TECNOLOGÍAS DE BANDA ANCHA ÁREA DE COMUNICACIONES ELÉCTRICAS

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1 TECNOLOGÍAS DE BANDA ANCHA ÁREA DE COMUNICACIONES ELÉCTRICAS Ing. Verónica M. Miró Año 2001

2 Agradezco la desinteresada colaboración de Carlos Vassalli, Prof. Asociado y Responsable del Área de Comunicaciones Eléctricas de la Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura de la Universidad Nacional de Rosario, en la recopilación de material bibliográfico y revisión de los apuntes; y del Ing. Adrián Luque, Prof. Adjunto de la Cátedra de Tecnologías de Banda Ancha de la misma Universidad, también por su aporte de material, especialmente en el tema de Aplicaciones de Redes de Acceso. Ing. Verónica María Miró Junio, 2001.

3 ÍNDICE 1. INTRODUCCION DSL (Digital Subscriber Line) FTTC / FTTB (Fiber To The Curb / Building) FTTH (Fiber to the Home) HFC (Hybrid Fiber Coax) Acceso Inalámbrico SERVICIOS ADSL Generalidades Medio Físico Funciones ADSL Estándares de Transmisión Modulación de portadora única (CAP) Modulación Multiportadora FEC (Forward Error Correction) RADSL HDSL Estructura de trama HDSL Trama Central Trama de datos de encabezamiento Elementos de una trama HDSL Funciones de los bits de encabezamiento Proceso de transmisión en línea HDSL Proceso de Inicialización Proceso de Transmisión de Datos Resumen del sistema HDSL Gestión de procedimiento de transmisión de línea HDSL SDSL VDSL ADSL-Lite (UADSL) Aplicaciones de Redes de Acceso MPEG (Motion Picture Expert Group) Compresión de Audio Compresión de Video JPEG (Joint Photographic Expert Group) REFERENCIAS...31 Tecnologías de Banda Ancha - 3

4 1. INTRODUCCION El uso generalizado de los servicios multimedia, especialmente en lo que refiere a la red Internet (World Wide Web), ha dado impulso a la necesidad de llegar directamente al usuario con servicios de red de gran ancho de banda. Esto permite que nuevas tecnologías puedan ser introducidas en el mismo vínculo tales como la Video Conferencia y el Video por Demanda. Las redes de acceso y las redes de backbone son sistemas análogos a los sistemas de carreteras donde las redes de acceso son las calles principales y secundarias y la red de backbone es similar a las autopistas. Muchas de las redes de acceso son inherentemente unidireccionales, otras bidireccionales asimétricas y otras totalmente bidireccionales. En la siguiente figura se muestran las tecnologías de acceso que se utilizan actualmente y las que están en vías de desarrollo. Internet ó WAN Otras redes de servicios (Telefonía, CATV, Satélite, Radienlaces) Límite de la Red de Acceso y Interworking Red de acceso analógico (POTS/modem) Red de acceso No cableada Tel. Red de acceso xdsl Red de acceso de cable Radio tower Red satelital directa Cable Satellite dish Sin importar el tipo de red de acceso, un usuario de la red se comunica con otro usuario a través de la red de acceso ó a un servidor de WAN/Internet Los esquemas actuales que soportan las Redes de Acceso cableadas son : DSL, FTTC, FTTH y HFC, además de las redes de acceso inalámbricas y por satélite. Digital Subscriber Line (DSL) ó mejor, línea de abonado digital y nuevas tecnologías de modems son las soluciones más prácticas y de menor costo para proveer estos servicios a gran cantidad de clientes. Tecnologías de Banda Ancha - 4

5 1.1. DSL (Digital Subscriber Line) La línea de abonado digital (DSL) es la solución de red de acceso de banda ancha elegida fundamentalmente por las compañías telefónicas. Esta tecnología surge a partir del hecho que los usuarios del servicio telefónico analógico actual ya tienen un par de cobre trenzado llegando hasta su domicilio particular/comercial. Si a partir de este desarrollo, ese cable puede ser usado para transmitir señales de banda ancha, la compañía telefónica puede convertirse en proveedor de otros servicios adicionales, comúnmente denominados servicios de valor agregado. Requieren de dos modems, uno ubicado en la casa del cliente y otro en la oficina de la compañía telefónica. El uso generalizado del término MODEM no es correcto. Técnicamente un módem DSL no modula/demodula como el que se utiliza sobre línea telefónica. Puede transmitir servicios telefónicos sobre el mismo par de cobre trenzado que lleva servicios de datos. Por años se había creído que el límite superior para transmitir datos sobre una línea telefónica analógica era de 64 kb/s. Este límite se obtenía usando el mayor ancho de banda posible y sin compresión. La razón de este límite está basado en que el servicio telefónico utiliza sólo 4 khz de ancho de banda máximo. Pero esto no tiene en cuenta el ancho de banda disponible en los cables de cobre que está en el orden de 1 MHz. La técnica xdsl toma esta ventaja y utiliza las frecuencias superiores para servicios de datos. Los avances en el procesamiento digital de señal han eliminado los problemas de crosstalk que resultaba del uso de esta frecuencia para datos. El problema obvio es que estos cables tienen una longitud típica promedio de 10 km y no pueden soportar por ejemplo una señal MPEG (video codificado con pérdida). La solución DSL es utilizar técnicas digitales de transmisión y procesamiento con DSP (Digital Signal Processing) para eliminar eco y ruido en la línea. Banda ancha sobre el viejo par de cobre Servicio Básico Telefónico Nuevas Técnicas de Modulación Mejora en chips DSP(*) Avances en compresión de datos TRANSMISION DE DATOS Central Pública 0,3Kh 3,4Kh 26Kh 1,104Mhz Módem xdsl Módem xdsl RED de DATOS (*) DSP: Digital Signal Processor Tecnologías de Banda Ancha - 5

6 Ventajas: 1. Utiliza las líneas telefónicas existentes. 2. No ocupa la línea telefónica. 3. Permite alcanzar altas velocidades desde el cliente al proveedor ( hasta 8 Mbps) Desventajas: 1. Necesidad de estar a una distancia máxima de 3 km. de la central telefónica. 2. Es caro aún, en comparación con otros países. 3. Abultado costo de instalación. Distintos tipos de líneas DSL HDSL: High Bitrate DSL SDSL: Symmetric DSL IDSL: ISDN DSL ADSL: Asymmetric DSL VDSL: Very High Bitrate DSL CDSL: Consumer DSL (DSL Lite) Serán luego desarrolladas en detalle FTTC / FTTB (Fiber To The Curb / Building) Fibra hasta el borde, hasta el vecindario. La fibra óptica está tendida desde el nodo de conmutación a cada manzana terminando en un dispositivo llamado ONU (unidad óptica de red). Cada ONU distribuye hasta 16 pares de cobre. Estos lazos de abonado en cobre son lo suficientemente cortos (100m) para soportar canales T1 full - dúplex para vídeo MPEG-1 o T2 full - dúplex para MPEG-2. Dado que el canal es simétrico permite operar el servicio de videconferencia. Central de Conmutación Unidad Óptica de Red C ONU C C Troncal de Fibra Óptica (Banda Ancha) Cableado de Cobre Tecnologías de Banda Ancha - 6

7 1.3. FTTH (Fiber to the Home) Consiste en la instalación completa de una red de acceso en fibra óptica hacia el domicilio de todos los abonados / oficinas. La interfaz puede ser OC-1 (SONET 53 Mbps) o OC-3 (SONET 155 Mbps) o de mayor velocidad para usuarios que lo requieran. Esta es la solución más costosa pero también la que ofrece mayor flexibilidad y capacidad de expansión HFC (Hybrid Fiber Coax) xdsl, FTTC y FTTH son redes de acceso punto a punto ya que son soluciones diseñadas por operadores de servicio telefónico que quieren prestar servicios de banda ancha. HFC es un acercamiento diferente, es la solución adoptada por los operadores de servicio de TV por cable que quieren ofrecer telefonía y comunicación de datos. Cabecera de Distribución C C C C Coaxil Troncal de Fibra Óptica Los operadores de TV por cable usan normalmente coaxil con AB de 300MHz (ó 450MHz). Estos cables deberían reemplazarse por uno de AB mayor: 750MHz ampliando la capacidad de 50 (ó 75) canales de 6MHz a 125 canales de 6MHz. Para transmitir TV analógica canales se utilizan 75 de los 125, los nuevos 50 canales pueden ser modulados usando 256-QAM lo que provee una tasa de 40Mbps por canal, dando un AB total de 2Gbps extra. Cada cabecera de distribución alimenta un coaxil que pasa por hasta 500 terminales / domicilios de abonado, esto nos permite ofrecer un canal dedicado de 4Mbps para cada abonado, que puede ser usado para una combinación de canales MPEG-1, MPEG-2, datos, telefonía, etc. El inconveniente que presenta esta solución es que los operadores de cable deberían reemplazar el tendido existente de cable con coaxil de 750MHz, instalar nuevas cabeceras y reemplazar los amplificadores de línea unidireccionales por otros bidireccionales (asimétricos). En una palabra deben reemplazar la red completa. La infraestructura necesaria es comparable a la que necesita el operador telefónico para ofrecer FTTC. Tecnologías de Banda Ancha - 7

8 El problema que presenta HFC es que se usa un medio compartido sin conmutación ni ruteo. Cualquier información puesta en el cable puede ser 'leída' por cualquier abonado, FTTC en cambio al ser totalmente conmutado no tiene este incoveniente. De esta forma los operadores HFC necesitan que los suministradores de contenido (por ejemplo servidores de video, o proveedores de acceso a interrnet) encripten el flujo de datos, de manera que los usuarios no puedan ver un evento o acceder a un servicio por el que no han pagado. Los operadores de FTTC en cambio no necesitan encriptación. Ventajas: 1. Funciona sobre las redes de CATV existentes 2. Alta velocidad y facilidad para la actualización 3. Da valor agragado al servicio de TV por cable. Desventajas: 1. No se puede obtener en forma separada del videocable. 2. En ocasiones se deberá instalar un segundo cable coaxil para la señal desde el cliente a la central de video. 3. Sin un correcto mantenimiento de la red, los canales de subida pueden sobrecargarse con el aumento de usuarios Acceso Inalámbrico Consiste en una antena direccional instalada en el domicilio del cliente apuntada hacia una oficina central del proveedor de servicios de Internet. Para ello se utilizan radioenlaces punto/multipunto. Este sistema se comenzó a utilizar primero para áreas poco urbanizadas, donde no llegan los servicios cableados. La tecnología más utilizada para los enlaces de datos inalámbricos ó WLL (Wireless Local Loop), es el Servicio de Distribución Local Multipunto, LMDS (Local Multipoint Distribution Service), el cual guarda grandes similitudes con el sistema de transmisión utilizado para comunicaciones celulares. Este sistema fue creado por Bernard Bossar gracias a una licencia experimental otorgada por la FCC (Federal Communication Comisión), el organismo encargado de regular las comunicaciones en EE.UU. El LMDS dvide las áreas de transmisión en múltiples celdas. Algunas zonas no quedan cubiertas (zonas de sombra), en cuyo caso se utilizan repetidores ó reflectores pasivos para desplegar la señal. Las celdas adyacentes utilizan iguales frecuencias, pero con diferente polarización. Esta técnica permite la utilización de un canal de subida que utiliza una polarización inversa a la de recepción. Las frecuencias de microondas utilizadas para transmitir este tipo de servicios están generalmente entre los 27.5 GHz a 31.5 Ghz. La antena que se instala en el cliente, se coloca en dirección al nodo más cercano. Desde la antena del nodo se conecta a un servidor mediante un cable a la placa de red. La velocidad máxima que se provee es de 960 Kbps. Tecnologías de Banda Ancha - 8

9 Además de los servicios de acceso a Internet, es posible interconectar redes distantes entre sí en forma inalámbrica. Existen algunos inconvenientes comunes en este tipo de sistema. El principal es la necesidad de estar en el área de cobertura del servidor, es posible que nuestro vecino pueda recibir la señal pero nosotros no por tener el enlace visual obstruido. Otra observación al sistema, son las condiciones atmosféricas, durante las tormentas, cuando se forma una cortina de lluvia, la recepción es nula ó defectuosa, provocando cortes y demoras en el servicio. El LMDS carece de un método sencillo para añadir más usuarios. El problema se presenta con el tráfico del cliente al servidor,donde un aumento del número de usuarios terminaría saturando el receptor central. De este modo, las compañías no podrían encontrar una manera fácil de aumentar el ancho de banda, ya que se encuentra acotado por la licencia de frecuencias asignada por la CNC (Comisión Nacional de Comunicaciones). Ventajas: 1. Se produce un adelanto de las tecnologías inalámbricas. 2. No existen cableados aéreos extensos ni en la casa del cliente. 3. Planes y precios accesibles. Desventajas: 1. Interferencias y cortes en la conexión ante factores climáticos. 2. Expansión de la red muy lenta, en comparación con otros sistemas. 3. Tecnología muy nueva SERVICIOS Los servicios que se podrán ofrecer sobre los esquemas de red ó soportes de acceso desarrollados anteriormente son: POTS (Public Old Telephone Service) ISDN (Integrated Service Digital Network) Datos a baja, media, alta y muy alta velocidad. Acceso a Internet de alta velocidad Interconexión de LAN s Tele-trabajo Televisión Tradicional Televisión de alta definición Video por demanda. Audio de alta fidelidad. Tele-educación. Tele-shopping. Seguridad doméstica. Banca doméstica. Tecnologías de Banda Ancha - 9

10 Con el desarrollo de este tipo de redes flexibles es de suponer que la cantidad y calidad de servicios ofrecidos irá evolucionando hasta posibilidades actualmente no imaginadas. Down Bitrate Up Mod. coex. c/ POTS Alcance Típico (0,4 mm) Re pet. # par es NORMA Observ. HDSL SDSL IDSL 2,048 Mbps simétrico de 384 Kbps a 2 Mbps simétrico 128 Kbps simétrico 2B1Q CAP 2B1Q NO NO NO 3,5 Km 3,5 Km 5 Km SI NO NO ETSI ETR152 prop. prop. Amp. difundid o HDSL2 Solo en USA ADSL VDSL 8 Mbps 1 Mpbs 12 Mbps 26 Mbps 52 Mbps 12 Mbps 12 Mbps 26 Mbps DMT CAP CAP? SI SI 3 Km (6Mbps) 300 mts (52 Mbps) NO NO 1 1 ANSI 413 ETR 328 En Discusión Nov. G.DMT Aún sin estándar DSL Lite 1,5 Mbps 384 Kbps DMT CAP SI 4,5 Km (1,5Mbs) NO 1 G (G.Lite) Interop. c/adsl 2. ADSL 2.1. Generalidades La más prometedora de las tecnologías DSL es la denominada ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) ó Línea Digital de Abonado Asimétrica. Como su nombre lo indica, la asimetría proviene de los canales, el canal downstream tiene un ancho de banda mucho mayor que el upstream, superpuesta al POTS (Public Old Telephone Service). Con downstream llamaremos al canal ó tráfico en la dirección de la Central Pública ó Central del proveedor del servicio hacia el abonado y con upstream del abonado a la red. La naturaleza de ADSL lo hace apropiado para aplicaciones tipo cliente servidor y servicios Internet. El ancho de banda que utiliza ADSL se divide en 4, cada uno de los cuales formará un canal diferente: Canal Downstream simplex Canal Upstream duplex Canal de Control duplex Canal telefónico POTS Tecnologías de Banda Ancha - 10

11 La transmisión en los canales upstream y downstream no interfiere con el canal POTS, intercambia datos y telefonía sobre el mismo medio, que lo hace ideal para usos residenciales y pequeñas oficinas. Alexander Bell inventó el cable de pares trenzados para minimizar la interferencia de señales de un hilo a otro causado por radiación ó acoplamiento capacitivo entre ellos, pero no es la solución perfecta. Las señales se acoplan aún más cuando la frecuencia y la longitud del cable se incrementan. Esto será una limitación a las velocidades de transmisión, cuanto mayor sea la velocidad de comunicación, la longitud del cableado entre la Central y el Abonado deberá ser menor. Esto se traduce en la siguiente tabla para ADSL Velocidades de Downstream Distancia Mbps (T1) Hasta 5500 m Mbps (E1) Hasta 5000 m Mbps (DS2) Hasta 3700 m Mbps (4E1) Hasta 2800 m. El rango de velocidades para el canal Upstream va desde 16 Kbps a 640 Kbps. Los productos ADSL que actualmente se encuentran en el mercado, incorporan una variedad de velocidades de canales desde un mínimo de 1.544/2.048 Mbps down y 16 Kbps up hasta un máximo de 9 Mbps down y 640 Kbps up. Todas las combinaciones posible operan en una banda de frecuencias fuera de la banda telefónica, dejando este servicio independiente, aún cuando el módem ADSL tenga alguna falla Medio Físico Funciones ADSL La sección física de ADSL se refiere esencialmente al modem. Independientemente de la técnica de modulación utilizada, todos los modems ADSL responden al esquema de la siguiente figura. Modulador Demodulador Recuperación clock / datos D/A Filtros Line Drivers A/D Filtros Ecualizadores Acoplador de Línea POTS splitter Línea Telefónica El modulador crea una representación digital de una señal, modulada por una combinación particular de bits de datos transmitidos durante un intervalo de tiempo dado (la inversa de la tasa de información). El convertidor D/A transforma la representación digital en analógica, la filtra y la amplifica a los niveles consistentes con los requerimientos de potencia de las líneas telefónicas. Tecnologías de Banda Ancha - 11

12 La sección receptora realiza el proceso inverso, pero debe ecualizar la línea para normalizar los niveles de señal antes de proceder con la demodulación. Al momento existen tres técnicas de modulación ó códigos de línea. La primera, DMT (Discrete Multitone), divide la línea en una cierta cantidad de pequeños canales y modula cada uno basado en la capacidad que tiene esa frecuencia sobre una línea dada. El grupo T1E1.4 de ANSI ha desarrollado un estándar de ADSL para DMT, que se denomina T Los otros dos códigos alternativos no han ganado el mercado a pesar de que su desarrollo es anterior. Ambos utilizan técnicas de modulación de portadora única, QAM (Quadrature Amplitude Modulation), es el código que da origen a todos los códigos para ADSL y CAP (Carrierless Amplitude-Phase Modulation), una variante de QAM con la misma implementación y beneficios de flexibilidad que presenta QAM. La discusión respecto de los modems comienza en general con las velocidades y el ancho de banda. Qué velocidad máxima puede alcanzar un código determinado y sobre qué rango de frecuencias? ADSL comienza su desarrollo de manera convencional, canal de downstream con tasa de 1.5 Mbps sobre una línea de hasta 5500 m., 6 Mbps hasta 3700 m., asumiendo ciertos modelos de interferencia. Pero a comienzos del año 1996, ADSL toma un nuevo rumbo. Se comienza a ver el rápido crecimiento del uso de Internet para innumerables aplicaciones, especialmente comerciales, además de la utilización para video que ya tenía como puntal. La red Internet es inherentemente de tasa variable, las interfaces a la red y a la PC hogareña pueden ser ethernet ó ATM, ambas de tasa variable. Porqué no hacer ADSL de tasa variable?. Porqué no ofrecer al abonado la mejor tasa que su línea le pueda brindar? Para dar una idea de una ADSL adaptándose continuamente a las pequeñas variaciones de línea, tasa variable fue cambiado por tasa adaptativa, dando lugar a un nuevo acrónimo para tasa adaptativa DSL, RADSL. La tasa adaptativa no está restringida sólo al canal downstream. Muchos estudios muestran que una buena performance para Internet requieren tasa de downstream/upstream de 10/1. Por lo tanto una tasa de downstream de 2 Mbps necesita un canal upstream de 200 kbps Estándares de Transmisión Un desafío a resolver con ADSL es el debate entre los estándares de código de líneas: CAP (Carrierless Amplitude Modulation) DMT (Discrete Multitone) DMT ha sido estandarizado por ANSI, en general los primeros productos adoptaron CAP pero DMT terminó ganando el mercado. La mayor ventaja de DMT es su bajo costo, ambos métodos tienen sus ventajas Modulación de portadora única (CAP) CAP es una técnica de modulación de portadora única que utiliza 3 rangos de frecuencia, 900 KHz para el canal downstream, 75 KHz para el canal upstream y 4 KHz para servicio telefónico. CAP toma los canales de datos y los trata como un gran troncal en el cual ubica los datos.el código generador para ADSL es QAM. De los diversos esquemas de modulación conocidos, QAM es el Tecnologías de Banda Ancha - 12

13 que reune las características óptimas de eficiencia de ancho de banda, performance en presencia de ruido. Como se ve en la figura de la página siguiente, un codificador bit/símbolo QAM forma grupos de bits durante cada período de símbolo, lo divide en dos cadenas de símbolos que modulan un par de portadoras ortogonales, que luego se suman para formar la señal de salida, siempre en el dominio analógico. El ancho de banda de salida deberá ser al menos igual a la tasa de símbolo (baud rate), pero la recuperación del clock en el receptor requiere un exceso de ancho de banda, usualmente del orden del 15%. Por lo tanto una señal de 680 kbaud, necesitará utilizar por lo menos 782 khz de ancho de banda. La utilización eficiente del ancho de banda proviene de la flexibilidad de QAM para incrementar el número de bits por símbolo. Un sistema QAM típico (V.32 para 9600 bps) agrupa 4 bits por símbolo, y requiere una relación señal a ruido de 21 db en el receptor para mantener una tasa de error aceptable. QAM ha sido diseñado para pocos bits por símbolo, pero utiliza hasta 15. Por cada bit que se adicione al código, la relación señal a ruido deberá incrementarse 3 db para mantener la misma tasa de error. Las implementaciones prácticas QAM actuales logran hasta 8 bits/símbolo, esto significa que una salida de 680 kbaud podrá transmitirse a 5.44 Mbps, pero requiere 33 db en el receptor. Nota: El rendimiento espectral es r b / r s (1+α), con r b : Tasa de bit, r s : Tasa de símbolo, α: Factor de Roll-off. Es común hablar de densidad de señalización como bits/hz ó bits/baud cuando α =0, ó como el número de puntos en una constelación asociado a un número particular de bits por símbolo. Las constelaciones usualmente tienen un número de puntos igual a 2 elevado a la unidad de los bits/símbolo. Por ejemplo, 8 bits/símbolo da como rendimiento espectral R e = 5.44 Mbps/ 680 kbaud = 8 LPF X Tx Bit/Símbolo Codificador π/2 + + Σ Salida Modulador LPF X El problema y complejidad de cualquier sistema de portadora única para ADSL, se ubica en cómo adaptar las variaciones que existen entre una línea telefónica y otra cualquiera. Es decir, un receptor QAM necesita a su entrada el mismo espectro y la misma fase que tenía la señal al salir del transmisor. En general las líneas telefónicas cambian ambas características, para lo cual el receptor QAM deberá incluir ecualizadores adaptativos a las características de la línea, que compensarán las distorsiones agregadas durante la transmisión de una señal cualquiera. Este Tecnologías de Banda Ancha - 13

14 proceso no es perfecto, además del amplio rango de posibles distorsiones, de distintos tipos de líneas, torna más complejo el ecualizador para que se adapte a todas ellas. Por lo tanto, para ADSL el ecualizador adaptativo domina la complejidad de la implementación QAM. AT&T desarrolló una variación sobre el código de línea QAM, llamado Carrierless AM-PM (CAP), de manera que la señal binaria, ingresa a un codificador bit/símbolo fomando grupos de bits durante cada período de símbolo. Como muestra la figura anterior, una vez obtenidos los dos símbolos estos ingresan a un par de filtros transversales digitales con iguales amplitudes pero sus respuestas de fase difieren en π/2 (Par de Hilbert). Esto produce el mismo espectro que una señal QAM y puede ser detectada con las mismas estrategias de ecualización y performance que QAM. Además un receptor QAM puede ser modificado para recibir una señal que se ha transmitido como CAP. La diferencia fundamental de CAP con QAM es tal que la modulación ortogonal de la señal de entrada está hecha en forma digital, utilizando dos filtros transversales digitales pasabanda con igual amplitud y diferencia de fase en π/2. Las señales son luego combinadas y pasan por un DAC (Digital-Analog Converter), que convierte la señal digital a analógica para ser transmitida por la línea telefónica. Los primeros sistemas CAP para ADSL fueron desarrollados por BELLCORE con tasas de canal de downstream de 1.5 Mbps y upstream de 64 Kbps. Los últimos sistemas CAP propuestos son de tasa adaptativa, es decir desde 640 Kbps a 8192 Kbps en dirección downstream y desde 272 Kbps a 1088 Kbps en dirección upstream. Para mantener una proporción razonable entre los canales, las implementaciones de sistemas CAP utilizan 5 velocidades de datos en el canal downstream con 5 portadoras diferentes y constelaciones de 8 símbolos (3 bits/símbolo) a 256 símbolos (8bits/símbolo). El módem en la inicialización determina qué combinación provee la mejor tasa para una línea en particular y da de alta el sistema Modulación Multiportadora Como su nombre lo indica, este tipo de modulación divide el canal de datos en 256 canales ó portadoras de ancho de banda muy angosto y selecciona los mejores para transmitir los datos sobre cada uno. Cada una de estas portadoras transmite una pequeña fracción de la información total, ó sea cada uno de estos subcanales son modulados independientemente (se requiere la ortogonalidad entre todos ellos). Esta técnica tiene una larga historia y soporte teórico como código óptimo pero tiene el problema del costo de los repetidores y el problema de la estabilidad térmica de los circuitos analógicos. A comienzos de la década de los 80, se mostró que se podían obtener múltiples canales con técnicas digitales utilizando FFT (Fast Fourier Transform) dando un empuje a DMT para ADSL.Las técnicas de multiportadora requieren considerable procesamiento digital. Avances en la tecnología de procesamiento de señales donde FFT puede utilizarse fácilmente y a bajo costo, hacen realizable la fabricación en masa. DMT utiliza FDM (Frequency Division Multiplexing), divide el ancho de banda en 256 canales de 4 KHz y donde cada canal se codifica de 0-15 bits/símbolo utilizando codificación TCM (Trellis Coded Modulation). Las portadoras están espaciadas con intervalos de khz, los subcanales downstream son 249 en el rango de frecuencias de 26 khz a 1.1 MHz, mientras que los subcanales Tecnologías de Banda Ancha - 14

15 upstream son 25 canales que se ubican en el rango de 26 khz a khz. Se utiliza cancelació n de eco para habilitar la operación full duplex sobre el rango de frecuencias superpuestas. A bajas frecuencias, donde generalmente la atenuación es baja y la relación señal a ruido (SNR) es alta, las subportadoras transmiten hasta 10 bps/hz ó más. La relación SNR en la línea es analizada durante la inicialización, y las velocidades de los canales y potencias son seteadas de acuerdo a las fuentes de ruido presentes. La desventaja del cancelador de eco está en la dificultad de asegurar niveles aceptables de NEXT (Near End Crosstalk) en la Oficina Central del prestador. La alternativa es usar modems FDM ADSL donde se separan los subcanales upstream entre khz y se ubican los downstream desde 138 khz hasta MHz. La desventaja de esto es la limitación del ancho de banda entre los subcanales. Muchos de los modems ADSL que utilizan modulación DMT pueden ser configurados para operar como modems FDM. Amp. Máx: 15 bits /símbolo 15 x 4,3125 = 64Kbps/símbolo POTS 0.3Khz 4Khz 12/16Khz 26Khz 1.104Mhz Frec 256 portadoras (4,3125KHz x 256 = 1,104 MHz) Teóricamente DMT podría transmitir Mbps sobre una línea de longitud cero. La implementación real sobre líneas reales utiliza ecualizadores adaptativos para compensar las variaciones en la atenuación de la línea. DMT distribuye los datos sobre todos los canales de acuerdo a la relación señal a ruido en cada uno. La figura muestra el proceso de adaptación. Bits/Símb Relación S/N Bits/Símb. Frecuencia Frecuencia Frecuencia Durante la inicialización un módem DMT mide la SNR de cada canal. La señal POTS se remueve con un splitter, que separa las señales por debajo y por encima de los 25 KHz. El promedio requerido de relació n señal a ruido SNR, para una tasa de error de bit BER de 10-7 es de 21.4 db para 16 QAM. Tecnologías de Banda Ancha - 15

16 Un FDM (Frequency División Multiplexer) separa el ancho de banda necesario para el canal upstream. En el extremo superior de la banda, en la zona de altas frecuencias la atenuación puede ser severa y los flancos posteriores de los pulsos pueden crear zonas nulas en la curva de atenuación. Para una tasa de datos dada, DMT separa los datos en grupos grandes (1500 bits para 6 Mbps) y los distribuye sobre todos los canales que estén disponibles de tal manera que el margen en cada canal es el mismo. Como se ve en la figura anterior los primeros canales no llevan datos, van aumentando la cantidad de bits/símbolo hasta 15 bits/símbolo como máximo para luego caer en unos pocos bits/símbolo como lo indica la curva de relación Señal a Ruido. DMT optimiza el uso de la línea haciendo óptimo el uso de cada subcanal. Los canales son muy angostos por lo cual se hace necesario una ecualización extra. SPLITTER ADSL Filtro Pasa Altos ATU-R POTS + ADSL POTS Filtro Pasa Bajos En el modo de tasa fija, DMT carga datos en cada canal de tal manera que la suma de todos ellos iguale a la tasa de entrada a menos que el margen de SNR por canal caiga por debajo de un umbral preseteado, en cuyo caso el modem no iniciará la comunicación. Esto significa que la mayoría de las líneas deberán tener márgenes superiores al umbral. En el modo adaptativo, el modem levanta la velocidad de datos basados en la cantidad de bits que puede ubicar en cada canal a un margen preseteado. La adaptación de la tasa de comunicación es simple para DMT. El protocolo de inicialización debe determinar el margen en cada canal. Sólo toma una pequeña trama para ajustar la tasa computada a la tasa real. Por lo tanto DMT puede adaptar la tasa en incrementos de 32 Kbps ó puede transmitir en una tasa arbitrariamente baja como 32 Kbps si fuese necesario. Existe un estándar, T1E1.4 (ANSI) que en 1993 elige DMT sobre CAP por diversas razones, algunas fundamentales, otras circunstanciales. DMT optimiza la performance sobre un amplio rango de líneas y velocidades. Entonces DMT opera mejor sobre más cantidad de líneas a una tasa dada que CAP, funciona a mayores tasas sobre una línea dada y provee mayor inmunidad al ruido impulsivo que CAP. Tecnologías de Banda Ancha - 16

17 ADSL, como todos los otros xdsl, es básicamente una tecnología punto a punto conmutada y trabaja a nivel físico y puede soportar cualquier protocolo de alto nivel. Por ejemplo, un apilado de protocolos consiste en IP sobre Punto a Punto (PPP), sobre HDLC sobre ADSL. Aunque el modelo muestra que la capa de red IP sobre ADSL, otros protocolos de red (IPX, DECnet y Apple Talk) pueden ser soportados sobre ADSL ú otros DSL. Una idea de aplicación es el video codificado con MPEG-1, donde el canal downstream debe tener suficiente ancho de banda para transmitir. Este canal será seleccionado (a demanda) por el usuario usando el canal upstream. Este servicio se conoce como VOD (Video On Demand). Como se ve en la figura, cada usuario tiene un teléfono y un decodificador (top set box) que puede controlarse mediante supervisión remota, conectado a la unidad DSL de usuario (ATU-R, ADSL Transmission Unit Remote Site). En el otro extremo del lazo local de abonado existe una unidad DSL (ATU-C, ADSL Transmisión Unit Central Office) conectada directamente al nodo de la compañía operadora o si el lazo local tiene longitud superior a los 4000 m. mediante fibra óptica. IBM Compatible F.O. desde el nodo de red UNIDAD DE RED DSL ATU-C Downstream Upstream 4KHz Analógico UNIDAD DE USUARIO DSL ATU-R Top Set Box Monitor TV Esta conexión usa el par de cobre trenzado actual (lazo de abonado) Telephone 2.3. FEC (Forward Error Correction) Además de la elección de una técnica de codificación robusta, los códigos de corrección de errores proveen una herramienta poderosa para proteger las señales transmitidas de ruido e interferencia. Adicionando un bajo porcentaje de código extra (redundante) en forma cuidadosa, es posible incrementar satisfactoriamente la eficiencia de un canal de comunicación. Diferentes técnicas proveen diferentes beneficios, mejoras en la performance para la misma potencia de señal ( ó mantenimiento de la performance con reducción de la potencia de señal), mejoras en la habilidad de mantener el ruido por debajo de ciertos límites ó asegurando una buena calidad de servicio. Todo lo expuesto anteriormente es fácilmente implementable en pastillas de silicio de costo reducido. Virtualmente cualquier sistema de comunicación en el mundo actual, utiliza corrección de errores y codificación, y es casi inconcebible que alguno de estos sistemas ignore los beneficios de su inclusión. Además los códigos convolucionales (Código Trellis, el más reciente, utilizado en T1.413), son usados universalmente en la capa física del modelo OSI. Todos los modems ADSL, sin importar el código que utilicen para el tratamiento de las señales entrantes, implementan Reed Solomon Forward Error Correction (FEC), intercalando ráfagas de corrección de errores de hasta 500 µs de longitud. Esto se hace a expensas del incremento de la latencia, que no es aceptable en muchas aplicaciones. Para poder soportar sesiones TCP/IP y video Tecnologías de Banda Ancha - 17

18 simultáneas, los módems ADSL tienen buffers rápidos y lentos, es decir, dos tramas paralelas para transportar datos en modos intercalado y no intercalado. Cada símbolo transmitido con codificación CAP, ocupa todo el ancho de banda del canal, entonces, alto nivel de ruido impulsivo (ruido en el dominio del tiempo) y/ó alto nivel de ruido en el dominio de frecuencial (ruido presente por largo tiempo sobre un rango particular de frecuencias) causarán errores en la detección. Con codificación DMT, el ruido en el dominio frecuencial es acotable, la tasa de datos por canal ruidoso es menor (que corresponde a una subportadora), afectará uno ó más subportadoras directamente; en el dominio del tiempo el ruido será promediado sobre la duración de un tono, reduciendo su efecto. DMT podrá adaptarse mejor ajustando la densidad de la constelación, impidiendo el gasto inútil de energía en dicha banda. Ver Communication Systems, Haykin pág RADSL Los problemas que han impactado en el desarrollo de xdsl, son las velocidades dependientes de la longitud del lazo de abonado, del diámetro del cable de cobre, las condiciones eléctricas de la línea y las condiciones ambientales. Todos estos parámetros varían de lazo en lazo, aunque están administrados por la misma central (CO). Para darle una solución a estos inconvenientes y facilitar la provisión de este servicio, se utiliza la técnica de adaptación de velocidad desarrollando una serie de tests automáticos de inicialización sobre los pares telefónicos antes de comenzar la transmisión de datos, para determinar la máxima tasa de transmisión que los pares pueden soportar, similar a los tests que realizan los modems analógicos. Esto le provee una performance óptima a cada uno de los enlaces. La capacidad de adaptación de velocidad de acuerdo al estado del lazo, proviene de la tecnología ADSL y se denomina RADSL. 4. HDSL Fue la primer tecnología xdsl desarrollada para transmisión de alta velocidad, full duplex, T1 y E1 sobre pares de cobre y la que ha estado disponible comercialmente desde varios años atrás. Utiliza un ancho de banda de transmisión que va desde 80 KHz a 240 KHz, sobre una distancia desde el abonado a la CO de 3500 m. en pares de cobre de 0.5 mm. de diámetro sin necesidad de utilizar repetidores, acondicionadores de lazo de abonado ó selección de pares. Desarrolla velocidades simétricas de Mbps y Mbps sobre dos pares de cobre (dos líneas de abonado) ó tres pares. HDSL se utiliza típicamente en dos configuraciones: una en la cual el modem llega directamente al local del cliente, y otra llega a una terminación del plantel exterior de la cual salen las conexiones por pares trenzados al cliente. Como las características de los cables del plantel exterior del proveedor de servicios telefónicos varían ampliamente, el sistema HDSL deberá estar preparado como para compensar no sólo las diferencias en la atenuación, impedancia, etc., sino también los retardos diferenciales de transmisión entre los pares utilizados por el mismo equipo. Las señales son transmitidas en modo full duplex ó sea bidireccional en el mismo par de cables. Para estar de acuerdo con esto, los modems deben cumplir la función del transformador híbrido para separar las direcciones de transmisión y recepción. Para ayudar a diferenciar entre la Tecnologías de Banda Ancha - 18

19 transmisión del modem remoto y reflexiones de la propia transmisión de las irregularidades en el par trenzado debidas a las variaciones en las dimensiones del cable, se deben utilizar técnicas de cancelación de eco. Para aumentar la distancia que entre los equipos terminales, los fabricantes ofrecen regeneradores de línea compatibles con este sistema, que en general duplican la distancia máxima de alcance. A mediados de 1980 el Comité T1 de Estados Unidos, crea el estándar de interfaz U, usando cuatro niveles como código de línea, conocido como 2B1Q. Es una modulación PAM (Modulación por Amplitud de Pulsos) de cuatro niveles, sin redundancia, donde cada par de bits de información es convertida a un símbolo cuaternario, llamado quat (los bits tienen sólo dos niveles de señal, los quats asumen cuatro). A continuación se muestra la regla de codificación 2B1Q Dígitos binarios Símbolos cuaternarios Los niveles de tensión de la señal cuaternaria están simétricamente ubicados alrededor de 0 Volt, el nivel de tensión de pico especificada por los estándares HDSL es 2.64 V. En la figura siguiente podemos ver una secuencia de datos aleatoria codificada. +3 (+2.64 V) +1 (+0.88 V) 0 (0 V) -1 (-0.88 V) -3 (-2.64 V) Quats Bits Debido a la codificación adoptada, la tasa de símbolos en un enlace HDSL corresponde a la mitad de la tasa binaria. Tomando un vínculo contratado en 2 Mbps (2048 kbps) y considerando además el encabezado para propósitos de almacenamiento de datos, la tasa de símbolos requerida para operar en dos pares es 584 kbaudios (equivalente a 1168 kbps) por par de cobre. Debido a la reducción producida por la codificación, el máximo rango de velocidad que puede alcanzar un enlace HDSL se incrementa. Junto con el avance de las técnicas de procesamiento Tecnologías de Banda Ancha - 19

20 digital de señales implementadas en los sistemas HDSL, resulta en un sistema de transmisión de datos que puede operar en forma segura sobre pares trenzados comunes, no acondicionados, de bajo costo, superando muchas veces los rangos que pueden ser alcanzados por la transmisión directa de la señal E1. Aplicaciones típicas incluyen conexiones de redes PBX (Private Branch Exchange), radiobases de telefonía celular, lazos con portadora digital, sistemas de enlaces de datos PaP (Punto a Punto), servidores de Internet y redes de datos privadas. La tecnología HDSL es la más madura de las DSL, con tasas que llegan hasta los megabits, se han encontrado nuevas aplicaciones especialmente para accesos de Internet, accesos de LAN remotas, aunque la tecnología ADSL es más apropiada en algunos de estos casos Estructura de trama HDSL La línea HDSL está estructurada en forma de trama. Cada trama tiene una duración nominal de 6 mseg., esto se traduce en 3504 quats (6mseg. x 584 kbauds), ó 7008 bits para un sistema comunicándose a través de dos pares. La trama HDSL transmite dos tipos de información: Trama central Trama HDSL de datos de encabezamiento Trama Central Consistente en 144 bytes (1152 bits). La información transmitida en esta trama es organizada en time slots ó divisiones de tiempo, donde cada una de estas divisiones soporta una tasa de datos de 64 kbps. El número total de time slots es 36, por lo tanto la tasa de datos en esta trama es 36 x 64 kbps = 2304 kbps. La estructura de esta trama depende del tipo de datos que se estén transmitiendo, pero en general consiste en datos de usuario, bits de relleno y datos de almacenamiento del equipo. La trama se divide en dos para ser transmitida a través de dos pares HDSL, por lo tanto cada par lleva 18 time slots de la trama central (equivalente a 1152 kbps). Cuando la aplicación del usuario genera una trama G.704, los 32 time slots de la trama de usuario, se distribuyen en los dos pares HDSL como sigue: HDSL par HDSL par Como podemos apreciar los tiem slots 0 y 16 están duplicados en ambos pares, una falla en uno de los pares, sólo afectará la mitad de la trama. En modo de operación normal, y de acuerdo con el estándar en caso de que un par falle, el sistema desconecta el tráfico de usuario e inserta una señal de falla sobre el panel del equipo (AIS: Alarm Indication Signal). Algunos sistemas, tienen modo de operación parcial. Si este modo es seleccionado y uno de los pares falla, el otro par continúa con el tráfico que estaba transmitiendo en los time slots que tenía asignados mientras el equipo se encontraba operando normalmente. La siguiente figura muestra el mapeo que arma la trama central para una trama típica E1. Tecnologías de Banda Ancha - 20

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