4 ACCESO RESIDENCIAL DE BANDA ANCHA

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1 4 ACCESO RESIDENCIAL DE BANDA ANCHA Autr: Rgeli Mntañana 4 ACCESO RESIDENCIAL DE BANDA ANCHA BASES TEÓRICAS DE LA TRANSMISIÓN DE DATOS Módems y códecs Terema de Nyquist Ley de Shannn-Hartley MEDIOS DE TRANSMISIÓN Cables metálics Prblemas de ls cables metálics XDSL ADSL ADSL G.Lite RADSL ADSL en España VDSL HDSL Redes de televisión pr cable Evlución de caxial hacia HFC (Hybrid Fiber Cax) Estándares CATV Transmisión de dats en redes CATV Cmunicación en redes CATV Prtcl MAC de redes CATV DOCSIS SATÉLITES DE COMUNICACIONES Satélites geestacinaris Satélites de órbita baja EJERCICIOS SOLUCIONES

2 Acces Residencial de Banda Ancha 4.1 BASES TEÓRICAS DE LA TRANSMISIÓN DE DATOS Módems y códecs Cuand se envían dats pr un canal de transmisión analógic (pr ejempl una línea telefónica de RTB) es precis mdular la señal en rigen y demdularla en el destin; el aparat que realiza esta función se llama módem. Inversamente, cuand enviams una señal analógica pr un canal de transmisión digital tenems que cdificarla en rigen y decdificarla en destin, para l cual se utiliza un aparat denminad códec; pr ejempl un teléfn RDSI es un códec, ya que cnvierte una señal analógica (la vz humana) en digital, y viceversa; un sistema de videcnferencia digital (que es el cas de la mayría de ls sistemas de videcnferencia actuales) es un códec puest que cnvierte una señal analógica (la imagen en mvimient captada pr la cámara) en una señal digital (la secuencia de bits transmitida pr RDSI u tr medi); también hay un códec presente en cualquier sistema de grabación digital de snid (CD, Minidisc, dcc, DAT). Es frecuente referirse a ls códecs cm cnversres analógic-digital cnversres A/D, aunque en telecmunicacines suele preferirse la denminación códec. Para digitalizar la señal el códec debe muestrear periódicamente la nda y cnvertir su amplitud en una magnitud numérica. Pr ejempl ls sistemas de grabación digital del snid en CD muestrean la señal de audi veces pr segund (44,1 KHz) y generan para cada muestra un númer enter de 16 bits que representa la amplitud de la nda. El númer de bits elegid limita el númer de valres de amplitud psibles, pr l que se ha de utilizar el más próxim (pr ejempl cn 16 bits hay 2 16 =65536 psibles valres de amplitud); est intrduce una distrsión en la nda digitalizada que se cnce cm errr de cuantización Terema de Nyquist Cualquier canal de transmisión tiene un anch de banda limitad. A cntinuación dams alguns ejempls: Canal de transmisión Anch de banda (KHz) Línea telefónica 3,1 Emisión de radi de nda media (AM) 4,5 Emisión de radi de FM 75 Emisión de televisión PAL Red lcal Ethernet 10 Mb/s Emisión de televisión de alta definición Tabla Anch de banda de alguns medis de transmisión habituales. Ls bits se transmiten pr un canal realizand mdificacines en la nda prtadra; pr ejempl en una línea telefónica pdríams utilizar una frecuencia de 1 KHz para representar el 0 y una de 2 KHz para el 1, est se cnce cm mdulación de frecuencia; si sincrnizams ds equips para que puedan cambiar la frecuencia de la prtadra cada 3,333 milisegunds pdrems transmitir dats a 300 bits pr segund, (si ds bits cnsecutivs sn iguales en realidad n hay tal cambi); decims entnces que transmitims 300 símbls pr segund, simplemente 300 baudis (per n 300 baudis pr segund, al decir baudis ya se sbreentiende que es pr segund). Si en vez de ds frecuencias utilizams cuatr, pr ejempl 0,5, 1, 1,5 y 2 KHz, pdrems transmitir ds bits pr símbl, al dispner de cuatr estads niveles psibles; así manteniend el caudal de 300 símbls pr segund transmitims 600 bits pr segund; análgamente si utilizams ch estads pdrems transmitir 900 bits pr segund (tres bits pr símbl), y así sucesivamente; ganams en velcidad, per a cambi tenems que ser mas preciss en la frecuencia ya que aumenta el númer de valres psibles. Además de la frecuencia es psible mdular la amplitud y la fase de la nda prtadra; en la práctica ls módems mderns mdulan una cmpleja 4-2

3 Ampliación de Redes cmbinación de amplitud y fase para extraer el máxim prvech psible de las líneas telefónicas, es decir el máxim númer de símbls pr segund y el máxim númer de bits pr símbl. A pesar de la mejra en eficiencia cnseguida cn la sfisticación técnica ls canales de transmisión tienen un límite. Ya en 1924 Nyquist bservó la existencia de un límite fundamental en las transmisines digitales sbre canales analógics, que se cnce cm terema de Nyquist, y que establece que el númer máxim de baudis que puede transmitirse pr un canal n puede ser superir al dble de su anch de banda. Así en el cas de la transmisión de dats pr una línea telefónica, cn un anch de banda de 3,1 KHz, el máxim númer de baudis que puede transmitirse es de Para cmprender intuitivamente el Terema de Nyquist imaginems que cdifica una infrmación representand un bit pr símbl; para ell se elige un valr de amplitud de +1,0 V para representar el 1 y 1,0 V para el 0. La secuencia de bits a transmitir, que en principi es aleatria, puede fluctuar entre ds situacines extremas: transmitir siempre el mism valr ( ó ) transmitir una secuencia alterna ( ); la primera psibilidad genera una crriente cntinua de frecuencia 0 hertzis, mientras que la segunda prduce una nda cuadrada de frecuencia igual a la mitad del númer de bits transmitids (ya que una nda cmpleta estaría frmada pr ds bits, una cresta y un valle); la gama de frecuencias va pues de cer a la mitad del númer de bits, cn l que la anchura de banda es igual a la mitad del númer de bits transmitids. Pdríams repetir el mism raznamient para el cas en que se transmita más de un bit pr símbl, es decir que haya más de ds psibles vltajes y veríams cm el anch de banda crrespndería a la mitad del númer de símbls pr segund. El terema de Nyquist n establece el númer de bits pr símbl, que depende del númer de estads que se utilicen. Pdems expresar el terema de Nyquist en frma de ecuación relacinándl cn el caudal máxim de infrmación transmitida: si H es el anch de banda y V el númer de niveles estads psibles, entnces el caudal máxim en bits pr segund C viene dad pr: C = 2 H lg 2 V Pr ejempl, un canal telefónic (H=3,1 KHz) cn tres bits pr baudi (ch estads, V=8) tiene un caudal máxim de 18,6 Kb/s. Pdems calcular también la eficiencia de un canal de cmunicación, E, que es la relación entre el caudal máxim y el anch de banda: E = C/H Así en nuestr ejempl anterir la eficiencia era de 6 bits/hz. Cmbinand las ds fórmulas anterires pdems expresar de tra frma el Terema de Nyquist: E = 2 lg 2 V Dich de tr md, la eficiencia máxima de un canal está fijada pr el númer de estads diferentes de la señal, sea pr la frma cm se cdifica ésta. Debid a la relación directa que el terema de Nyquist establece entre anch de banda y capacidad de un canal es frecuente en telemática cnsiderar ambas expresines cm sinónims; así decims pr ejempl que la transmisión de víde digital requiere un elevad anch de banda queriend decir que requiere una elevada capacidad de transmisión digital de infrmación. El terema de Nyquist es bidireccinal, es decir, también se aplica cuand se trata de una cnversión analógic digital. En este sentid establece que el muestre de la señal analógica debe hacerse al mens cn una frecuencia dble que la máxima frecuencia que se quiera captar. Pr ejempl, para que el códec de un teléfn RDSI pueda capturar la señal de audi sin mermar la calidad respect a una línea analógica la frecuencia de muestre deberá ser cm mínim de 6,2 KHz. En la práctica ls teléfns digitales muestrean a 8 KHz para dispner de un ciert margen de seguridad. Otr ejempl l cnstituyen ls sistemas de grabación digital de alta fidelidad, que muestrean a 44,1 KHz, cn l que sn capaces de 4-3

4 Acces Residencial de Banda Ancha captar snids de hasta 22 KHz l cual excede la capacidad del íd human (en la práctica suelen filtrarse tdas las frecuencias superires a 20 KHz). Cuand el terema de Nyquist se aplica en este sentid se le suele denminar terema de muestre de Nyquist Ley de Shannn-Hartley El Terema de Nyquist fija un máxim en el númer de símbls pr segund, per dad que n dice nada respect al númer de bits pr símbl la capacidad del canal en bits pr segund pdría ser arbitrariamente grande utilizand una mdulación capaz de transmitir un númer l bastante grande de bits pr símbl. Sin embarg, a medida que aumenta el númer de bits pr símbl se incrementa el númer de estads diferentes que el receptr ha de pder discernir, y se reduce la distancia entre ésts. En canales muy ruidss puede llegar a ser difícil distinguir ds estads muy próxims. Cm cabría esperar, el númer máxim de estads que el receptr pueda distinguir depende de la calidad del canal de transmisión, es decir de su relación señal/ruid. Ya en 1948 Shannn deduj una expresión que cuantificaba la capacidad máxima de un canal analógic en función de su anch de banda y su relación señal/ruid. El valr de la relación señal/ruid se suele indicar en decibelis (db), que equivalen a 10 lg 10 S/N (así 10 db equivalen a una relación S/R de 10, 20 db a una relación de 100 y 30 db a una de 1000). Dad que la percepción de la intensidad del snid pr el íd human sigue una escala lgarítmica la medida en decibelis da una idea más exacta de la impresión que prducirá un nivel de ruid determinad (este parámetr es un de ls que se utilizan para medir la calidad de ls cmpnentes de un equip de reprducción musical de alta fidelidad). En 1948 Shannn y Hartley generalizarn el terema de Nyquist al cas de un canal de cmunicación cn ruid aleatri, derivand l que se cnce cm la ley de Shannn-Hartley, que está expresada en la siguiente ecuación: C = H lg 2 (1 + S/N) De nuev aquí H representa el anch de banda y C el caudal de transmisión de la infrmación. Pr ejempl, cn un anch de banda de 3,1 KHz y una relación señal-ruid de 36 db btenems un caudal máxim de 37,1 Kb/s; 36 db equivale a una relación señal /ruid de 3981 y es el valr máxim que puede btenerse en una cmunicación telefónica, ya que esta es la cantidad de ruid que intrduce el prces de digitalización de un canal telefónic que se utiliza actualmente en la mayría de las redes del mund. Si la relación señal-ruid desciende a 20 db (csa bastante nrmal) la velcidad máxima baja a 20,6 Kb/s. Si l expresams en términs de eficiencia btendrems: E = lg 2 (1 + S/N) Vista de este md la Ley de Shannn-Hartley establece una eficiencia máxima en función de la relación señal-ruid, independientemente del anch de banda asignad al canal. Así pr ejempl, para una relación señal-ruid de 40 db la eficiencia máxima teórica es de 13,3 bps/hz. Cnviene destacar que tant el terema de Nyqusit cm la Ley de Shannn-Hartley han sid derivads en base a planteamients puramente teórics y n sn frut de experiments; además de es han sid verificads reiteradamente en la vida real. Pr tant su validez puede cnsiderarse universal y ls cntraejempls deberían tratarse cn el mism escepticism que las máquinas de mvimient perpetu. Haciend un ciert paralelism cn la Termdinámica se pdría decir que el Terema de Nyquist equivale al primer principi de la Termdinámica (que pstula la ley de cnservación de la energía) y la Ley de Shannn-Hartley equivale al segund principi, que establece que n es psible cnvertir ttalmente en trabaj la energía térmica, dich de tr md, que un mtr nunca puede funcinar al 100% de eficiencia. 4.2 MEDIOS DE TRANSMISIÓN El medi de transmisión es prbablemente la parte más perdurable del diseñ de una red. Est unid a la existencia de múltiples pcines hace especialmente imprtante la acertada elección del medi de transmisión en el diseñ de una red. Afrtunadamente existen estándares de cablead que reducen a un 4-4

5 Ampliación de Redes pequeñ númer las psibilidades que merece la pena cnsiderar. Cm en cualquier diseñ equilibrad de ingeniería para tmar una decisión acertada es necesari hacer una estimación bjetiva de las necesidades actuales y futuras, y una valración adecuada de las tecnlgías dispnibles tmand en cuenta su relación cst/prestacines. Ahra prfundizarems en ls diverss medis de transmisión utilizads actualmente. El alumn debe tener en cuenta que éste es un camp muy dinámic en el que cntinuamente surgen nuevs prducts y sistemas. Afrtunadamente existen multitud de revistas que tratan cn más mens detalle las nvedades que se prducen en cuant a medis de transmisión; ls fabricantes de equips suelen estar también bien infrmads de ests temas, y su literatura es una buena fuente de infrmación. También puede encntrarse mucha infrmación sbre este tema en Internet Cables metálics El cable metálic es el medi de transmisión más utilizad cuand se trata de cubrir distancias n muy grandes y/ se necesitan capacidades n demasiad elevadas. La infrmación se transmite a través del cable en frma de ndas electrmagnéticas, sea crrientes eléctricas alternas de alta frecuencia. A ls efects que ahra ns cupan la situación es prácticamente la misma tant si ls bits se transmiten de frma digital analógica (es decir mdulads en una señal prtadra). El metal utilizad casi siempre es el cbre ya que cmbina una buena cnductividad cn un cste raznable Prblemas de ls cables metálics Cm ya hems vist pr el Terema de Nyquist cuand se quiere transmitir un caudal elevad de infrmación es necesari en general utilizar un gran anch de banda, l cual cnlleva el us de frecuencias elevadas. Ls principales prblemas que se presentan al transmitir señales de elevada frecuencia en un cable de cbre sn la atenuación, el desfase y la interferencia electrmagnética. A cntinuación cmentarems cada un de ells en detalle. Atenuación Cualquier señal al prpagarse pr un medi de transmisión pierde ptencia, es decir se atenúa cn la distancia. En el cas del cable de cbre dicha atenuación se debe fundamentalmente a ds factres: Resistencia del cable: est prvca la pérdida en frma de calr de parte de la energía de la señal riginal. Aunque afrtunadamente la cantidad de energía perdida pr este mtiv n plantea prblemas de calentamient en las instalacines, supne una parte imprtante de la atenuación intrducida. Dad que la resistencia disminuye cn el aument de sección del cable la atenuación debida a esta causa es menr cuant mayr es el grsr de éste. Las frecuencias elevadas se transmiten utilizand únicamente la superficie del cable, cuant mayr es la frecuencia mas superficial es la prpagación (este fenómen se denmina a veces efect piel ); pr tant las frecuencias elevadas aprvechan per la sección del cable y se atenúan mas rápid. Emisión electrmagnética al ambiente: el cable pr el que se prpaga la nda electrmagnética actúa cm una antena emisra, pr l que parte de la energía se pierde en frma de emisión electrmagnética al ambiente. Además de la atenuación que intrduce est impne un límite máxim en la ptencia del emisr, puest que es precis respetar las limitacines impuestas pr las nrmativas en cuant a emisión electrmagnética al ambiente. La emisión electrmagnética es también mayr cuant mayr es la frecuencia de la señal. Ls cables apantallads, en especial ls caxiales, prducen una menr emisión electrmagnética pr l que en general tiene una menr atenuación que ls n apantallads. Además la atenuación será tant menr cuant mayr sea el grad de apantallamient. Cm hems vist, tant pr l que se refiere a la resistencia cm a la emisión electrmagnética al ambiente la atenuación aumenta cn la frecuencia. Cm regla aprximada pdems decir que la atenuación para un cable dad es prprcinal a la raíz cuadrada de la frecuencia de la señal transmitida. Desfase 4-5

6 Acces Residencial de Banda Ancha Cuand se prpaga la nda electrmagnética a través del medi la velcidad de prpagación n es exactamente la misma a tdas las frecuencias. El desfase es prprcinal a la distancia recrrida; pr tr lad el receptr será tant más sensible al desfase cuant mayr sea la velcidad cn que se transmite la infrmación. Pr tant el prblema del desfase es mayr cuand se utiliza un canal cn un gran anch de banda para transmitir infrmación a una gran velcidad y distancia. En muchs cass es psible transmitir a mayr distancia si se está dispuest a reducir velcidad, e inversamente transmitir a mayr velcidad si se utiliza una distancia menr; pr es en alguns cass la capacidad de un medi de transmisión se expresa en términs de Mb/s * Km. Interferencia Electrmagnética Además de emitir ndas electrmagnéticas al ambiente el cable de cbre es también susceptible de recibir interferencias electrmagnéticas del ambiente. Est puede alterar la señal crrespndiente a ls dats transmitids hasta un punt que la haga irrecncible. Este prblema es mens grave en el cas del cable apantallad y raramente curre cuand se trata de cable caxial. Para disminuir su efect existe una serie de nrmativas y recmendacines pr ejempl en cuant a las distancias mínimas que debe haber entre el cablead de dats y el cablead de suministr de energía eléctrica. Un tip de interferencia electrmagnética más difícil de evitar es el denminad crsstalk, que es la interferencia se prduce entre señales que discurren simultáneamente pr cables paralels. El crsstalk es un prblema sbre td en cables de pares, pr ejempl entre las señales de ida y vuelta en un enlace Ethernet, entre las señales de diferentes abnads en un maz de cables telefónics (bucles de abnad). El crsstalk es el fenómen cncid cm cruce de líneas que a veces se da en la red telefónica, prduciend que igams una segunda cnversación a l lejs mientras mantenems una cmunicación telefónica. Un ciert grad de crsstalk es nrmal e inevitable en cualquier instalación y suele estar previst en el diseñ de ls equips; sin embarg en alguns cass se prduce un crsstalk superir al máxim admisible, nrmalmente pr defects en el cablead. Ls equips de medida nrmalmente utilizads para verificar cableads permiten diagnsticar este tip de prblemas, llegand alguns inclus a indicar el punt punts del cable dnde se encuentra el defect. 4.3 XDSL En ls últims añs ls usuaris particulares residenciales demandan access a Internet de alta velcidad, csa que las empresas de redes de televisión pr cable están freciend desde hace bastante tiemp y que las cmpañías telefónicas n pueden frecer cn su red tradicinal. Aparte de la limitación en velcidad el us de la red telefónica plantea a las peradras tr prblema, el de la saturación de la red debid a que ls usuaris que navegan pr Internet tienden a mantener establecida la cnexión durante un tiemp much mayr que ls que hacen una llamada cnvencinal. La limitación en velcidad que impne la red telefónica (33,6, Kb/s según ls cass) se debe fundamentalmente a la tiranía de ls 3,1 KHz, es decir a la escasa anchura del canal telefónic. En principi el par de cbre del bucle de abnad sería capaz de anchs de banda much mayres. Se han idead varis sistemas que utilizan el bucle de abnad para cnectar a éste cn la central telefónica, per a partir de aquí emplean una red de dats paralela cn l cual evitan pr cmplet utilizar la red telefónica. Est tiene una dble ventaja: pr un lad se evita la limitación de capacidad debida a la escasa anchura del canal telefónic y pr tr se evita cupar la red telefónica cn cnexines de dats, reduciend así el prblema de saturación que antes cmentábams debid a la larga duración de este tip de cnexines. Ls sistemas que emplean esta arquitectura se cncen genéricamente cm DSL (Digital Subscriber Lp) y serán ls que describirems a cntinuación ADSL ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Lp) es la tecnlgía DSL más cncida. Nació cn la finalidad de cmpetir cn las redes de televisión pr cable, es decir frecer al usuari un servici de transmisión de dats de alta velcidad a un preci asequible. La principal ventaja de ADSL es que utiliza el mism cable 4-6

7 Ampliación de Redes de pares que el teléfn, l cual l sitúa en una psición altamente ventajsa frente a las redes de televisión pr cable; mientras que el númer de viviendas accesibles pr cable telefónic es de uns mil millnes se estima que sl 12 millnes de viviendas en td el mund tienen acces al servici de red de televisión pr cable bidireccinal, que es el que resulta aprpiad para transmisión de dats. Además ADSL es cmpatible cn el teléfn analógic, es decir el usuari puede utilizar simultáneamente su teléfn y la cnexión de dats de alta velcidad que suministra ADSL, aunque ambs servicis utilicen el mism par de cbre. La cmpatibilidad nrmalmente sl es psible cn telefnía analógica, n cn access RDSI. Cm su nmbre indica ADSL es un servici asimétric, es decir se btiene un caudal superir en un sentid que en el cntrari. En el denminad sentid descendente, del prveedr al usuari, se cnsiguen caudales de 2 a 8 Mb/s; en sentid ascendente (del usuari al prveedr) el caudal puede scilar entre 200 Kb/s y 1 Mb/s. La capacidad máxima de ADSL depende de la distancia y de la calidad del cable utilizad en el bucle de abnad (grsr y númer de empalmes fundamentalmente), cm puede verse en la tabla 6.2. El alcance máxim es de 5,5 Km, similar al cas de RDSI. Caudal Desc. (Mb/s) Grsr (mm) Alcance (Km) 2 0,5 5,5 2 0,4 4,6 6,1 0,5 3,7 6,1 0,4 2,7 Tabla Relación entre caudal, grsr y alcance en ADSL La asimetría de ADSL resulta muy adecuada en el cas de un usuari residencial cuya principal finalidad es navegar pr Internet, ya que en sentid descendente se transmite mucha más infrmación que en ascendente (páginas web e imágenes frente a alguns cmands y clicks del ratón); per la asimetría es perjudicial cuand se quiere hacer videcnferencia (que genera caudales simétrics) si el usuari quiere mntar un servidr que sea accesible desde la Internet, l cual genera más tráfic ascendente que descendente. Para transmitir ls dats ADSL utiliza frecuencias en el rang de 30 KHz a 1100 KHz, aprximadamente. Las frecuencias inferires a 30 KHz n se utilizan para evitar interferir cn el teléfn analógic, que utiliza frecuencias hasta 4 KHz. Para evitar ls prblemas prducids pr ecs y reducir el crsstalk se utiliza un rang de frecuencias diferente para el sentid ascendente y descendente. Crear un canal cn un anch de banda tan grande cm el de ADSL n es fácil, ya que el cmprtamient del cable de pares es pc lineal, pr ejempl la atenuación es much mayr a 1100 KHz que a 30 KHz. Además si se prduce una interferencia a una frecuencia determinada perjudica la calidad de td el canal. Para evitar ests prblemas se ha desarrllad una técnica cncida cm DMT (Discrete Multi Tne) que cnsiste en dividir la gama de frecuencias en 256 subcanales denminads bins, que ADSL maneja de frma independiente. Ls bins tienen tds una anchura de 4,3125 KHz y se numeran de 0 a 255. Ls bins 0 a 5 (0-26 KHz) se reservan para el teléfn analógic, del 6 al 32 ( KHz) se utilizan para el sentid ascendente y del 39 al 255 ( KHz) para el tráfic descendente. Ls bins 33 a 38 ( KHz) se pueden asignar tant al sentid ascendente cm al descendente. La asignación de un rang mayr en descendente cnlleva la asimetría característica de ADSL, sin embarg la asimetría n es sl cnsecuencia de la distribución de frecuencias; el crsstalk es mayr en el sentid ascendente que en el descende y es mayr cuant mayr es la frecuencia; pr este mtiv sería técnicamente más difícil desarrllar un ADSL simétric cn la asimetría inversa (es decir un caudal mayr en ascendente que en descendente). En ciert md pdems imaginar una cnexión entre ds módems ADSL cm frmada pr una gran batería de módems cnvencinales transmitiend en paralel sbre líneas físicas diferentes. La cantidad de tareas que han de desempeñar ls módems ADSL requieren prcesadres muy ptentes que hasta hace relativamente pc tiemp n era psible integrar en un sl chip, l cual ls hacía muy cstss. El hech de que ls bins sean estrechs asegura un cmprtamient lineal, en atenuación y desfase pr ejempl, dentr de cada bin y además permite ptimizar la transmisión utilizand en cada bin la técnica de mdulación que mejr se adapta a su relación señal/ruid, cuant mayr sea ésta mas eficiente será la 4-7

8 Acces Residencial de Banda Ancha mdulación que se utilice y se transmitirán más bits pr símbl; pr cada bin se transmiten símbls pr segund. Si se prduce una fuerte interferencia a una determinada frecuencia el bin crrespndiente puede llegar a anularse, per el prblema n repercute en ls demás bins. En ADSL sn relativamente nrmales las interferencias debidas a prblemas en el bucle de abnad, pr ejempl antiguas derivacines que n han sid suprimidas; también puede haber interferencias externas causadas pr ejempl pr una emisra de radi cercana, ya que la nda media utiliza el mism rang de frecuencias que ADSL y el cable que se utiliza n es apantallad. A las frecuencias que utiliza ADSL la atenuación, en ls cass de lngitudes máximas, puede llegar a ser de 90 db, es decir la ptencia recibida en el destin puede ser una milmillnésima parte de la ptencia emitida; además el emisr n puede utilizar una ptencia demasiad elevada ya que el bucle de abnad viaja la mayr parte del trayect en una manguera de cables que lleva multitud de cables pertenecientes a diferentes abnads y si la ptencia fuera excesiva el crsstalk entre pares diferentes sería inaceptable. Resulta increíble que ADSL funcine en un medi tan hstil. DMT es la técnica de mdulación más extendida en ADSL per n es la única. Otra técnica cncida cm CAP (Carrierless Amplitude Phase) realiza un repart similar del rang de frecuencias per sin dividir el canal ascendente y descendente en bins. Al manejar un canal muy anch de frma glbal el rendimient que se btiene es menr que cn DMT, y hay que aplicar técnicas de ecualización adaptativa muy cmplejas para intentar crregir ls prblemas debids a defects en el bucle de abnad. En cnjunt CAP es una técnica mas sencilla y fácil de implementar que DMT, per mens rbusta y eficiente. Además CAP n está estandarizada mientras que DMT es un estándar ITU-T. En algunas de las primeras implementacines de ADSL se utilizaba CAP, per la tendencia actual es hacia el us generalizad de DMT. Un de ls principales prblemas que presenta ADSL es la incertidumbre de accesibilidad del servici. De entrada el usuari que se encuentra a una distancia mayr de 5,5 Km de su central n puede acceder al servici (se calcula que un 10% de ls abnads se encuentra en esta situación) per aún en el cas de que se encuentre a una distancia menr n es psible garantizar a priri la viabilidad del servici sin antes hacer medidas y pruebas, ya que el estad del bucle de abnad, númer de empalmes y derivacines que tenga, etc., sn circunstancias que influyen de frma decisiva en su calidad para la transmisión de señales de alta frecuencia. Estas características suelen estar pc nada dcumentadas en las cmpañías telefónicas, pr l que la única frma de saber si un determinad bucle estará capacitad para ADSL es prbándl; en cas de que el resultad sea negativ se puede intentar reacndicinar el bucle cambiar a ese abnad a tr par para intentar suministrarle el servici. En cualquier cas se estima que sl el 5% de ls bucles de abnad requiere este tip de actuacines. Ls módems ADSL pueden ser interns (cnectads al bus PCI) externs. En este últim cas pueden cnectarse al rdenadr pr Ethernet 10BASE-T, pr ATM a 25 Mb/s al puert USB. También existen ruters ADSL/Ethernet y cnmutadres ADSL/ATM. Independientemente de cóm sea la cnexión entre el módem y el rdenadr el tráfic en la parte ADSL de la red siempre se realiza pr celdas ATM. En el cas de que el rdenadr dispnga de una tarjeta ADSL cnectada al bus PCI una interfaz ATM pdrá acceder a las funcinalidades prpias de ATM desde su rdenadr ADSL G.Lite Ls teléfns n están preparads para recibir las frecuencias de hasta 1 MHz cn que trabaja ADSL. Inversamente ls módems ADSL n sprtan muy bien las señales de baja frecuencia características del teléfn analógic. Para reducir la interferencia mutua entre el teléfn y el módem ADSL se instala un divisr de frecuencias splitter en ambs extrems del bucle de abnad, es decir en la central telefónica y en la vivienda. El divisr de frecuencias está frmad pr ds filtrs, un para las altas frecuencias y un para las bajas, a ls que se cnecta respectivamente el teléfn y el módem ADSL. En la central telefónica la instalación del splitter n plantea prblemas, per en la vivienda su instalación aumenta de frma cnsiderable ls csts de instalación de un acces ADSL. Pr esta razón se ha desarrllad una versión de ADSL denminada ADSL G.Lite 1 que funcina sin necesidad del splitter en el lad de la vivienda; el del lad de la central telefónica se mantiene ya que su instalación n requiere el 1 También llamada ADSL Universal ADSL Splitterless. 4-8

9 Ampliación de Redes desplazamient del técnic. Para reducir la interferencia prducida entre el teléfn y el módem ADSL cm cnsecuencia de la supresión del splitter se adptan las siguientes medidas: Se reduce la frecuencia máxima del canal descendente; pr ejempl cuand se utiliza mdulación DMT en ADSL G.Lite el númer ttal de bins se reduce a la mitad, cn l que la frecuencia máxima es de 552 KHz. Est reduce la interferencia prducida en el teléfn a csta de reducir la capacidad en el canal descendente. Se reduce en 6 db la ptencia emitida pr el módem ADSL situad en la vivienda, que es el que más puede afectar el funcinamient del teléfn. Est equivale a reducir la ptencia a la cuarta parte. A cambi la relación señal/ruid disminuye en 6 db, l cual cnlleva una reducción en la capacidad ( el alcance) del canal ascendente. Se integra en el módem ADSL un filtr de bajas frecuencias para evitar que el módem ADSL sufra las interferencias prducidas pr el teléfn; dich de tr md, desde el punt de vista del módem ADSL el cmprtamient es equivalente a cuand había un splitter. Se utilizan mdulacines mens eficientes, para cmpensar pr la mayr cantidad de ruid. Mientras que en ADSL nrmal (cn splitter) pueden llegar a transmitirse 16 bits pr símbl, en ADSL G.Lite el máxim que se utiliza es de 8 bits pr símbl. En cnjunt ADSL G.Lite cnsigue uns rendimients típics máxims de 1,5 Mb/s en sentid descendente y de 200 Kb/s en ascendente. Aunque inferir al de ADSL nrmal es suficiente para muchas aplicacines y a cambi simplifica y abarata cnsiderablemente el cst de instalación. Existen equips ADSL de central telefónica que pueden interperar indistintamente cn usuaris ADSL y ADSL G.Lite RADSL Otra variante de ADSL bastante extendida es la denminada RADSL (Rate adaptative ADSL). La idea de RADSL es la misma que el retraining que ya hems cmentad al hablar de ls módems V.34 de red cnmutada, es decir dar la psibilidad de que ls módems además de negciar la velcidad inicial de cnexión en función de la calidad de la línea la revisen regularmente y ajusten la velcidad en mas en mens de acuerd cn la calidad de ésta. Un equip RADSL puede interperar cn un n RADSL, si bien en este cas n se prduce retraining a n ser que el usuari inicialice su módem. Hy en día hay bastantes equips en el mercad que sn RADSL ADSL en España Desde el 15 de septiembre de 1999 Teleline, la filial de Telefónica para acces a Internet, frece el servici GigADSL de cnexión a Internet a través de ADSL. Se trata de un servici cn splitter que admite tres mdalidades, Básica, Class y Premium, cn caudales descendente/ascendente de 256/128, 512/256 y 2000/300 Kb/s, respectivamente. Las cutas mensuales sn de 8.017, y ptas. respectivamente. Para pder cntratar el servici es precis encntrarse en una zna cn cbertura, csa que puede averiguarse fácilmente en VDSL Al hablar de ADSL hems vist cm la capacidad aumentaba a medida que se reducía la distancia. El diseñ de ADSL prevé una capacidad máxima de uns 8 Mb/s para una distancia de uns 2-3 Km. Aunque técnicamente sería psible cnseguir una capacidad mayr a distancias menres ADSL n cntempla velcidades mayres y pr tant n btiene benefici en ests cass. Para distancias menres de 1,5 Km se está experimentand tr sistema denminad VDSL (Very high data rate Digital Subscriber Lp), que permite mayres caudales; de nuev la capacidad dependerá de la lngitud y calidad del bucle de abnad, ls valres típics en sentid descendente aparecen en la tabla

10 Acces Residencial de Banda Ancha Distancia (m) Caudal (Mb/s) ,84-55, ,92-27, ,96-13,8 Tabla Velcidades típicas en sentid descendente de VDSL según la distancia Para el sentid ascendente se barajan tres alternativas: Un servici fuertemente asimétric cn un caudal sensiblemente inferir, de 1,6-2,3 Mb/s Un servici de 19,2 Mb/s Un servici cmpletamente simétric Las implementacines de VDSL que se han desarrllad hasta la fecha utilizan la primera pción. En ciert md pdems cnsiderar VDSL cm un super ADSL para crtas distancias. Aunque tenga una capacidad mayr es técnicamente mas sencill que ADSL ya que la menr distancia simplifica las csas de frma cnsiderable. VDSL se encuentra tdavía en prces de estandarización. Existen sin embarg ya algunas experiencias pilt de servicis cmerciales en Estads Unids basadas en el us de esta tecnlgía. Debid a su crt alcance VDSL sól puede implantarse en un ámbit muy próxim a la central telefónica. Para su despliegue generalizad VDSL requiere la implantación de nds de distribución muy cerca de las viviendas, pr ejempl en cada manzana en cada vecindad; ests nds necesitan una cnexión cn la central pr fibra óptica, l cual ha dad lugar a las redes denminadas FTTC (Fibre T The Curb, curb=acera en inglés), FTTB (Fibre T The Building) y FTTN (Fibre T The Neighbrhd) HDSL HDSL (High speed Digital Subscriber Lp) es la tecnlgía DSL más extendida, la más antigua y la primera que se estandarizó y curisamente es la mens cncida de las que hems cmentad hasta ahra. La razón es sencillamente que n es una tecnlgía viable para el acces residencial de banda ancha. A principis de ls añs chenta ls ingeniers de la Bell intentaban desarrllar una tecnlgía que les permitiera establecer enlaces T1 a través de pares de cbre de las mangueras nrmalmente utilizadas para ls bucles de abnad. La finalidad fundamental era dispner de un mecanism que permitiera establecer múltiples canales entre ds centrales telefónicas que sl estuvieran unidas mediante cable de pares, sin tener que utilizar un par diferente para cada canal. La tecnlgía utilizada entnces en las líneas T1 empleaba frecuencias tan elevadas e intrducía tant crsstalk en ls pares vecins que n era psible meter más de un enlace T1 en una misma manguera. La slución a este prblema, que fue el denminad HDSL, cnsistía en repartir el tráfic en ds tres pares, y emplear técnicas de cdificación más cmplejas que permitiera meter más bits pr baudi, reduciend así de frma sensible la frecuencia máxima utilizada y cn ell el crsstalk en pares vecins. HDSL es la tecnlgía utilizada actualmente pr las cmpañías telefónicas para instalar líneas T1 y E1 (1,5 y 2 Mb/s respectivamente). Además de permitir la instalación de varias líneas sbre una misma manguera de cables HDSL presenta la ventaja de tener un mayr alcance que la tecnlgía T1/E1 tradicinal, cn l que la cantidad de repetidres a instalar se reduce. HDSL n es interesante para acces residencial pr las siguientes raznes: Utiliza ds tres pares de hils para repartir la señal. Cualquier pción que supnga el us de más de un par de cables pr vivienda requiere recablear la red, l cuale s impensable. N reserva la zna de bajas frecuencias para la vz, pr l que es incmpatible cn el teléfn. 4-10

11 Ampliación de Redes Es un servici cmpletamente simétric que utiliza el mism rang de frecuencias en cada sentid, pr l que resulta más sensible que ADSL al crsstalk, y además se ve afectad pr el ec. 4.4 REDES DE TELEVISIÓN POR CABLE Evlución de caxial hacia HFC (Hybrid Fiber Cax) Las redes CATV apareciern en ls Estads Unids en 1949 para reslver las malas cndicines de recepción de la señal de televisión que se daban en algunas ciudades barris pr rgrafía u tras raznes. La slución cnsistía en instalar una antena en un siti elevad cn buenas cndicines de recepción, y desde allí distribuir la señal mediante cable caxial a ls usuaris. El hech de que la antena se clcara en un lugar elevad di lugar a la denminación dwnstream descendente que se utiliza para describir la cmunicación en el sentid del centr emisr hacia el usuari. El centr emisr, cabecera de la red, puede tener una antena de superficie para captar la prgramación nrmal, varis receptres de canales vía satélite y una serie de canales de prgramación prpia. Tdas estas señales se distribuyen a ls abnads a través de la red de cable caxial, que puede abarcar muchs miles de usuaris. En las redes CATV antiguas se utilizaba exclusivamente cable caxial de 75 Ω cm el de antena de televisión per cn mas apantallamient, l cual le cnfería la menr atenuación necesaria para cubrir grandes distancias. Para regenerar la señal se clcaban amplificadres cada 0,5 1,0 Km. La distancia entre amplificadres era función de la cantidad de usuaris en cada tram (a mas usuaris menr distancia) y de la frecuencia máxima que utilizara la red (a mayr frecuencia máxima menr distancia). Esta frecuencia máxima era de MHz. La señal pdía tener que atravesar hasta 50 amplificadres para llegar a alguns usuaris. Cada amplificadr degradaba la señal un pc, y la prbabilidad de averías aumentaba al haber tants elements en serie. Desde el punt de vista del mantenimient la red era muy cmpleja. Las redes eran unidireccinales. N se cntemplaba la necesidad de utilizarlas en sentid ascendente pr l que ls amplificadres se diseñaban cn la única función de amplificar la señal en sentid descendente y actuaban cm verdaderas válvulas que impedían cualquier prpagación de señales en sentid ascendente. Para reslver ls prblemas de gestión y mantenimient de las redes CATV caxiales a finales de ls añs 80 empezarn a aparecer redes CATV cn la arquitectura denminada HFC (Hibrid Fiber Cax), que cnsiste en frmar ds niveles jerárquics, el principal frmad pr un tendid de fibra óptica cn tplgía de estrella distribuye la señal desde el centr emisr hasta cada zna de la ciudad. En cada zna hay un nd (nrmalmente un armari ubicad en la acera) que se encarga de cnvertir la señal óptica en eléctrica para su distribución final en cable caxial a ls abnads. Cada zna abarca de 500 a 2000 viviendas. La transmisión pr fibra óptica n requiere el us de amplificadres, y en cuant a la red de caxial al tener que cubrir una distancia much menr el númer de amplificadres máxim es de 5 (en muchas redes nunca hay más de 2 ó 3), cn la cnsiguiente mejra en calidad de la señal y sencillez de mantenimient. La figura 6.1 muestra la arquitectura de una red HFC. 4-11

12 Acces Residencial de Banda Ancha Figura Arquitectura de una red HFC Un element crucial en la implantación de redes HFC fue la psibilidad de enviar la señal analógica de televisión pr fibra óptica sin necesidad de cnvertirla en digital. Las redes HFC también facilitarn la utilización de la red para tráfic ascendente. Est permitía labres de mnitrización y servicis tales cm el pag pr visión. Dad que la señal de televisión utiliza frecuencias a partir de ls MHz se utilizan las frecuencias inferires para la cmunicación ascendente. Además se clcan amplificadres en sentid ascendente para el rang de bajas frecuencias, que n interfieren en la prpagación de la señal descendente. Cuand se utilizan para transmitir dats las redes HFC permiten la cmunicación bidireccinal sbre la misma red CATV, mientras que las redes antiguas (caxiales puras) requieren el us de una cnexión telefónica, analógica RDSI, para el canal de retrn. Est reduce el rendimient y además suprime una de las ventajas de las redes CATV que es la tarifa plana. En España, dad que la mayría de las redes CATV sn de reciente creación, casi tdas sn del tip HFC y pr tant bidireccinales. Nstrs en nuestra discusión ns limitarems a hablar de este tip de redes Estándares CATV Existen fundamentalmente ds estándares que especifican la utilización de redes HFC para transmisión de dats, aparte de diverss sistemas prpietaris; tds sn incmpatibles entre sí, l cual ha influid negativamente en la utilización de estas redes para la transmisión de dats. Ls estándares a ls que ns referims sn ls siguientes: DOCSIS (Data-Over-Cable Service Interface Specificatin). Ests estándares ls elabra el MCNS (Multimedia Cable Netwrk System),cnsrci frmad pr alguns de ls más imprtantes peradres de redes CATV de Estads Unids. La versión 1.0 fue publicada en marz de En marz de 1999 se publicó la versin 1.1. La mayría de ls equips actualmente existentes en el Mercad crrespnden a DOCSIS 1.0, y es previsible que evlucinen rápidamente a DOCSIS 1.1. DAVIC (Digital Audi-Visual Cuncil). Este estándar está elabrad pr el cnsrci DVB (Digital Vide Bradcast) y aunque su existencia es anterir a DOCSIS (las primeras versines datan de 1995) n se ha implementad en prducts cmerciales hasta fechas muy recientes. Había un tercer estándar que estaba siend elabrad pr el grup de trabaj del IEEE; este grup, cread en may de 1994, llegó a prducir un brradr de la nrma en septiembre de 1998, per ésta nunca llegó a ratificarse, fundamentalmente pr falta de interés de la industria. En abril de 2000 ls cmpnentes del grup decidiern pr unanimidad la dislución del grup. Actualmente hay una lucha entre DOCSIS y DAVIC pr acaparar cuta de mercad. Aunque DOCSIS está más extendid y lleva aprximadamente un añ de ventaja en la implementación de prducts, n está aún clar que DAVIC tenga perdida la batalla. En general ls fabricantes de Estads Unids utilizan 4-12

13 Ampliación de Redes DOCSIS y ls eurpes prefieren DAVIC. La ITU-T ha adptad cm estándares tant DOCSIS cm DAVIC Dad que DOCSIS es actualmente el estándar más extendid nstrs describirems el funcinamient de este tip de redes, aunque ls principis básics de funcinamient de ambas sn similares Transmisión de dats en redes CATV Cuand se utiliza una red CATV para transmitir dats se reserva un canal de televisión para el sentid descendente. Según se utilice la nrma americana (NTSC) eurpea (PAL SECAM) el canal tendrá una anchura de 6 u 8 MHz, respectivamente. En las redes CATV HFC se utiliza para el retrn el rang de frecuencias bajas en el que ls amplificadres actúan en sentid invers. En este rang se pueden definir canales de diversas anchuras. Ls rangs de frecuencia que utiliza DOCSIS para las redes bidireccinales sn ls que se muestran en la tabla 6.4. Sentid Eurpa (PAL, SECAM) América (NTSC) Relación señal/ruid Ascendente 5-65 MHz 5-42 MHz > 25 db Descendente MHz MHz > 34 db (típica 46 db) Tabla Repart de frecuencias ascendentes y descendentes en redes de televisión pr cable La menr relación señal/ruid de la señal ascendente se debe a ds raznes: El rang de frecuencias es mas suci desde el punt de vista electrmagnétic, es decir está mas sujet a interferencias externas de td tip En el sentid ascendente ls amplificadres recgen la señal de tds ls abnads de la zna; una manipulación incrrecta de un abnad en su televisr puede intrducir ruid en la red que será amplificad y afectará a tds ls usuaris de la zna. Est se cnce cm efect embud. Este prblema es aún mas acusad en redes caxiales puras, ya que el efect se suma para tds ls usuaris de la red. En la práctica las frecuencias pr debaj de 30 MHz n se utilizan debid a la elevada cantidad de interferencia a que se ven smetidas. Las redes de televisión pr cable fuern diseñadas para enviar la señal de televisión, que es de tip analógic. Pr est cuand se quiere enviar dats hay que mdularls sbre la prtadra analógica crrespndiente. Las técnicas de mdulación empleadas en redes CATV sn diferentes en sentid ascendente y descendente, ya que la menr relación señal/ruid del canal ascendente bliga a utilizar técnicas mas rbustas que en el descendente. De acuerd cn l que cabría esperar pr la Ley de Shannn las mdulacines mas resistentes al ruid tienen una eficiencia en bits/símbl menr. La tabla 4.19 muestra las técnicas de mdulación utilizadas nrmalmente. En general las técnicas mas eficientes ( 16 QAM en ascendente y 256 QAM en descendente) requieren una mayr relación señal/ruid y uns circuits mas cmplejs, pr l que ls equips sn mas cstss. Generalmente se prefiere utilizar QPSK en ascendente y 256 QAM en descendente. Mdulación Sentid Bits/ Simb. S/R mínima Bits/simb. Shannn QPSK Ascendente 2 >21 db 7 16 QAM Ascendente 4 >24 db 8 64 QAM Descendente 6 >25 db 8,3 256 QAM Descendente 8 >33 db 10,9 Tabla Técnicas de mdulación para transmisión de dats en redes CATV 4-13

14 Acces Residencial de Banda Ancha El caudal transmitid en símbls pr segund depende de la anchura del canal utilizad. Una vez fijad éste y el tip de mdulación se puede deducir fácilmente cual será el caudal en bits pr segund. Ls valres crrespndientes al estándar DOCSIS se muestran en la tabla En el cas del canal descendente ls dats para 6 MHz crrespnden al cas NTSC y ls de 8 MHz al PAL-SECAM. Ls caudales que aparecen en la tabla 4.20 sn caudales reales bruts. Las redes CATV utilizan códigs crrectres Reed-Slmn que supnen un verhead de aprximadamente el 10%, pr l que a ls caudales de la tabla habría que restarles el 10% para btener valres que crrespndan aprximadamente cn ls caudales útiles que realmente se pueden transmitir pr la red. Generalmente ls canales de dats ascendente y descendente sn cmpartids pr tds ls usuaris de una zna, pr l que ls caudales sn cmpartids pr tds ells; pr tant el rendimient percibid pr un usuari dependerá del grad de utilización de la red pr parte del rest de ls usuaris. En la práctica ls peradres suelen limitar pr sftware el caudal máxim que un usuari puede utilizar a valres bastante inferires a ls que aparecen en la tabla 6.6. Tip de canal Anchura (KHz) Caudal símbls Caudal QPSK Caudal 16 QAM Ascendente Ksym/s 320 Kb/s 640 Kb/s Ascendente Ksym/s 640 Kb/s 1280 Kb/s Ascendente Ksym/s 1280 Kb/s 2560 Kb/s Ascendente Ksym/s 2560 Kb/s 5120 Kb/s Ascendente Ksym/s 5120 Kb/s Kb/s Caudal 64 QAM Caudal 256 QAM Descendente Ksym/s Kb/s Descendente Ksym/s Kb/s Descendente Ksym/s Kb/s Descendente Ksym/s Kb/s Tabla Caudales bruts en redes CATV Cuand se planifica una red CATV se ha de decidir que rangs de frecuencias se asignarán en cada sentid al tráfic de dats. Generalmente para el descendente se asigna un canal 64 QAM en la parte alta de la banda dispnible, y para el ascendente se asigna un varis canales de las anchuras y mdulacines deseadas en función de las necesidades previstas. Si mas adelante se bserva que las previsines iniciales eran insuficientes se puede adptar una de las siguientes estrategias: Cambiar a un esquema de mdulación más eficiente. Pdría ser pr ejempl reemplazar el canal descendente 64 QAM pr un 256 QAM. Est aumentaría en alg la capacidad, per tiene el incnveniente de que requiere sustituir tds ls equips cn l que el cst es cnsiderable. Asignar nuevs canales para dats. En este cas hay que asignar a ls usuaris de la zna a un u tr canal, es decir cada canal funcina cm si se tratara de una zna diferente. Es psible realizar esta división únicamente para tráfic en un sentid, es decir cmbinar pr ejempl un determinad canal descendente cn varis canales ascendentes que se reparten ls usuaris de la zna. Dividir la zna en znas más pequeñas. Actualmente ls tendids de las redes de cable se hacen crenad znas de 500 viviendas, per cn la previsión de pder pasar a znas de 125 viviendas sin más que añadir alguns equips en la red, sin mdificacines en el cablead. Est permite cuadruplicar la capacidad sin tener que aumentar el númer de canales dedicads a ls dats en la red Cmunicación en redes CATV 4-14

15 Ampliación de Redes En una red CATV la infrmación se transmite entre el dispsitiv de cabecera, denminad CMTS (Cable Mdem Terminatin System) y el CM Cable Mdem del usuari. Dad que el medi de cmunicación es asimétric pr naturaleza ls elements que la hacen psible también l sn, y la funcinalidad de un CMTS n es la misma que la de un CM. Debid a la frma cm funcinan las redes CATV ds CMs n pueden cmunicarse directamente aunque se encuentren en la misma zna, ya que pr el canal ascendente sl pueden transmitir per n recibir. Para ell necesitan hacer us del CMTS de su zna, que actuará cm intermediari entre ambs. Otra cnsecuencia curisa de est es que las redes CATV sn bradcast per sl en el sentid descendente, ya que en el ascendente el CMTS es el únic destinatari psible de la infrmación. Tdas estas peculiaridades tienen sus cnsecuencias en el diseñ del prtcl MAC, cm verems lueg. Nrmalmente el CM es un dispsitiv extern que se cnecta al PC mediante una interfaz Ethernet 10BASE-T. La cnexión que el CM realiza cn el CMTS simula el funcinamient de un puente remt transparente 802.1D, es decir el usuari psee una red lcal que se cmunica a través de la red de cable cn el exterir; pr el canal de radifrecuencia sl pasarán las tramas Ethernet crrespndientes a destins que n se encuentren en su red lcal, es decir el CM realizará un filtrad inteligente del tráfic. Respect al cas de una cmunicación nrmal entre ds Ethernets pr puentes remts la cmunicación en una red CATV presenta ds peculiaridades: El medi de cmunicación entre ambs puentes (el CM y el CMTS) es asimétric. La infrmación viaja cifrada (DES 56) para evitar que un usuari malintencinad pueda captar tramas n dirigidas a él. La clave de cifrad utilizada es intercambiada al inici de la cmunicación. En principi un usuari pdría cnectar a través de un cable módem tda una red lcal cn gran cantidad de rdenadres intercnectads. En la práctica ls peradres limitan (nrmalmente a un) el númer de equips que el usuari puede cnectar; para ell simplemente se cntrla la dirección MAC de rigen de las tramas que envía el usuari. Además la asignación de direccines IP se realiza nrmalmente pr DHCP, cn l que el usuari n sl se ve limitad a usar una dirección MAC sin que tiene que utilizar la dirección MAC que tiene registrada en el servidr DHCP Prtcl MAC de redes CATV DOCSIS Cm ya hems cmentad la cmunicación en una red CATV es asimétrica: el CMTS dispne para su us exclusiv del canal descendente, mientras que ls CMs han de cmpartir tds ells el canal ascendente. Esta situación es muy similar a la que se presentaba en la red Alhanet de Abramsn, y cm entnces será precis arbitrar algún prtcl MAC que permita la cmpartición de ese canal ascendente entre tds ls CMs de una zna. Un principi básic en el diseñ de este prtcl es minimizar la cmplejidad de ls CMs a csta de aumentar la del CMTS, después de td el CMTS es un para tda la zna y ls CMs estarán presentes en tdas las viviendas que cntraten el servici y deben pder venderse a baj preci. Las redes CATV n pueden utilizar un prtcl MAC tradicinal cm CSMA/CD Tken Ring pr diversas raznes, la más imprtante de las cuales es la impsibilidad de ls CMs de irse directamente uns a trs; est impide pr ejempl la detección de clisines pr parte de ls CMs. Además las grandes distancias (hasta 80 Km) que puede llegar a abarcar una red CATV harían sumamente ineficiente un prtcl tip CSMA/CD Alha ranurad pdría ser una slución, per su baja eficiencia y el requisit de transmitir tramas de tamañ cnstante (para utilizar intervals de tiemp cnstantes) supnen un incnveniente imprtante. En su lugar se ha preferid implementar un prtcl basad en crédits en el que el CMTS actúa cm mderadr, es decir asigna tiemps en el canal ascendente a ls CMs que l sliciten; una parte del canal ascendente tendrá que destinarse a esas peticines de crédit, las cuales n tendrán más remedi que funcinar cn un prtcl tip Alha; per cm se espera que dichas peticines cupen una parte prprcinalmente pequeña del canal ascendente la pérdida de capacidad prducida pr este mtiv será también pequeña. 4-15

16 Acces Residencial de Banda Ancha Figura Asignación de mini-slts en el canal ascendente de una red DOCSIS La figura 6.2 muestra el funcinamient del prtcl MAC en una red CATV. El CMTS transmite pr el canal descendente, además del tráfic de usuaris, infrmación sbre el us que ls CMs pueden hacer del canal ascendente. Para ell el canal ascendente se divide en intervals de tiemp de duración cnstante denminads mini-slts que se numeran. El CMTS infrma a ls CMs del mapa de asignación de ls mini-slts, que pueden ser de tres tips: Asignads a CMs (marcads cn óvals en la figura): ests crrespnden a CMs que previamente habían presentad su slicitud al CMTS y que ven así satisfech su requerimient. Durante ests mini-slts sl el CM designad puede transmitir pr el canal ascendente. De cntención (representads pr rectánguls): ests mini-slts quedan sin asignar y sn ls que permiten a ls CM enviar sus slicitudes de tiemp al CMTS. En ests mini-slts puede haber clisines y se aplica un prtcl tip Alha ranurad. De mantenimient (representads pr rmbs): ests mini-slts se reservan para funcines de mantenimient de la red, entre las que se incluye pr ejempl la fase de inicialización y sincrnización de ls nuevs CMs que se incrpren a la red. En ests mini-slts también puede haber clisines. Un mini-slt tiene una duración de 64 símbls, pr l que equivale a 128 bits en mdulación QPSK y 256 en 16 QAM. La duración en tiemp de un mini-slt dependerá pr tant de la anchura del canal ascendente. La asignación de mini-slts a estacines cncretas permite aprvechar eficientemente el canal ascendente en cndicines de saturación, ya que las clisines sl pueden currir en ls mini-slts de cntención mantenimient, que sn menres a medida que la red se satura. En DOCSIS 1.0 cuand una estación quiere transmitir una trama (que puede cntener hasta 1500 bytes de dats) la ha de transmitir en su ttalidad una vez recibe asignación de mini-slts pr parte del CMTS. En redes cn una elevada cupación y un canal ascendente de baja capacidad est puede llegar a supner un retard tal que n haga psible el us de ciertas aplicacines en tiemp real, tales cm vz sbre IP. La principal innvación de DOCSIS 1.1 es permitir que en ests cass el emisr fragmente la trama, evitand de esta frma que un CM mnplice el canal ascendente durante un interval de tiemp peligrsamente grande. 4-16

17 Ampliación de Redes 4.5 SATÉLITES DE COMUNICACIONES Ls satélites artificiales sn un medi estupend para emitir señales de radi en znas amplias pc desarrlladas, ya que pueden utilizarse cm enrmes antenas suspendidas del ciel. El primer satélite de cmunicacines se pus en órbita en La primera transmisión de televisión vía satélite se llevó a cab en Dad que n hay prblema de visión directa las emisines vía satélite suelen utilizar frecuencias elevadas, en el rang de ls GHz que sn más inmunes a las interferencias; además la elevada direccinalidad de las ndas a estas frecuencias permite 'alumbrar' znas cncretas de la tierra. Ls satélites cmerciales funcinan en tres bandas de frecuencias llamadas C, Ku y Ka; análgamente a l que curría en GSM se utiliza un rang distint para la cmunicación ascendente (tierra satélite) que para la descendente (satélite tierra), según se detalla en la tabla siguiente: Banda Frecuencia Frecuencia Anchura Prblemas Ejempls descendente (GHz) ascendente (GHz) (GHz) C 3,7-4,2 5,92-6,42 0,5 Interferencia Intelsat, Telecm terrestre Ku 10,7-12,75 13,0-15,0 2,0 Lluvia Astra, Eutelsat, Hispasat, Intelsat, Telecm. Ka 17,7-21,7 27,5-30,5 4-3 Lluvia, cst equips Teledesic Tabla Bandas utilizadas en las cmunicacines vía satélite La mayría de las emisines de televisión vía satélite se prducen en la banda Ku Satélites geestacinaris El períd rbital de ls satélites depende de su distancia a la Tierra, cuant más cerca más crt es éste. Ls primers satélites de cmunicacines tenían un períd rbital que n cincidía cn el de rtación de la Tierra sbre su eje, pr l que tenían un mvimient aparente en el ciel; est hacía difícil la rientación de las antenas, y cuand el satélite desaparecía en el hriznte la cmunicación se interrumpía. A una altura de exactamente ,04 Km el períd rbital del satélite cincide exactamente cn el de rtación de la tierra. A esta órbita se la cnce cm el cinturón de Clarke, ya que fue el fams escritr de ciencia ficción Arthur C. Clarke el primer en sugerir esta idea en el añ 1945 (además de escritr Clarke era un científic que trabajaba en el camp de ls satélites artificiales). Vists desde la tierra ls satélites que giran en esta órbita parecen estar inmóviles en el ciel, pr l que se les llama satélites geestacinaris satélites GEO. Ls satélites geestacinaris tienen ds ventajas imprtantes para las cmunicacines: permiten el us de antenas fijas pues su rientación n cambia y aseguran un cntact permanente cn el satélite ya que n desaparecen pr el hriznte. N es cnveniente pner muy próxims en el espaci ds satélites que funcinen en la misma banda de frecuencias, ya que pueden interferirse. En la banda C la distancia mínima es de 2 grads, y en Ku y Ka de un grad. Est limita en la práctica el númer ttal de satélites que puede haber en tda la órbita geestacinaria a 180 en la banda C y 360 en las Ku y Ka. La distribución de bandas y espaci en la órbita geestacinaria se realiza mediante acuerds internacinales. Cada una de las bandas utilizadas en ls satélites se divide en canales. Para cada canal suele haber en el satélite un repetidr, llamad transpnder transpndedr, que se cupa de captar la señal ascendente y retransmitirla de nuev hacia la tierra en la frecuencia que le crrespnde. Dad que el transpndedr ha de ser liger y cnsumir pca ptencia eléctrica las emisines descendentes n suelen ser muy 4-17

18 Acces Residencial de Banda Ancha ptentes, del rden de 50 a 100 vatis. Para llegar a la tierra cn una ptencia así las emisines se hacen muy direccinales y en tierra se utiliza antenas parabólicas muy direccinales y de alta ganancia. El us de antenas altamente direccinales junt a la elevada direccinalidad de las altas frecuencias hace psible cncentrar las emisines vía satélite a regines gegráficas muy cncretas, hasta de uns pcs cients de kilómetrs. Est permite evitar la recepción en znas n deseadas y reducir la ptencia de emisión necesaria, bien cncentrar el haz para así aumentar la ptencia recibida pr el receptr reduciend así el tamañ de la antena parabólica necesaria. Pr ejempl el satélite Astra tiene una huella que se aprxima bastante al cntinente eurpe. Cada transpnder puede tener un anch de banda de 26 a 72 MHz, y puede utilizarse para enviar señales analógicas de víde y/ audi, señales digitales mduladas en una prtadra analógica cm curre en el cas de la televisión digital que envía la infrmación de víde cdificada en flujs MPEG-2; también puede enviarse audi digital (cn una calidad cmparable al CD), cnversacines telefónicas digitalizadas, dats, etc., per siempre mdulads en la prtadra analógica crrespndiente. La mdulación utilizada es la denminada QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) que da una eficiencia de 2 bits pr símbl; pr ejempl un transpnder del Eutelsat tiene una anchura de 38 MHz y transmite 27,5 Msímbls/s sea 55 Mb/s. Para la transmisión de dats vía satélite se utilizan estacines de emisión-recepción de baj cst llamadas VSAT (Very Small Aperture Terminal). Una estación VSAT típica tiene una antena de 1 metr de diámetr y un emisr de 1 vati de ptencia. Nrmalmente las estacines VSAT n tienen ptencia suficiente para cmunicar entre sí a través del satélite (VSAT-satélite-VSAT), pr l que se suele utilizar una estación repetidra en tierra denminada hub (centr eje en inglés) que actúa cm repetidr; así la cmunicación curre cn ds salts tierra-aire (VSAT-satélite-hub-satélite-VSAT); un sl hub puede dar servici a múltiples cmunicacines VSAT. En ls últims añs han empezad a aparecer ISPs que frecen acces a Internet vía satélite. En la implantación de ests servicis ha influid de manera decisiva el estándar DVB-S (Digital Vide Bradcast Satellite) y la difusión en el mercad de equips receptres de baj cst aprvechand ls misms cmpnentes que se utilizan en ls decdificadres de televisión digital vía satélite. Nrmalmente se trata de tarjetas PCI que se instalan en el PC e incrpran la cnexión para la antena vía satélite. Ls caudales que se cnsiguen nrmalmente están entre 300 Kb/s y 2 Mb/s. Dad que ests equips suelen ser únicamente receptres el retrn se realiza mediante módem RDSI, l cual da una cmunicación asimétrica, cm en el cas de ADSL. También es psible, cn un cst cnsiderablemente superir, realizar el retrn vía satélite, per aún en este cas el caudal suele ser asimétric. La cmunicación vía satélites geestacinaris tiene algunas características singulares. Pr un lad la transmisión a grandes distancias intrduce un retard inusualmente elevad en la prpagación de la señal. Cn Km de altura rbital el viaje de ida y vuelta al satélite que ha de realizar la señal supne un retard de uns 270 ms 2. En una cmunicación en la que el retrn se haga también vía satélite ests tiemps se duplican, y si se trata de una cmunicación VSAT-VSAT ls tiemps se duplican nuevamente debid a la necesidad de pasar pr el hub. A títul cmparativ en una cmunicación terrestre pr fibra óptica a Km de distancia el retard puede supner 50 milisegunds. Ests retards supnen una limitación imprtante en aplicacines interactivas, cm videcnferencia vz sbre IP. En el cas de prtcls de transprte que requieren el enví de acuses de recib (cm TCP) ests retards limitan el rendimient máxim que es psible btener. En el cas de TCP hay una mdificación denminada ventana grande (RFC 1106) que resuelve este prblema. Otra característica singular de ls satélites es que sus emisines siempre sn bradcast pr naturaleza. Tiene el mism cst enviar una señal a una estación que enviarla a tdas las estacines que se encuentren dentr de la huella del satélite. Para algunas aplicacines est es muy interesante, mientras que para tras dnde la seguridad es imprtante es un incnveniente, ya que las transmisines han de ser encriptadas. Una tercera característica que se deriva de la anterir es el hech de que el medi de cmunicación sea cmpartid. Es necesari implementar entnces un prtcl de acces al medi prtcl MAC, ya que se plantean prblemas similares a ls de una red lcal de tip bradcast. 2 A Km/s que es la velcidad de prpagación de las ndas electrmagnéticas en el aire y en el vací (en el vidri en el cbre es de uns Km/s) 4-18

19 Ampliación de Redes El cst de una transmisión vía satélite es independiente de la distancia, siempre que las ds estacines se encuentren dentr de la huella del mism satélite. Además n hay necesidad de desarrllar infraestructuras terrestres y el equipamient necesari es relativamente reducid, pr l que ls satélites sn especialmente adecuads para enlazar instalacines prvisinales, que tengan cierta mvilidad que se encuentren en znas dnde la infraestructura de cmunicacines está pc desarrllada Satélites de órbita baja Cm hems dich ls satélites cn órbitas inferires a Km tienen un períd de rtación inferir al de la Tierra, pr l que su psición relativa en el ciel cambia cnstantemente. La mvilidad es tant más rápida cuant menr es su órbita. En ls últims añs se han puest en marcha diverss pryects que pretenden frecer servicis de cmunicacines basads en el us de satélites de órbita baja LEO (Lwe Earth Orbit), entre 750 y 1500 Km de altura. A estas alturas el períd rbital es menr de 24 hras, pr ejempl a 750 Km es de 90 minuts. Est hace que el satélite desaparezca de la vista a ls pcs minuts, l cual hace la cmunicación pc útil. Para evitar este prblema se pnen en la misma órbita varis satélites adecuadamente espaciads entre sí, de frma que cuand un desaparece ya está el siguiente a la vista. Además se establecen varias órbitas circumplares (siguiend ls meridians) de frma que la cbertura puede abarcar amplias znas gegráficas, en alguns cass td el planeta. El cnjunt de satélites frma pues una malla clgada del ciel de tal frma que siempre haya un a la vista; ls satélites se reparten la superficie del glb creand una estructura de celdas similar a la de una red GSM, cn la salvedad de que en este cas las estacines base se mueven. La tabla 2.16 recge las principales características de ls servicis LEO más cncids. El primer pryect LEO que se pus en marcha fue Iridium, iniciad pr Mtrla en el añ Ls servicis de vz de Iridium empezarn a funcinar en Satélite Frecuencia Subida (GHz) Frecuencia Bajada (GHz) Númer de Satélites Altura Órbita (Km) Caudal max. (dats) Puesta en marcha Cnmutación Glbalstar 1,61-1,626 2,483-2,5 6x8= ,6 Kb/s 2000 Tierra Iridium 1,616-1,625 1,616-1,625 11x6= ,8 Kb/s 1999 Satélite Teledesic 28,6-29,1 18,8-19,3 24x12= Mb/s desc. 2 Mb/s asc Satélite Tabla Caracterísitcas principales de ls servicis LEO más cncids La baja altura de ls satélites LEO tiene ds cnsecuencias imprtantes que ls diferencian de ls satélites geestacinaris. En primer lugar el retard en la prpagación de la señal es much menr, similar a las cmunicacines pr superficie, pr l que tienen una ttal cmpatibilidad en sftware y prtcls cn ls medis terrestres. En segund lugar, al tener que cubrir distancias menres es psible utilizar emisres de baja ptencia que pueden integrarse en equips móviles de pes reducid alimentads pr baterías y n es necesari recurrir al us de antenas parabólicas altamente direccinales. Ls servicis Iridium y Glbalstar pr ejempl utilizan un teléfn un pc mas grande que un GSM. Ambs están rientads primrdialmente para la vz. En cambi Teledesic está diseñad para dats y n cntempla mvilidad mientras se transmiten dats (aunque es psible cambiar de ubicación cn facilidad). En alguns sistemas, cm Glbalstar, el satélite devuelve inmediatamente la señal a la tierra, dnde es transprtada hasta la célula de destin; una vez allí es enviada al satélite crrespndiente que a su vez la transmite al destinatari. En trs sistemas, cm Iridium Teledesic, la cnmutación se realiza ttalmente en el ciel, sin pasar pr la tierra en ningún punt intermedi del trayect. Teledesic es un ambicis pryect que pretende cmpetir cn tecnlgías de banda ancha residencial, tales cm redes de televisión pr cable ADSL. El prtcl de red utilizad pr ls satélites Teledesic para cmunicarse entre ells es n rientad a cnexión y se asemeja en muchs aspects a IP; alguns se refieren a Teledesic cm una Internet clgada del ciel. En Teledesic ls satélites dividen la superficie de la tierra en células cuadradas de 53 Km de lad (un satélite abarca múltiples células); cada célula tiene una capacidad ttal de 64 Mb/s, capacidad que es asignada baj demanda a ls usuaris de la misma. 4-19

20 Acces Residencial de Banda Ancha 4.6 EJERCICIOS 1. Indique si es verdadera falsa cada una de las siguientes afirmacines: a) Según la ley de Shannn-Hartley cuand se envía infrmación digital pr un canal analógic la capacidad máxima de transmisión de infrmación es directamente prprcinal al anch de banda para una relación señal/ruid cnstante. b) Cuand se transmiten dats de frma analógica la eficiencia máxima teórica (bits/hz) sl depende de la relación señal/ruid y n del anch de banda utilizad. c) La atenuación en cables de cbre (medida en db/m db/km) depende únicamente del tip de cable y n de la frecuencia intensidad de la señal transmitida. d) La transmisión de dats en redes de televisión pr cable utiliza multiplexación pr división en frecuencia y pr división en el tiemp. 2. Cuál es la máxima velcidad (en bps) a la que pdrían transmitirse dats en un canal sin ruid cn un anch de banda de 6 KHz? 3. Supnga que en una cnexión ADSL se utilizan ls bins 35 a 255 para el tráfic descendente. En el prces de inicialización de ls módems ADSL ésts miden la calidad (la relación señal/ruid) de cada un de ls bins, y eligen la técnica de mdulación más eficiente en cada cas. Supnga que en el prces de inicialización el resultad ha sid el siguiente: 117 bins cn S/R de 20 db 88 bins cn S/R de 15 db 16 bins desactivads pr exces de ruid Calcule la capacidad máxima teórica de la cmunicación en este cas. 4-20