiples alternativas. Los módems externos se conectan al ordenador mediante una interfaz Ethernet o también por una interfaz ATM de 25 Mb/s. El uso de ATM se explica por el hecho de que ADSL siempre emplea celdas ATM y de esta forma el usuario puede tener acceso a las funcionalidades propias de esta tecnología desde su PC, cosa que no es posible cuando utiliza la interfaz Ethernet. En cualquier caso el dispositivo que conecta el PC actúa como puente transparente entre la red local (o el PC del usuario) y el DSLAM, de forma análoga a lo que ocurría con los cable módems. También existe la opción de conectar el módem ADSL al puerto USB del ordenador, lo cual tiene la ventaja de no requerir ninguna tarjeta adicional en el PC. Asimismo existen tarjetas internas que permiten conectar el PC directamente a ADSL. Esta opción es la mas económica. Por último existen routers con una interfaz Ethernet y una ADSL, y conmutadores ATM con conexión a ADSL. Estos dispositivos son más apropiados cuando se quiere conectar una pequeña oficina con varios ordenadores utilizando una línea ADSL.
• #80: La figura muestra cómo se haría la conexión de un ordenador a ADSL utilizando un módem externo conectado al puerto USB. Obsérvese la existencia del divisor de frecuencias (POTS splitter) al cual se conecta por un lado el módem ADSL y por otro los diversos teléfonos.
• #81: En esta figura se muestra la conexión de una pequeña oficina con varios ordenadores a ADSL, utilizando para ello un hub/router. Como router dispone de una única interfaz Ethernet cuyos 10 Mb/s son compartidos por los cuatro ordenadores. El modem ADSL se encuentra integrado en el equipo. En algunos casos las interfaces Ethernet son conmutadas, es decir el tráfico de las diversas interfaces disponibles no es compartido. En esta figura puede verse también como el splitter está formado por un filtro de altas frecuencias y uno de bajas frecuencias.
• #82: En esta figura puede verse un caso típico de bucle de abonado con los diversos elementos que perjudican la propagación de la señal ADSL. En primer lugar tenemos el cable de alimentación que sale de la Central. Este cable es de diámetro 24 (0,5 mm) en vez del habitual de 26 (0,4 mm). En algún punto del cable de alimentación se empalma el cable de distribución que recorrerá la calle. Este mazo, que tiene menos pares que el cable de alimentación, recorrerá toda la calle y a sus diferentes pares se irán conectando los teléfonos de los abonados mediante cables de suministro (‘bridge taps’). Un detalle importante a tener en cuenta es que el cable de distribución nunca se corta, cuando se conecta un nuevo abonado se hace empalmando el cable que le conecta mediante un puente a un par libre en el cable de distribución (y empalmando el par correspondiente en el par de alimentación) ; después cuando ese abonado se da de baja el par correspondiente del cable de distribución queda libre para conectar a otro abonado, pero no se retira normalmente el cable de suministro, ya que no es necesario. El resultado de esta práctica, habitual en todas las compañías telefónicas, es que los bucles de abonado típicamente contienen varios cambios de diámetro y acumulan cables de derivación que no van a ninguna partes; además suele haber poca o ninguna documentación al respecto. Todas estas ‘imperfecciones’ degradan de forma notable la calidad de la señal a las altas frecuencias a las que trabaja ADSL.
• #84: Uno de los mayores problemas de ADSL es la enorme variación que se produce en las características de la onda electromagnética transmitida en el cable de pares cuando se utiliza un ancho de banda grande. En la figura se muestra la evolución de la atenuación con la frecuencia para dos casos concretos: un bucle de abonado de 3,7 Km de longitud y uno de 5,5 Km, distancia máxima a la que puede funcionar ADSL. Como puede apreciarse en la gráfica se llegan a dar niveles de atenuación de la señal de más de 90 dB, que representa una atenuación de mil millones de veces respecto a la potencia de la señal original.
• #85: Se estima que el 10% de los usuarios de telefonía no puede utilizar ADSL porque su bucle de abonado tiene una longitud mayor de 5,5 Km. En otro 5% la baja calidad del cable (debido a cambios de grosor, empalmes, etc) impide disponer del servicio. A veces los problemas son resolubles y el servicio puede ofrecerse después de acondicionar el bucle del abonado. Aunque el 85% de los usuarios de telefonía si puede utilizar ADSL no es posible dar garantías a priori, ni saber cual será la velocidad máxima utilizable, es preciso hacer pruebas y mediciones en cada caso. Esta incertidumbre es el principal problema de ADSL, ya que no se puede asegurar de antemano la disponibilidad del servicio. Además el rendimiento puede variar con el tiempo en función de condiciones ambientales y factores ajenos al abonado. En el caso de RADSL las variaciones pueden producirse incluso en una misma sesión. Otro inconveniente de ADSL es su sensibilidad a interferencias externas, sobre todo las producidas por la radiodifusión AM de onda larga y onda media, que caen dentro del rango de frecuencias utilizado por ADSL. Dado que el cable utilizado no es coaxial y que la señal en el receptor es extremadamente débil ADSL es especialmente sensible a cualquier tipo de interferencias.
• #86: Esta figura compara la atenuación por la distancia en el canal descendente de una red ADSL para dos abonados que denominaremos A y B. Se supone que los dos dependen de la misma central y que sus bucles de abonado discurren por un mismo cable de distribución, es decir por la misma manguera de cable de pares, pero que se encuentran a diferentes distancias de la central telefónica, concretamente a 1 y a 3 Km de distancia respectivamente. Si suponemos que la atenuación del cable es de 20 dB/Km podemos calcular fácilmente la atenuación que sufrirá la señal en cada caso, que será 20dB (es decir –20 dB) para A y 60 dB para B. Evidentemente B no podrá optar a la misma calidad de servicio que A, ya que la mayor atenuación limitará el caudal máximo a valores inferiores. Sin embargo desde el punto de vista de la interferencia relativa de una señal con otra (para el tramo de cable en que ambas viajan juntas) la situación es simétrica, ya que la intensidad de la señal de A y de B en el primer kilómetro de cable es comparable. Dicho de otro modo, la misma interferencia sufre A por culpa de la señal de B que B por culpa de la señal de A.
• #87: En cambio, si comparamos lo que ocurre con el sentido ascendente observaremos que para cuando llegan a la central las señales de A y B la señal de A ha viajado durante 1 Km en paralelo con la señal de B disfrutando de una intensidad 40 dB superior. En este caso la interferencia que A induce en B es mucho mayor que la que B induce en A. Esta asimetría entre lo que ocurre en el sentido descendente y ascendente es una de las razones técnicas que hacen que el canal ascendente tenga un menor caudal que el descendente, y es simplemente una consecuencia de que la topología de la red no es simétrica, ya que en el sentido descendente hay un emisor común a todos los receptores, mientras que en el ascendente los emisores se encuentran dispersos en un rango de distancias muy amplio respecto al receptor.
• #88: ADSL es un servicio de datos y vídeo digital, pero no está pensado para sustituir al servicio de voz. Para que sea compatible con la telefonía analógica, que emplea frecuencias por debajo de 4 KHz, ADSL utiliza frecuencias superiores a 32 KHz. RDSI utiliza frecuencias de hasta 80 KHz, por lo que para que coexista con ADSL es necesario desplazar hacia arriba el espectro de frecuencias de ADSL. ADSL suministra una comunicación full dúplex. Para simplificar su implementación generalmente se emplea un rango de frecuencias distinto para cada sentido; esto evita interferencias entre la señal de ida y de vuelta, y los problemas producidos por ecos de la señal transmitida. En total se utiliza un ancho de banda de 1 MHz aproximadamente. Como interesa una comunicación asimétrica el rango de frecuencias se reparte de forma desigual, asignando una parte mucho mayor a la comunicación descendente. Además de que para la mayoría de aplicaciones interesa así, técnicamente es mas fácil implementar un reparto asimétrico que uno simétrico o con la asimetría opuesta, ya que la interferencia inducida por señales paralelas de gran ancho de banda en el lado del usuario es muy baja al tratarse de diferentes viviendas; si las señales de gran ancho de banda fuera en sentido ascendente la interferencia entre diferentes usuarios sería excesiva, ya que todos confluyen en el equipo de la central telefónica.
• #89: La transmisión a distancias significativas de caudales de megabits por segundo a través del par telefónico del bucle de abonado no es tarea fácil. Se han tenido que explorar muchas técnicas de modulación novedosas, y resolver multitud de problemas. En las investigaciones de ADSL se han desarrollado dos técnicas de modulación que coexisten en la actualidad: La llamada CAP es mas antigua y sencilla. Es mas barata de implementar pero consigue eficiencias menores y está mas retrasada en el proceso de estandarización. La mas reciente, denominada DMT, es mas compleja y consigue una mayor eficiencia. Actualmente parece que la tendencia de los fabricantes es hacia el uso de DMT.
• #90: Para resolver el problema de variabilidad en las características de propagación de la onda electromagnética en función de la frecuencia DMT divide el ancho de banda disponible en multitud de canales estrechos, de los que asigna una parte al sentido ascendente y el resto al descendente. Con una anchura similar al canal telefónico tradicional, cada canal ADSL DMT tiene unas propiedades sensiblemente constantes a lo largo de todo el rango. DMT evita así el principal problema de CAP, ya que no es necesaria ninguna ecualización compleja para asegurar que la atenuación será la misma en un rango de frecuencias tan estrecho. Por otro lado si aparece una interferencia en una frecuencia concreta (por ejemplo por una emisora de onda media físicamente próxima) DMT puede inhabilitar el canal correspondiente y sólo habrá perdido una pequeña proporción de su capacidad total; además DMT puede adecuar cada uno de los canales activos a las condiciones ambientales, utilizando para cada canal el esquema de modulación que mejor se adapte a la calidad de éste.
• #91: La asignación de bins al tráfico ascendente o descendente en ADSL DMT se realiza de acuerdo con lo indicado en el cuadro. El canal ascendente puede llegar hasta el bin 38 y el descendente puede empezar en el bin 33; dentro de este rango se decide para cada caso concreto donde se pone la división entre ascendente y descendente. Además se reserva un bin en cada sentido para funciones de control.
• #93: En cada canal se utiliza la técnica de modulación óptima, de acuerdo con su relación señal/ruido. Así es posible obtener el máximo rendimiento de cada uno. En los casos más favorables se emplean técnicas de modulación que transmiten 16 bits por símbolo (frente a 9 bits por símbolo en el caso mas favorable de CAP). Cuando la calidad de un canal está por debajo de los mínimos aceptables éste deja de utilizarse, como ocurre en el canal más a la derecha en la figura. En su conjunto DMT es una técnica eficiente y sofisticada. Pero no hay duros a cuatro pesetas. A cambio de sus ventajas DMT ha de resolver el nada sencillo problema de tener que manejar mas de 200 canales independientes de forma simultánea, repartir el tráfico entre ellos en el emisor y agruparlo en el receptor. Hasta hace relativamente poco tiempo era impensable disponer de la potencia de proceso necesaria para llevar a cabo estas tareas en un dispositivo de ámbito residencial.
• #94: En esta figura se muestra el proceso seguido para ajustar el caudal descendente en una conexión ADSL en función de las características del enlace y las condiciones ambientales. En primer lugar el equipo ADSL de la central telefónica manda una señal de prueba al módem ADSL del usuario. Analizando las señales recibidas el módem ADSL averigua cual es la modulación óptima en cada bin, e informa de ello al equipo de la central telefónica, que adecúa así la codificación utilizada en cada bin a las características del enlace. Este proceso se realiza para cada sentido de la comunicación, empleando los bins adecuados en cada caso.
• #95: En este caso se supone que, a diferencia del anterior, existen interferencias externas importantes debidas a dos factores: por un lado una derivación del bucle de abonado, probablemente debida a un residuo no retirado de una instalación anterior. Esto provoca que en cierto rango de frecuencias la relación señal/ruido se reduzca de forma sustancial, con lo que la modulación elegida para esos bins permite incluir menos bits por baudio y su eficiencia también disminuye. Por otro lado hay otro rango de frecuencias en el que se presenta una fuerte interferencia debida a la presencia de una emisora de onda media (AM) cercana. En este caso la interferencia llega a ser mayor que la señal de ADSL por lo que los bins afectados se inutilizan por completo (en la práctica la señal de una emisora de AM afectaría a dos o tres bins, ya que tiene una anchura de 9 KHz).
• #99: Uno de los problemas que presenta el uso de ADSL es la instalación del separador de frecuencias en la vivienda del usuario. Esto requiere la visita de un técnico, lo cual encarece de forma considerable la conexión. Desde finales de 1997 han aparecido en el mercado diversas variantes de ADSL denominadas ADSL G.Lite que suprimen el divisor de frecuencias en casa del abonado (el divisor en la central telefónica se mantiene ya que allí no hay problemas para su instalación). Existen equipos DSLAM en el mercado actualmente que pueden interoperar indistintamente con equipos de usuario ADSL y ADSL G.Lite. ADSL: G.Lite es también un estándar ITU-T.
• #101: El splitter está formado por un filtro de altas y uno de bajas frecuencias. Su supresión aumenta la interferencia mutua entre el teléfono y el módem ADSL. El filtro de bajas frecuencias se puede mantener integrándolo en el módem ADSL, con lo que el problema se reduce a reducir la interferencia que producen en el teléfono las altas frecuencias de ADSL. Para ello se adoptan dos medidas: La frecuencia máxima se reduce aproximadamente a la mitad. Por ejemplo en el caso de utilizar modulación DMT ADSL G.Lite usa solo hasta el bin 127 (552 KHz), y la modulación más eficiente que emplea es la 256 QAM (8 bits/simbolo). Se reduce la intensidad de la señal ascendente a la cuarta parte, es decir en 6 dB. La señal descendente no plantea problema porque llega ya muy atenuada al teléfono del abonado (recordemos que en el lado de la central sí que hay splitter). Como consecuencia de las modificaciones introducidas en ADSL G.Lite se reduce en cierta medida el rendimiento del sistema. Por ejemplo la modulación más eficiente empleada en DMT transmite 8 bits por símbolo (frente a 16 en ADSL normal). En algunas variantes de ADSL splitterless se han conseguido caudales descendentes de 7 Mb/s. En el sentido ascendente se produce una mayor reducción del caudal debido a la reducción en la potencia de la señal emitida.
• #102: Tanto si se utiliza CAP como DMT los módems ADSL negocian entre sí la forma como van a transmitir los datos (tipo de modulación, anchura de canal en el caso de CAP o uso de los canales en el caso de DMT); una vez pactadas las condiciones éstas permanecían inalterables durante toda la sesión. Sin embargo a veces ocurren modificaciones en la red que mejoran o empeoran las características de la conexión, por ejemplo una interferencia que aparece súbitamente en una frecuencia concreta puede incrementar la tasa de errores de un canal hasta dejarlo inservible. En condiciones normales sería necesario reiniciar los módems para que se produjera una nueva negociación. Con RADSL esto se consigue de forma automática. Los módems están monitorizando continuamente la calidad de la conexión para modificar, en más o en menos, el caudal transmitido. Esto es algo análogo a lo que ocurre con los módems de red conmutada V.34 (28,8 Kb/s) y V.34+ (33,6 Kb/s), que pueden renegociar a mas o a menos la velocidad de la comunicación RADSL es una característica disponible actualmente en la mayoría de las implementaciones de ADSL y de ADSL G.Lite.
• #103: En esta figura se muestra un ejemplo completo de cómo se diseñaría la arquitectura de una red ADSL. En primer lugar los usuarios conectarían sus ordenadores al router ADSL, normalmente mediante una conexión Ethernet 10BASE-T. El router ADSL se conecta mediante el par telefónico con la central, donde el DSLAM actúa como módem y conmutador ATM. El DSLAM se conecta mediante la red ATM del operador con un router, que es el que le dará salida a Internet. Cuando el usuario contrata el servicio ADSL con un operador éste constituye un circuito virtual permanente (PVC) ATM tipo CBR, es decir con un caudal constante, si bien normalmente dicho caudal es asimétrico. Dado que diferentes usuarios accederán al router por la misma interfaz se le asigna a cada uno un número de VPI/VCI diferente. Obsérvese que el operador con el que se contrata el servicio ADSL puede no ser el mismo que gestiona el bucle de abonado, puesto que la red ATM permite establecer el PVC a través de distancias arbitrariamente grandes. Una vez constituidos los PVC ya es posible asociar direcciones IP a cada dispositivo. Normalmente se constituye una subred formada por cada interfaz del router y el conjunto de usuarios que dependen de el (en el ejemplo de la figura la 192.76.100.0/25). Esta es una organización habitual en redes NBMA (Non-Broadcast Multiple Access) como ATM, Frame Relay o RDSI.
• #117: ADSL es el miembro más destacado de una familia de tecnologías globalmente conocidas como xDSL. Nos referiremos ahora brevemente al resto de los ‘hermanos’. Todos se caracterizan por no hacer uso de la red telefónica convencional, puesto que emplean una red de datos dispuesta al efecto a partir de la central telefónica con la que conecta el bucle de abonado. La principal ventaja de este tipo de servicios desde el punto de vista del operador radica precisamente en la no utilización de la infraestructura telefónica para la transmisión de los datos..
• #118: Los desarrollos que desembocaron en todo el conjunto de tecnologías hoy conocidas como xDSL tuvieron su origen a principios de los años 80 en los laboratorios de investigación de la Bell. Lo que entonces se perseguía no era realmente conseguir un acceso residencial de alta capacidad, sino disponer de un mecanismo que permitiera establecer enlaces punto a punto simétricos de alta capacidad para interconectar centrales telefónicas con uno o varios pares de cobre para transmitir por él múltiples conversaciones (por ejemplo un enlace E1 de 2,048 Mb/s puede transmitir 30 conversaciones simultáneamente). El resultado de tales investigaciones fue HDSL, que es la tecnología xDSL más antigua y más extendida, pues es desde hace varios años la técnica habitual para constituir enlaces de 2 Mb/s. Sin embargo HDSL no es una tecnología apropiada para servicios de acceso residencial puesto que requiere dos o tres pares de hilos, en función de la distancia, cosa no disponible normalmente en viviendas. Además HDSL no reserva las bajas frecuencias, por lo que es incompatible con el servicio de voz. Por último HDSL utiliza el mismo rango de frecuencias en ambos sentidos, lo cual lo hace más sensible que ADSL a ecos e interferencias entre el canal ascendente y descendente, así como a problemas de cableado.
• #121: SDSL es similar a HDSL, pero utiliza un par de hilos únicamente; al no repartir la información en varios pares tiene que transmitir frecuencias superiores (con lo cual el alcance se reduce), o un caudal menor, o ambas cosas. Al utilizar solo un par de hilos SDSL resuelve una de las limitaciones que presentaba HDSL como acceso RBB, pero se mantienen las demás objeciones, especialmente la relativa a la incompatibilidad con el servicio de voz. A diferencia de HDSL SDSL no está todavía estandarizado.
• #122: Al hablar de ADSL vimos que la capacidad era función de la distancia, con un máximo de 8,5 Mb/s para distancias de 2,7 Km. VDSL es una técnica análoga a ADSL que permite conseguir capacidades aún mayores cuando las distancias son menores; podemos decir pues que VDSL es el ADSL de cortas distancias. VDSL es algo bastante novedoso que no está aun estandarizado y algunos detalles de su implementación están por decidir. Como en ADSL el caudal máximo en sentido descendente depende de la distancia a cubrir, según se muestra en la transparencia. Para el sentido ascendente se barajan tres posibles alternativas, aunque las primeras versiones de VDSL seguramente incorporarán la asimétrica de baja veocidad. Dado que la mayoría de los abonados se encuentra a mas de 1,5 Km de su central telefónica la implantación de un servicio VDSL requiere instalar equipos de distribución en bastidores de intemperie, en la acera de cada manzana por ejemplo, realizando la conexión por par de cobre a partir de alli. Esta estructura es lo que se denomina Fiber To The Curb (FTTC) o Fibra Hasta La Acera (curb = acera en inglés) de la que hablaremos mas tarde.
• #123: En esta gráfica puede apreciarse la disminución de la capacidad de un enlace VDSL/ADSL con la distancia. El punto de inflexión en la curva a la distancia de 1,4 Km marca el límite máximo de funcionamiento de VDSL. Evidentemente ADSL puede funcionar a distancias menores de 1,4 Km, pero debido a la forma como está diseñado la capacidad máxima ya no aumenta, manteniéndose en torno a 8 Mb/s.
• #124: Al haberse desarrollado como medio de acceso RBB VDSL utiliza un par de hilos y es compatible con el servicio de voz, como ADSL. Aunque utiliza velocidades superiores, desde el punto de vista técnico VDSL es más sencillo que ADSL ya que las menores distancias reducen considerablemente los problemas técnicos. VDSL se encuentra todavía en proceso de estandarización. Se han realizado algunas experiencias piloto y existe algún servicio comercial en ámbitos muy reducidos, pero realmente aún no se percibe la demanda de capacidades tan elevadas para aplicaciones de acceso residencial.
• #126: En esta figura se muestra el espectro de la señal generada en los cables por cada una de las técnicas xDSL que hemos descrito. La curva etiquetada T1 AMI corresponde al espectro que genera la señal de una línea T1 convencional (T1 corresponde a una línea de 1,536 Mb/s que es la versión equivalente americana de las líneas E1 de 2 Mb/s en Europa).
• #133: Una de las incorporaciones más recientes a la lista de tecnologías de acceso RBB es la comunicación por microondas de superficie denominada LMDS (Local Multipoint Distribution System). Como su nombre indica este sistema consiste en enviar la señal de radio desde el emisor a diversos puntos, es decir con una antena omnidireccional, por lo que se trata de una emisión tipo broadcast. Debido a la elevada frecuencia utilizada la señal se atenúa con rapidez, por lo que el alcance está limitado a distancias máximas de 3 a 15 Km, según la frecuencia, potencia de los emisores y condiciones ambientales. El servicio LMDS utiliza frecuencias por encima de 20 GHz. A estas frecuencias la emisión es muy direccional y la onda se transmite estrictamente en línea recta, por lo que es preciso tener visión directa entre las antenas. A cambio es fácil disponer de grandes anchos de banda. La información digital se envía normalmente en modulación QPSK ya que es más robusta y dado el ancho de banda disponible no parece necesario recurrir a modulaciones mas eficientes; sin embargo también se utiliza a veces 16-QAM y más raramente 64-QAM. Debido a la rápida atenuación de la señal el alcance es pequeño, y se ve afectado de forma importante por la lluvia. Cualquier objeto que interrumpa la visión (por ejemplo hojas de un árbol movido por el viento) es causa suficiente para cortar la comunicación.
• #134: Como nos muestra esta figura el alcance de las señales de radio disminuye a medida que aumenta la frecuencia. Otro factor que influye en el alcance es el uso de antenas direccionales, que permite concentrar el haz de emisión electromagnética en una dirección concreta.
• #137: La tecnología de microondas de LMDS puede utilizarse en configuraciones punto a punto como la que se muestra en esta figura. En este caso podemos decir que no se trata estrictamente de LMDS pues no hay una comunicación multipunto. Las configuraciones punto a punto son equivalentes a todos los efectos a enlaces telefónicos. La capacidad disponible se puede repartir entre varios usuarios o servicios mediante la TDM, utilizando generalmente la jerarquía PDH. Dado que se sabe exactamente la ubicación de los dos puntos a unir se pueden utilizar antenas parabólicas altamente direccionales. Esto tiene la doble ventaja de permitir utilizar potencias más pequeñas y evitar la difusión de ondas electromagnéticas al ambiente, con lo que la misma frecuencia puede ser utilizada en diferentes enlaces, incluso en zonas relativamente próximas entre sí.
• #138: En el caso de configuraciones multipunto tenemos una estación base que emite la señal de radio en un sector determinado de acuerdo con el tipo de antena y el diseño de la red. Dentro de un mismo sector podemos encontrar a varios tipos de usuarios que podemos agrupar en dos categorías: los que utilizan el retorno por radio y los que hacen uso del retorno telefónico, para evitar el costo de un equipo transmisor. El usuario de retorno telefónico necesita una antena direccional plana de pequeño tamaño, mientras que el que utiliza el retorno por radio dispone de una antena parabólica de pequeño tamaño. A su vez dentro de los usuarios de retorno por radio podemos distinguir dos tipos, de acuerdo con el protocolo utilizado para dicho retorno. En el caso de utilizar FDMA (Frequency Division Multiple Access) el usuario dispone de un canal de una determinada anchura para su uso exclusivo, por lo que dispone de una capacidad garantizada en la red. En cambio, los usuarios que utilizan TDMA (Time Division Multiple Access) comparten el canal ascendente como en las redes CATV. Como ocurría en las redes CATV será necesario en estos casos implementar un protocolo MAC que resuelva (o evite) las colisiones. La arquitectura de una red LMDS es muy similar a la de una red CATV.
• #139: El corto alcance de las ondas LMDS requiere el despliegue de una red de emisores cuando se quiere cubrir una zona tal como una urbanización, casco urbano, etc. El conjunto de emisores configura sobre el terreno una estructura celular. La potencia de cada emisor se ajusta en función de la densidad de población y la orografía del terreno para que cada célula abarque de 2.000 a 6.000 viviendas. El interés en mantener células de un tamaño no demasiado grande se debe a que la capacidad de cada célula es compartida por todos los usuarios, tanto en sentido ascendente como en descendente (salvo que se utilice retorno telefónico).
• #140: Aquí se muestra una red LMDS con células en forma de triángulos equiláteros. La red esta formada por un centro de operaciones, el NOC, al cual se conectan mediante fibra óptica las estaciones base (BSU). Cada estación base emite seis haces diferentes, cada uno con una apertura de 60º. Obsérvese la alternancia entre polarización vertical y horizontal entre sectores contiguos, de forma que se minimiza la interferencia entre zonas contiguas debido a la reutilización de frecuencias. Es posible reducir el número de estaciones base sin tener que reducir por ello el número de células utilizando ángulos más pequeños por sector. Por ejemplo con sectores de 15º es posible configurar 24 sectores por cada estación base, con lo que éstas se pueden colocar cuatro veces menos estaciones base manteniendo la misma área de cobertura por célula.
• #141: Este esquema muestra un caso de comunicación LMDS con retorno vía radio. Por un lado tenemos la estación base que transmite en seis sectores diferentes. El usuario se conecta mediante una NIU (Network Interface Unit) que dispone de una pequeña antena parabólica. Obsérvese la posibilidad de conectar el teléfono convencional y el decodificador de televisión digital. LMDS aspira a ser una red de servicios integrados, es decir a ofrecer al usuario todas las comunicaciones (voz, datos y vídeo) por un único medio físico. Evidentemente esto no es posible cuando se utiliza retorno telefónico. LMDS también puede suministrar acceso a múltiples canales de televisión analógicos y digitales, como si se tratara de una red de televisión por cable;por esta razón a veces LMDS se denomina ‘la red de cable sin cable’.
• #142: Esta figura muestra otra perspectiva del usuario que se conecta con un enlace de radio bidireccional. Las diversas estaciones base de la red se interconectan con un centro de operación de la red o NOC, equivalente al centro emisor de una red CATV. Dado que la red LMDS suministra el servicio de voz este nodo central dispone de un conmutador conectado a la red telefónica convencional. Por otro lado también dispone de conexión a una serie de proveedores de contenidos de vídeo. Por último el operador también dispondrá normalmente de una conexión a Internet a través de un ISP. La DCU (Digital Connection Unit) se encarga de convertir las tres señales digitales recibidas (voz, vídeo y datos) en señales de banda ancha adecuadas para ser transportadas por el sistema de microondas LMDS en el canal asignado.
• #143: En enlaces punto a punto se utiliza multiplexación TDM, lo cual permite que diferentes servicios o usuarios compartan la capacidad del enlace. En enlaces multipunto el canal descendente se organiza también con TDM, siendo la estación base la encargada de repartir la capacidad entre los diferentes usuarios. Para el sentido ascendente (vía radio) se puede utilizar FDMA, asignando un canal a cada usuario, o bien TDMA (Time Division Multiple Access), el protocolo MAC empleado en redes CATV.
• #144: Aquí se muestran gráficamente dos ejemplos; en el primero la capacidad ascendente se reparte entre tres usuarios de forma estática mediante FDMA, asignándole a cada uno una parte de la capacidad disponible. Cuando ese usuario no utiliza su canal ascendente dicha capacidad es desperdiciada. En el segundo caso solo un usuario (NIU1) tiene asignado un canal, mientras que los otros dos (NIU2 y NIU 3) comparten un canal mediante el protocolo MAC TDMA. En este caso cuando uno de ellos no esté utilizando el canal ascendente toda la capacidad podrá ser en principio utilizada por el otro, dando así lugar a un aprovechamiento más eficiente de los recursos. El uso de TDMA está aconsejado en situaciones donde se produce tráfico a ráfagas e irregular, de forma que cada usuario pueda aprovechar una gran capacidad durante breves intervalos de tiempo. En cambio FDMA permite un control más riguroso y una garantía de recursos cuando el tipo de aplicaciones utilizado así lo requiera. Por otro lado la mayor complejidad de TDMA conlleva un mayor overhead debido a la información de control que es necesario manejar y a la posibilidad de que se produzcan colisiones, con la consiguiente pérdida de eficiencia.
• #146: En este mapa de la red LMDS de la Universidad de Virginia se aprecia claramente la emisión de tres haces sectoriales diferentes que constituyen tres células distintas para la comunicación con diversos centros remotos.
• #147: Aquí se muestra el equipo que constituye el nodo principal en la red LMDS de la Universidad de Virginia, junto con algunas de sus características técnicas más relevantes. El equipo utiliza canales de 8,33 MHz. Esto permitiría transmitir por ejemplo a 6,5 Msímbolos/s, que con la modulación 16QAM utilizada daría un caudal de 26 Mb/s. Restando a esto el overhead debido al FEC tenemos unos 24 Mb/s. El caudal disponible se presenta al usuario como siete enlaces T1,cada uno con un caudal simétrico de 1,536 Mb/s, o 10,752 Mb/s full dúplex, que equivale a un total de 21,504 Mb/s.
• #148: Esta fotografía corresponde a uno de los equipos LMDS remotos que comunica con el nodo LMDS central. Puede apreciarse en la fotografía la pequeña antena parabólica para la comunicación bidireccional, así como la visión directa entre ésta y la antena del nodo principal red.
• #152: Los satélites geoestacionarios se encuentran a 36.000 Km de altura. A esta distancia una órbita dura exactamente 24 horas, por lo que estos satélites mantienen su posición relativa en el cielo (de ahí su nombre). Esto los hace especialmente interesantes para las comunicaciones, ya que actúan como repetidores ’colgados del cielo’ que reenvían hacia la tierra la señal recibida desde abajo. Al no necesitar el despliegue de infraestructuras sobre el terreno, los satélites representan una solución interesante cuando se quiere disponer de la conexión con rapidez. Además, dado que pueden cubrir vastas áreas geográficas el costo de la conexión es independiente de la distancia y son apropiados para cubrir zonas con baja densidad de población. Los satélites geoestacionarios se utilizan desde hace bastantes años para comunicaciones. Recientemente se ha popularizado su uso como medio para captar las señales de televisión digital, que utiliza la norma DVB-S (Digital Video Broadcast - Satellite). Gracias a estos desarrollos se han abaratado los componentes para la captura de señales digitales vía satélite, lo cual ha permitido plantear el satélite como alternativa para el acceso RBB.
• #153: Las frecuencias utilizadas por los satélites se encuentran dentro del rango de las microondas. A estas frecuencias las señales tienen una elevada direccionalidad, por lo que orientando adecuadamente las antenas se puede elegir con bastante precisión la zona que se desea cubrir. Esto es lo que se denomina la ‘huella’ del satélite. Normalmente se intenta que la huella cubra lo mejor posible las zonas a las que va destinada la emisión. En la figura se muestra una de las huellas del satélite Eutelsat (un satélite puede tener varias huellas, a veces muy diferentes entre sí). Puede observarse que sigue con bastante aproximación el perfil del continente europeo (incluidas las islas Canarias). La huella se muestra mediante curvas isopotenciales, es decir curvas que representan niveles constantes de intensidad de la señal emitida. Así por ejemplo Valencia y Estocolmo, que se encuentran en la curva de 53 dBW, necesitarán una antena de unos 60 cm. En cambio Lisboa, que está en la curva de 50 dBW, recibe una señal de la mitad de potencia (al ser una escala logarítmica 3 dB de diferencia significa la mitad de potencia); por tanto Lisboa necesitará una antena con el doble de ganancia (el doble de superficie) que Valencia o Estocolmo, es decir una antena de unos 60 * 1,414 = 85 cm.
• #154: Dado que generalmente el emisor y receptor de la señal de radio se encuentran en la misma zona geográfica se utiliza para evitar interferencias una frecuencia diferente para las señales de subida y de bajada. Existen varias bandas reservadas a nivel mundial para las comunicaciones vía satélite. En la tabla se muestran las tres más habituales. La banda Ku es la mas utilizada actualmente, aunque la banda Ka con su gran ancho de banda promete grandes capacidades.
• #155: La banda de frecuencias atendidas por un satélite se divide en canales. Cada canal es atendido por un dispositivo encargado de captar la señal proviniente de la tierra, amplificarla y reenviarla de nuevo hacia la tierra por la frecuencia descendente corrrespondiente (con una potencia típica de entre 50 y 100 vatios). Dicho dispositivo se denomina transponder (o transpondedor). Un satélite moderno puede soportar en torno a 20 transponders. Dado que generalmente un satélite no es capaz de cubrir toda la banda Ku, se suele poner en la misma posición orbital varios satélites de forma que abarquen toda la banda, formando lo que se conoce como una constelación. Para aprovechar mejor la banda y minimizar la interferencia entre canales vecinos se utiliza diferente polarización entre transponders contiguos, por ejemplo horizontal/vertical o circular derecha/circular izquierda.
• #156: Las emisiones de televisión digital vía satélite se realizan modulando los datos en el canal correspondiente. Una configuración típica es la siguiente: Ancho de banda: 33 MHz Caudal en símbolos: 27,5 Msímbolos/s Modulación: QPSK (2 bits/símbolo) Caudal en bits: 55 Mb/s El caudal de 55 Mb/s es en bruto, que después de descontar el overhead debido al FEC se queda en unos 50 Mb/s. Sobre este caudal se pueden enviar unos diez programas de televisión MPEG-2 simultáneamente. Los datos se envían por el transponder de la misma forma que las señales de televisión digital. Normalmente los aproximadamente 50 Mb/s útiles se dividen en canales de menor capacidad, por ejemplo de 2 o 6 Mb/s, que pueden ser utilizados para enviar información en sentido descendente (es decir hacia el usuario).
• #157: Aquí se muestra como se asignan anchos de banda a los transponders y como se definen dentro del transponder varios canales de diferentes capacidades. Como puede verse en la figura la anchura de banda realmente ocupada por cada transponder es superior a 33 MHz debido a las bandas de separación; en realidad el ancho de banda ocupado por cada transponder es de unos 38 MHz. Con una constelación de satélites que abarca la banda Ku completa es posible transmitir en total de 3 a 4 Gb/s de información .
• #158: Como ejemplo de la transmisión de datos vía satélite mostramos aquí las transmisiones de RTVE por el satélite Hot Bird, que pertenece a la sociedad Eutelsat. RTVE ocupa un canal entero de este satélite, de una anchura total de 38 MHz. Por él se transmite un caudal de 27,5 Msímbolos/s con un código corrector (FEC) de 3/4 , es decir que de cada 4 bits que se transmtien 3 son datos y el cuarto es la redundancia que permite corrección de errores. Cada símbolo transmite dos bits, por lo que el caudal útil es de 27,5 * 3/4 * 2 = 41,25 Mb/s. En este caudal se transmiten ocho señales de vídeo y trece señales de audio estéreo, todo esto utilizando el sistema de compresión MPEG-2. Cuando un sintonizador digital recibe cualquiera de estos canales lo que está recibiendo en realidad es toda la señal analógica de la cual extrae la información digital correspondiente. Esta información digital está formada por paquetes de datos que contienen la información de todos los programas. Cada paquete viene etiquetado con un PID, por lo que solo contiene información de audio o vídeo de un programa. El usuario cuando sintoniza la emisión elige el PID de audio y de video que desea recibir. El sintonizador descartará todos los paquetes que no correspondan a los PIDs de vídeo y audio indicados. Si se recibe una emisión de radio el PID de vídeo no existe.
• #159: La emisión del antiguo paquete de Canal Satélite Digital, que se realiza a través del Astra, emplea dos canales de este satélite de los que aquí solo detallamos uno. El sistema es similar al del Hot Bird, salvo por el hecho de que los canales son más estrechos (30 MHz), por lo que el caudal de símbolos es menor (22 Msímbolos/s); esto se ve compensado en parte porque se utiliza un código FEC 5/6, más eficiente y menos robusto que el ¾ usado en Eutelsat. El caudal útil es pues de 22 * 5/6 * 2 = 36,67 Mb/s. En este caso no se transmiten canales de radio, peor algunas emisiones de televisión se hacen con sonido dual. En total se multiplexan 9 señales de vídeo y 11 de audio diferentes.
• #160: Las emisiones por satélite son de naturaleza broadcast, por lo que la capacidad de un canal de datos es compartida por todos los usuarios del mismo. El retorno en las comunicaciones vía satélite se hace normalmente por canal telefónico. Es posible realizar el retorno también vía satélite, pero para ello hay que disponer de un equipo transmisor hacia el satélite, lo cual requiere una antena parabólica mayor y resulta excesivamente costoso para aplicaciones residenciales.
• #161: Las comunicaciones a través de satélite presentan inconvenientes que dependen de la banda utilizada. La banda C se ve afectada por la interferencia de señales terrestres. Las señales de alta frecuencia son absorbidas por el agua, por lo que la recepción en las bandas Ku y Ka se ve afectada por la lluvia. Por último las elevadas frecuencias de la banda Ka requieren equipos costosos, aunque este problema se reduce a medida que dichos equipos se popularizan. El problema mas grave de la comunicación por satélites geoestacionarios es consecuencia de su distancia a la tierra. El viaje de ida y vuelta introduce un retardo adicional de 240 ms o mas (480 ms si el retorno se realiza también por satélite). Esto impide o dificulta mucho el unos de aplicaciones interactivas como videoconferencia o vídeo bajo demanda. Con el protocolo de transporte más utilizado en Internet, TCP, este retardo limita el rendimiento máximo a valores entre 1 y 2 Mb/s, salvo que se utilicen versiones modificadas de TCP (la denominada ventana extendida). Pero estas modificaciones han de estar disponibles en el TCP de los dos hosts que participan en la comunicación para que sean efectivas. La puesta en órbita y mantenimiento de satélites son labores muy costosas, lo cual repercute en los costos de los servicios. Por último el retorno telefónico (que es lo normal en las conexiones vía satélite) encarece las conexiones permanentes.
• #162: Como un ejemplo de servicio RBB vía satélite comentamos aquí el servicio Astra-Net. En este caso se utiliza retorno telefónico, por lo que al costo de suscripción del servicio hemos de añadir el de la conexión telefónica. En sentido descendente se puede disponer de un caudal de 64 a 400 Kb/s.
• #163: Este esquema muestra el funcionamiento del servicio de acceso vía satélite con retorno telefónico, que se asemeja bastante a las redes CATV con retorno telefónico.
• #164: Astra también ofrece un servicio denominado Astra Broadband Interactive con retorno por satélite. En este caso se ofrece un caudal descendente de hasta 38 Mb/s, aunque el máximo por sesión TCP es de 1,6 Mb/s (por el problema del tamaño de ventana de TCP). En ascendente se anuncia un caudal de hasta 2 Mb/s. La antena parabólica es en este caso de mayor diámetro ya que se requiere transmitir hacia el satélite. Dados los costes del equipamiento necesario no podemos calificar este servicio como una opción para el acceso residencial, siendo este un servicio pensado para empresas.
• #165: La comunicación vía satélite bidireccional se asemeja a las redes CATV HFC; en este caso el canal de retorno vía satélite compartido requiere el uso de protocolos MAC para resolver los conflictos que se producen cuando dos clientes transmiten a la vez. En la figura se representa un ejemplo de comunicación entre varios ordenadores utilizando en ambos sentidos la comunicación vía satélite.
• #168: Recientemente han aparecido diversos sistemas de comunicaciones basados en los denominados satélites de órbita baja o satélites LEO (Low Earth Orbit), con órbitas de alturas entre 750 y 1500 Km. Como consecuencia de su poca altura los satélites LEO tienen una serie de características que les diferencian de los GEO: Debido a su poca altura introducen un bajo retardo, del orden de 10 ms como máximo. Por consiguiente no es necesario modificar el software para su eficiente funcionamiento. La menor altura permite utilizar una menor potencia en las emisiones; esto reduce el costo de los equipos necesarios para una comunicación bidireccional a través del satélite. Las huellas son más pequeñas, con lo que las zonas de emisión broadcast son menores. La principal desventaja estriba precisamente en el hecho de no ser estacionarios, por lo que para disponer de un servicio permanente es necesario poner en órbita conjuntos de satélites, conocidos como constelaciones.
• #169: En esta tabla se muestran las principales características de los sistemas de satélites LEO en marcha o previstos. De todos ellos el único que nos interesa desde el punto de vista de RBB es el llamado Teledesic, que prevé entrar en funcionamiento en el 2004. Teledesic estará formado por 24 anillos de 12 satélites cada uno. Se utilizará una subbanda de 500 MHz dentro del rango correspondiente a la banda Ka, y se prevé poder ofrecer caudales de 64 Mb/s en sentido descendente y 2 Mb/s en sentido ascendente.
• #170: La peculiaridad mas interesante de Teledesic es que se prevé que la constelación de satélites funcione como una red de conmutación de paquetes no orientada a conexión; la ruta seguida por cada datagrama vendrá fijada por el protocolo de routing, que de forma dinámica calculará la ruta óptima a seguir en el cielo según el tráfico y otros factores. Esta forma de funcionamiento sirve también como medida de salvaguardia ante el eventual fallo de algún satélite, o para resolver situaciones de saturación que puedan producirse en algunas rutas.
• #171: En esta animación se muestra el funcionamiento de la constelación Teledesic. Para evitar que la comunicación se interrumpa cuando el satélite se pierde en el horizonte se construyen constelaciones de satélites, de forma que siempre haya uno a la vista. Una vez en el satélite la información se transmite hacia el satélite mas próximo al destinatario y se le envía directamente.
• #175: Fuente: http://www.pioneerconsulting.com/globalbroadband/index.html