Estudio y análisis en el diseño de un canal de comunicaciones para el desarrollo de interactividad en la televisión digital

Transcripción

1 Estudio y análisis en el diseño de un canal de comunicaciones para el desarrollo de interactividad en la televisión digital

2 ÍNDICE 1º Introducción 1 2º Estudio de tecnologías Satélite 12 - Evolución DVB-RCS.13 - Prestaciones Validez para otros servicios Escalabilidad.15 - Factores medioambientales, meteorológicas y topográficos Cable Estructura y elementos de red Prestaciones Escalabilidad Factores medioambientales, meteorológicas y topográficos Televisión Digital COFDM...33

3 - Redes de distribución primaria para televisión digital terrestre.35 - Prestaciones Validez para otros servicios Factores medioambientales, meteorológicas y topográficos Proyectos ejecutados ADSL Estructuras y elementos de red Prestaciones 53 - Validez para otros servicios 54 - Escalabilidad Factores medioambientales, meteorológicas y topográficos PLC Estructura y elementos de red 62 - Prestaciones Validez para otros servicios Escalabilidad Factores medioambientales, meteorológicas y topográficos UMTS Estructura y elementos de red 73

4 - Prestaciones 81 - Validez para otros servicios Escalabilidad Factores medioambientales, meteorológicas y topográficos 84 3º Tabla comparativa ente tecnologías.87 4º Conclusiones 5ºBibliografía..

5 1º Introducción La televisión digital no sólo ofrece una gran mejora de calidad audiovisual respecto a la televisión analógica sino que proporciona un enorme número de ventajas y funciones adicionales respecto a la difusión convencional de televisión. Entre ellas destacan las siguientes: Mayor número de programas y nuevas emisoras en la misma ocupación de espectro que la actual televisión analógica (varios canales de TV digital en el mismo ancho de banda de un canal de TV analógico). Además, puede coexistir con la televisión analógica. Recepción en condiciones adversas (movilidad, interferencias, ruido, etc.). Posibilidad de uso de infraestructuras de TV analógica ya existentes: antenas, emisores, instalaciones, etc. De hecho, se puede aprovechar la infraestructura TV convencional para proporcionar múltiples canales de televisión a través de la misma antena de recepción. Alta resolución de las emisiones, incluida la Televisión de Alta Definición y formato panorámico de TV (16:9). Sonido Digital Multicanal. Posibilidades de acceso condicional (abono, pago por visión y acceso personal). Especialmente importantes son los servicios de TV proporcionados, que gozan también de unas características innovadoras: Interactividad con el usuario. Nuevas oportunidades para la oferta de contenidos y servicios interactivos adicionales. Para más claridad sobre este concepto, se puede decir que la interactividad es la capacidad de ofrecer contenidos adicionales a los programas de televisión, permitiendo al usuario ver informaciones asociadas al contenido audiovisual, la programación de los canales, participar en concursos, votaciones, comprar productos o servicios, e incluso participar en los propios programas de televisión con el mando a distancia. La interactividad es posible gracias a

6 aplicaciones que complementan la programación, siendo el usuario el que decide si quiere o no verlos, y cuando verlos. Además ofrece al espectador la posibilidad de personalizar el contenido que muestra su televisor, bien sea accediendo a la información enviada durante el proceso de emisión (sólo se hace visible si el espectador lo desea) o bien accediendo a servidores con los que puede intercambiar información, a través de un canal de retorno utilizando el televisor como interface de salida. Este modo de interactividad incorpora comunicaciones bidireccionales para el espectador como votaciones, apuestas, descargas de información personalizada por cada usuario o transacciones más complejas. Se pueden recibir los siguientes tipos de servicios: Servicios de información: Son aquellos que ofrecen una información independiente de la programación audiovisual que se está emitiendo en ese momento: Guía electrónica de programación, teletexto mejorado y Juegos. Servicios ligados a la programación: Son aquellos que complementan con información suplementaria la programación audiovisual emitida: Interactividad local: Estadísticas deportivas, Información ampliada sobre el programa, noticias desarrolladas. Interactividad externa: Participación en concursos, encuestas, preguntas a invitados, pago por visión. Servicios transaccionales: Son aquellos que ofrecen la posibilidad de enviar y recibir información de forma personalizada y exclusiva. En este caso la interactividad es externa: reserva de plazas, consultas bancarias, T-administración y compras. El único requisito para acceder a los servicios interactivos es contar con un descodificador digital interactivo o MHP. Los descodificadores interactivos integran el logotipo MHP, que es un estándar Europeo para televisión digital interactiva. Para poder participar en los concursos, promociones, etc. es igualmente necesario contar con un canal de retorno que permita enviar la información del usuario final. Los actuales descodificadores MHP suelen integrar un módem para su conexión a la línea telefónica convencional aunque existen más soluciones normalizadas para el canal de retorno.

7 El consorcio DVB (Digital Video Broadcasting Project) creado en 1993, en el que participan más de 300 miembros entre operadores, fabricantes, proveedores de servicios, reguladores y otras entidades, define estándares para TV digital y servicios de datos. El consorcio DVB tiene una parte comercial que analiza la situación del mercado y los requisitos de los usuarios, en función de los cuales la parte técnica desarrolla especificaciones técnicas. Estas especificaciones se envían al Instituto Europeo de Estándares de Telecomunicaciones (ETSI) para su aprobación como estándares. Fuera de Europa, DVB compite con otros estándares como el ATSC norteamericano para TV digital. Existen tres mecanismos de difusión de televisión digital para los que se ha editado normativa (por parte de DVB y ETSI en Europa): satélite, cable y radiodifusión terrestre (TDT). DVB encapsula la información en paquetes de transporte MPEG-2 (ISO/IEC ), lo que permite aplicarlo tanto a servicios de TV como a servicios multimedia interactivos. Los paquetes de transporte MPEG-2 (Transport Stream Packets) son bloques de tamaño fijo, 4 octetos de cabecera y 184 octetos de información, que pueden transmitirse sobre redes satélite (DVB-S), de cable (DVB-C) o de TV digital terrestre (DVB-T). Para los servicios interactivos, DVB ha definido varios estándares sobre canales de retorno por diferentes tipos de red, incluyendo redes satélite (DVB-RCS), red telefónica o RDSI (DVB- RCP), redes de cable (DVB-RCC, definido en colaboración con DAVIC37), redes LMDS (DVBRCL), terrestre (DVB-RCT) y más Los objetivos de la TDT, además de ofrecer una televisión de mayor calidad, pueden resumirse en los siguientes. Proporcionar mayor cantidad de programas utilizando el mismo espectro que la actual televisión analógica, o incluso liberando partes del mismo, y esto: - Manteniendo las coberturas nacionales de la actual distribución analógica. - Con capacidad de proporcionar programación regional y local de forma efectiva. Proporcionar una radiodifusión más robusta que permita la recepción de los programas en condiciones donde la televisión analógica ofrece resultados pobres o donde no es factible, por ejemplo:

8 - En presencia de interferencias, propagación multitrayecto, ruidos, etc. - Recepción por aparatos portátiles no conectados a una antena exterior direccional. - Receptores móviles a velocidad vehicular (autobuses, trenes). Utilizar lo máximo posible la infraestructura existente de televisión analógica: antenas emisoras, antenas receptoras de los usuarios, instalaciones de antena colectiva, etc. Coexistencia espectral con la televisión analógica. Proporcionar flexibilidad para poder intercambiar calidad y cantidad. Ser capaz de soportar la evolución hacia un servicio de Televisión de Alta Definición. Soportar el acceso condicional (suscripción, pago por visión). Cierta capacidad de interfuncionamiento con televisiones digitales distribuidas por los medios alternativos: cable y satélite. Proporcionar interactividad con el usuario. En nuestro estudio, este aspecto merece un tratamiento aparte. Aunque a veces se suelen poner los distintos tipos de distribución de la televisión digital (satélite, cable y terrestre) como abiertos competidores, y sin duda existen grandes áreas de solapamiento de mercados objetivos, se pueden resaltar algunos aspectos diferenciales de la TDT: Su primer objetivo es la sustitución de la televisión analógica en abierto, llegando en un plazo relativamente largo al apagado analógico. Se dirige a los usuarios de esta televisión, que tienen sus antenas de tejado, están acostumbrados a la recepción en portátiles, etc. Por ello los promotores de la TDT dicen que, por ejemplo, no hay que comparar con el número de canales que se pueden recibir del cable o del satélite, sino que hay que decir que la TDT puede proporcionar dos o tres veces más canales que la analógica con la misma, o incluso menor, utilización de espectro.

9 El satélite proporciona una programación de ámbito nacional e incluso internacional. El cable proporciona una programación que puede combinar la nacional con la local, pero su cobertura se circunscribe a núcleos densos de población. La TDT puede resultar complementaria, en el sentido de que puede proporcionar programación nacional, local, o nacional localizada, con una cobertura universal. Conviene establecer en primer lugar una distinción en función del medio de distribución de TV entre infraestructura cableada (cable, pares de cobre y en el futuro fibra óptica) e infraestructura inalámbrica (ondas de superficie y satélite). Los siguientes factores establecen las diferencias esenciales entre las dos opciones. Las áreas de servicio cubiertas, que implican el número de usuarios que comparten un determinado ancho de banda, tanto en sentido descendente como ascendente. Los sistemas 4 6 inalámbricos tienen áreas de cobertura del orden de usuarios, mientras que en los cableados el orden de magnitud está entre Los anchos de banda ascendentes y las características de retardo hacen además que los sistemas cableados puedan ofrecer el conjunto completo de servicios de telecomunicación, es decir, acceso a Internet y telefonía. La ventaja diferencial de los sistemas inalámbricos de distribución reside precisamente en su amplia cobertura y su potencial de acceder masivamente a los usuarios, ya sea con programas de TV o con descargas de datos (datacasting). Puesto que la geografía y la topografía son muy distintas de un país a otro, las tecnologías que funcionan bien en una zona geográfica podrían no funcionar tan bien en otra. Así pues, corresponde a cada localidad individual ya se trate de una aldea, una ciudad, un estado, una provincia o un país determinar cuáles son las tecnologías que mejor se adaptan a sus necesidades. En la actualidad, un poco más del 80% de la población española se encuentra en zonas con cobertura TDT. Los radiodifusores están aumentando la red de centros emisores que emiten en tecnología digital y, por lo tanto, cada vez es mayor el número de poblaciones desde las que se puede acceder a la TDT. La siguiente figura muestra las zonas que disponen de cobertura TDT asociada a los distintos canales TDT de ámbito nacional.

10 Figura 1. Mapa de cobertura de la TDT en España.

11 2º Estudio de Tecnologías Este estudio trata de presentar las características técnicas de las tecnologías más adecuadas para establecer el canal de retorno. Todas estas tecnologías son adecuadas además de como canal de retorno para muchos otros servicios como por ejemplo Internet, teléfono, o aplicaciones La gran mayoría de la información ha sido tomada del artículo Redes de Acceso de Banda Ancha. Arquitectura, Prestaciones, Servicios y Evolución., de los autores Julio Berrocal, Enrique Vázquez, Francisco González, Manuel Álvarez-Campana, Joan Vinyes, Germán Madinabeitia y Víctor García, del año Este artículo aparece también en la bibliografía del proyecto con el número [6]. Las tecnologías que se van a estudiar son: 2.1. DVB-RCS 2.2. DVB-RCC 2.3. DVB-RCT 2.4. ADSL 2.5. PLC 2.6. UMTS

12 2.1 Satélite Las características más importantes de las redes satélites son: Extensa cobertura, con rapidez de instalación y coste independiente de la distancia dentro de la zona de cobertura. Un mismo satélite puede incluir una serie de haces con diferentes coberturas. Ancho de banda del orden de decenas de Mbit/s en el sentido de bajada hacia los usuarios (downstream) y generalmente algo menor en el de subida hacia satélite (upstream). La capacidad depende de las características de cada sistema y especialmente del tamaño de las antenas. Estos sistemas utilizan satélites en órbita geoestacionaria (GEO), que permiten dar servicio en amplias zonas como por ejemplo la distribución de TV en un continente, pero tienen como grandes inconvenientes el retardo y la atenuación algo elevados 1. El impacto de este retardo puede ser relevante según la aplicación (telefonía, datos interactivos) o no serlo (TV). Evolución: Actualmente estas redes tienden ha evolucionar hacia la prestación de servicios multimedia de banda ancha con terminales fijos o portátiles gracias a la utilización de una nueva generación de satélites con funciones avanzadas y mayor capacidad que los actuales [7]. Los satélites GEO con cobertura muy pequeña son los sistemas predominantes para el empleo en lugares como un país o parte de él, en lugar de un continente [8], de esta manera se permite la comunicación entre terminales en un salto en lugar de dos saltos (terminal-satélite-estación terrestre central y vuelta) reduciendo el retardo a la mitad, así como también permite la reutilización de frecuencias en diferentes zonas para así poder aumentar la capacidad total del sistema. La distribución de los satélites GEO se muestra en la siguiente figura. 1 La órbita geoestacionaria se encuentra a casi km sobre el ecuador, lo que introduce un retaardo de ida-vuelta en torno a ¼ de segundo.

13 Figura 2. Distribución de satélites GEO. Los terminales bidireccionales, objeto de nuestro estudio, son los más caros y usan antenas mayores que deben ser instaladas o reemplazadas por el personal especializado, pero tienen como ventaja que no dependen de ninguna otra red para el canal de retorno. Originalmente los sistemas bidireccionales han estado más orientados al sector de negocios, pero si su coste continua disminuyendo pueden extenderse al sector residencial. Algunas empresas 2 ofrecen sistemas bidireccionales para usuarios residenciales que utilizan la misma antena para recepción de TV y para acceso a Internet, con coste y prestaciones comparables a los de ADSL [9]. En edificios con instalación de antena colectiva puede instalarse una antena compartida para el canal de retorno vía satélite [10]. DVB-RCS: El nuevo estándar DVB-RCS (Digital Video Broadcast Return Channel by Satellite) ofrece una solución normalizada para integrar el canal de retorno en la red satélite [11]. Esta solución está dirigida en un principio a pequeñas empresas y posteriormente a usuarios residenciales, entrando en competencia con redes de acceso terrestres como ADSL o redes de cable [12]. En la siguiente figura se distingue su funcionamiento. 2 Como por ejemplo Direcway, Starband o Transcom W1

14 Figura 3. Funcionamiento del sistema DVB-RCS. Los sistemas DVB-RCS pueden funcionar en las bandas Ku o Ka de frecuencias. El usuario dispone de un encaminador IP y de un terminal satélite interactivo 3 que se comunica a través del satélite con una estación central, a la que se conectan los proveedores de acceso a Internet y otros servicios. La estación central recibe el tráfico IP de los proveedores y lo envía a los terminales encapsulado sobre DVB como ya se ha mencionado. El canal de retorno DVC-RCS usa MF-TDMA. La estación central coordina el acceso de los terminales que solicitan transmitir por el canal de retorno. Los paquetes IP pueden encapsularse sobre diferentes protocolos de nivel 2 para su transmisión por el enlace satélite. En el enlace descendente tiende a imponerse el empleo del estándar DVB (Digital Video Broadcast) de ETSI. DVB permite multiplexar a nivel 2 varios flujos de vídeo MPEG hasta una tasa total de unos 35 Mbit/s según la modulación usada. Parte de estos flujos pueden sustituirse por paquetes IP según la mezcla de servicios de TV y de Internet que se desee. Prestaciones 4 : 3 Que pueden alquilarse o comprarse al proveedor de acceso satelite o al proveedor de acceso a internet según elmodelo de negocio. 4 [6]

15 Las prestaciones de estas redes son muy variadas según el tipo de satélite y de terminal. Los terminales satélite móviles ofrecen velocidades muy pequeñas, similares a las de GSM, por ej. 2,4 kbit/s ó 9,6 kbit/s. Los terminales portátiles tipo maleta pueden alcanzar velocidades comparables a las de un canal B RDSI (64 kbit/s). Los terminales VSAT, de mayor tamaño, ofrecen velocidades más altas, hasta unos 2 Mbit/s. Los servicios de acceso a Internet por satélite para usuarios residenciales disponen velocidades en torno a 128 kbit/s en sentido ascendente y 512 kbit/s en descendente. Como ejemplo, la Tabla 1 (ver [11]) muestra varios perfiles de acceso a un sistema satélite bidireccional DVB-RCS adecuado para empresas pequeñas y usuarios residenciales. Perfil de acceso Hacia terminal kbit/s (max) Hacia terminal kbit/s (min) Retorno kbit/s (max) Retorno kbit/s (min) No disponibilidad 0,10% 0,10% 0,10% 0,10% 0,10% 0,10% 0,10% 0,10% Actividad en la hora 20% 20% 20% 25% 25% 25% 30% 30% cargada Tabla 1. Perfiles de acceso al sistema DVB-RCT. El porcentaje de no disponibilidad estima el porcentaje de tiempo de cada mes durante el cual las velocidades mínimas anteriores no pueden cumplirse debido a condiciones meteorológicas adversas, congestión y fallos de la red. Validez para otros servicios: La principal ventaja de las redes satélite es su capacidad eficiente de difusión de información en áreas muy extensas, permitiendo el acceso desde áreas rurales u otras donde no existen redes

16 alternativas, con coste independiente de la distancia dentro de toda la zona de cobertura. Su limitación más considerable es el elevado retardo, que agregado a otros retardos de redes terrestres, puede afectar negativamente al funcionamiento de los servicios interactivos. Las redes satélites se consideran más adecuadas para distribución de TV frente a los servicios de acceso a Internet, así como para el establecimiento de redes privadas virtuales en el caso de empresas con muchas oficinas dispersas, en particular en áreas rurales. Utilizar este tipo de redes para únicamente canal de retorno sería muy costoso. En cuanto a seguridad, el acceso al satélite plantea problemas similares a los de otras redes radio, en particular en el enlace de bajada. Por ello, será necesario aplicar mecanismos generales de seguridad como cortafuegos, protocolos de seguridad (IPsec, SSL), tarjetas inteligentes, etc. [13] Escalabilidad 5 : Como en otros sistemas inalámbricos, el despliegue de los terminales satélite es rápido, pero la disponibilidad de espectro de frecuencia limita la capacidad total del sistema. Una vez dispuesta la infraestructura de acceso (el satélite o transpondedores alquilados, la estación terrestre y los accesos a otras redes), pueden instalarse terminales rápidamente en cualquier punto dentro de la zona de cobertura que tenga visión directa con el satélite. Sin embargo, excepto para aplicaciones unidireccionales (ej. distribución de TV), el número de usuarios que se puede atender viene limitado por la capacidad disponible en la interfaz radio, normalmente en el enlace ascendente. En junio de 2001 [14] existían 200 satélites de comunicaciones comerciales con una capacidad total de 260 Gbit/s, lo que da una capacidad media de 1,3 Gbit/s por satélite. Los cálculos generales [15] sobre límites de capacidad en función del número de satélites, altura de las órbitas, potencia transmitida y área de la antena receptora, suponiendo terminales con antenas de 1 2 m y potencia 10 W, se podría alcanzar una capacidad teórica máxima en sentido ascendente de unos 120 Gbit/s por cada satélite geoestacionario, a compartir entre todos los 5 [6]

17 terminales del sistema. Con constelaciones de satélites en órbitas bajas podrían alcanzarse incluso capacidades superiores. No obstante, aunque la capacidad potencial de las redes satélite futuras sea bastante mayor que la de las existentes, es muy limitada si la comparamos con las redes basadas en cable o en fibra óptica. Factores medioambientales, meteorológicas y topográficos: Los sistemas con funcionamiento en bandas de frecuencia Ku y Ka están sujetos a atenuación por lluvia. Además se producen cortes cuando el Sol pasa por el campo de visión de las antenas que apuntan al satélite, debido a la emisión del Sol de energía electromagnética en la bandas utilizadas por los satélites. Estos cortes son predecibles y ocurren en los equinoccios de primavera y otoño cuando el Sol está sobre el Ecuador. Cada satélite se ve afectado una vez al día por este fenómeno, normalmente durante menos de 8 minutos. Los terminales necesitan tener línea de visión directa con el satélite, por lo que no pueden instalarse en lugares donde esta línea queda bloqueada por edificios u otros obstáculos. Existen reglamentos que establecen condiciones de protección del dominio público radioeléctrico, restricciones a las emisiones radioeléctricas y medidas de protección sanitaria frente a emisiones radioeléctricas [16].

18 2.2 Cable Podemos destacar dentro de las características ideales que ha de tener un sistema de cable coaxial las siguientes: Que disponga de la exclusividad de una zona del espectro radioeléctrico, no compartida con otros servicios y libre de interferencias. Que permita el empleo de los aparatos de televisión convencionales utilizados para la recepción de los canales emitidos por radiodifusión y según la normativa existente. Esto requiere que los canales lleguen a las acometidas de los abonados con la modulación AM-VSB (modulación en amplitud, banda lateral vestigial) habitual y, dentro de las frecuencias asignadas a los canales de televisión. En este sentido también se puede señalar que el cable coaxial tiene una función de transferencia que presenta atenuación creciente con la frecuencia. Si consideramos el empleo exclusivo de cable coaxial, los límites prácticos de utilización alcanzan un ancho de banda de 1 GHz [6]. Las limitaciones en la planta coaxial están provocadas por las imperfecciones de sus componentes, dando origen a dos tipos de perturbaciones: coherentes y no coherentes. Las fuentes de perturbación coherentes son diversas: señales exteriores que consiguen introducirse en el cable a través de imperfecciones en blindajes, conectores, etc.; reflexiones de línea por desadaptaciones de impedancia en el cable coaxial; y, quizás las más importantes, las intermodulaciones y modulaciones cruzadas que se producen debido a las no linealidades de los amplificadores y repetidores de los sistemas coaxiales. Este tipo de interferencias resulta ser el más molesto para el usuario de televisión por su repercusión en la calidad de la imagen. En cuanto a las fuentes de perturbación no coherente, la principal es el ruido térmico presente en cualquier sistema de comunicaciones. Estas limitaciones son aditivas y determinan las prestaciones máximas del sistema: el número de repetidores entre la cabecera y el usuario (que equivale a la distancia en kilómetros) y el ancho de banda que se puede alcanzar (a más repetidores, más interferencia, menos canales utilizables y menos ancho de banda).

19 En la Figura 4 se representa una red de distribución de televisión por cable coaxial. Al observar la figura se pueden distinguir las siguientes partes en una red de cable: la red de transporte, la red de troncal (trunk network), la red de distribución (feeder network) y la acometida (drop). De todas ellas, solamente las tres últimas forman parte de la red de acceso de un sistema de cable, motivo por el cual se tratarán con detalle en los apartados posteriores. Figura 4. Red de distribución de televisión a través de cable. La red troncal en un sistema coaxial convencional puede suponer un 12% de la longitud total de cable desplegado. Utiliza los coaxiales de mayor diámetro (menor atenuación), con amplificadores cada m que, debido a que sólo tienen que compensar las pérdidas del cable, no tienen que ser de gran ganancia, con lo cual se obtiene menor distorsión [6]. La red de distribución, en cambio, tiene que proporcionar la energía que se deriva hacia cada usuario, a la vez que compensar las pérdidas de cable. Por ello, las distancias máximas suelen ser inferiores a los dos kilómetros. Este segmento de la red constituye alrededor de un 38% de la longitud total de cable desplegado, con lo que se utiliza cable de menor diámetro (más barato) que en la parte troncal. Los amplificadores son de gran ganancia, a fin de compensar la energía derivada hacia los usuarios, siendo los que introducen mayor distorsión. Finalmente, está la acometida hasta la casa del usuario, que se hace mediante derivaciones desde el cable de distribución, con un cable coaxial flexible (de unos 40 m). La longitud de cable de

20 esta porción viene a constituir la mitad de la longitud total de la planta de cable. Los defectos en el cableado y conectores de esta parte de la red constituyen el principal foco de captación de perturbaciones en la red de cable. La calidad final que el usuario puede percibir depende sobre todo de la calidad de esta acometida, así como de la de los dispositivos utilizados para la recepción. Con referencia a éstos cabe señalar que uno de los problemas más habituales es el blindaje inadecuado de los sintonizadores de los TV o de los VCR. Las redes HFC, introduciendo transmisión por fibra óptica en la red de acceso, rebajan las perturbaciones, principalmente las coherentes, introducidas por las cadenas de amplificadoresrepetidores. El empleo de fibra en la distribución de señales de TV ha sido posible gracias al desarrollo de láseres con características de linealidad suficientes para producir distorsiones mínimas en las señales AM-VSB a transportar. La introducción de la fibra permite que las distancias a cubrir, sin amplificadores, aumenten considerablemente, pudiendo alcanzar del orden de 100 km. Esto permite diseños de red con mayor cobertura desde la cabecera, reduciéndose el tamaño de las áreas de distribución, con la consiguiente disminución del número de amplificadores y de las perturbaciones que estos introducen. Gracias a ello, se favorece el aprovechamiento del ancho de banda hasta explotar los límites del coaxial (1 GHz). Además de poner en disposición un mayor el ancho de banda para la distribución de la TV, las redes HFC han hecho posible la transmisión de información desde el usuario hacia la cabecera. Esto se consigue por división en frecuencia, convirtiendo los amplificadores del coaxial en bidireccionales, dedicando la parte baja del espectro (de 5 a 50 MHz aproximadamente) en transmisión en sentido ascendente (de usuario a cabecera). En una red puramente coaxial las perturbaciones en este canal de retorno serían la suma de las provenientes de todos los abonados del sistema, haciéndolo inservible salvo en el caso de redes muy reducidas. En estas redes, las posibles interferencias quedan reducidas a los tramos donde persiste el cable coaxial, de manera que sólo comparten ancho de banda usuarios servidos por cada tramo. El hecho de convertir la red HFC en un medio bidireccional, teniendo en cuenta los anchos de banda disponibles en ambos sentidos, y el número de usuarios en un tramo de coaxial, permite desplegar redes de telecomunicación multiservicio (telefonía, datos, TV) efectivas. En la Figura 5 se muestra el esquema de una red HFC bidireccional.

21 Figura 5. Esquema de red de cable bidireccional. Estructura y elementos de red 6 : En este apartado se describen los principales elementos de red que componen una red de distribución de TV HFC. Cabecera: Su principal función es combinar las distintas fuentes de programación, ubicándolas en los canales del espectro del cable, con la modulación de los receptores analógicos convencionales. En la actualidad los nuevos de operadores de cable nacen como operadores multiservicio, proporcionando además telefonía y servicio de datos (Internet de Alta velocidad). Estos servicios se proporcionan mediante la red coaxial a usuarios residenciales o incluso directamente con fibra en el caso de abonados de negocio, lo que requiere bidireccionalidad en la red de fibra-coaxial. Esto se consigue utilizando división en frecuencia, empleando la banda de 5 a 50 MHZ en sentido ascendente, desde los usuarios, equipados con módems de cable, 6 Todo el epígrafe extraido de [6].

22 hasta las terminaciones óptico-eléctricas. Desde éstas hasta la cabecera la información ascendente se envía normalmente por una fibra punto a punto. En la Figura 6 se muestra la estructura de una cabecera HFC multiservicio. En este ejemplo se considera el empleo de técnicas por división en el tiempo (TDM) para proporcionar telefonía. Para el acceso de datos se usa también la banda de 5 a 50 MHz en sentido ascendente, así como la banda por encima de los 550 a 860 MHz en sentido descendente. El elemento que recibe y envía los flujos de datos en la cabecera es el CMTS (Cable Modem Termination System). Este dispositivo realiza la codificación, modulación y gestión de acceso al medio compartido por los módems de cable, proporcionando una interfaz Ethernet. Esta interfaz se conecta a un conmutador Ethernet que interconecta el resto de dispositivos de datos requeridos en la cabecera: Un servidor AAA (Authentication, Authorization and Accounting), para control de acceso y tarificación; un servidor de contenidos locales y de caching para las paginas más accedidas; y un router que, además de las funciones habituales de encaminamiento, proporciona la terminación de línea hacia la red de datos. Figura 6. Estructura de cabecera HFC multiservicio. Red troncal:

23 Las redes troncales son redes ópticas con una topología a dos niveles, lo que permite la cobertura económica de una gran área. En la Figura 7 se muestra un diagrama de referencia de una red troncal, centrado en la parte de transmisión hacia los usuarios. Figura 7. Diagrama de referencia de una red troncal (canal ascendente). Por lo que respecta a los trayectos de transmisión de usuario a cabecera en la red troncal, una primera solución consiste en mantener los dominios de compartición del ancho de banda ascendente dentro del área atendida por un TRO. El canal descendente (potencialmente de mayor ancho de banda potencial) se comparte por todos los abonados de la red. Esta sencilla configuración solamente requiere instalar un transmisor óptico en sentido ascendente en el TRO, un amplificador en el nodo primario y tiradas de fibra punto a punto entre cada TRO y la cabecera (con un punto de amplificación en el nodo primario, tal como se muestra en la Figura siguiente. La solución anteriormente expuesta sólo es aceptable en redes muy pequeñas, ya que la compartición de la capacidad de bajada entre todos los usuarios de la red (entre decenas y cientos de miles en redes grandes) no proporciona los anchos de banda requeridos. En caso de que los nodos primarios atiendan a miles o decenas de miles de usuarios, la solución más adecuada y extendida en la actualidad consiste en utilizar CMTS/HDT en cada nodo primario, accediendo a ellos a través de una red de transmisión convencional (por ejemplo, SDH

24 sobre fibra), manteniendo los servidores en la cabecera. En esta solución, el dominio de compartición de ancho de banda ascendente sigue siendo el TRO. En sentido descendente, el dominio de compartición se establece por nodo primario, en vez de sobre la red en su totalidad. Además el número de fibras requeridas entre los nodos primarios y la cabecera se reduce. Esta solución se muestra en la Figura 8. Nuevamente, la tendencia actual se dirige a la ubicación de funciones CMTS y HDT en la cabecera (head-end consolidation), utilizando técnicas DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) en sentido descendente y de apilamiento de frecuencias FSS (Frequency Stacking System) en sentido ascendente. En esencia, se trata de enviar desde la cabecera el caudal descendente de servicios interactivos en una longitud de onda. De esta manera, la información contenida en esa longitud de onda, combinada con el canal descendente de TV se envía a un TRO (o grupo de TROs, dependiendo de la penetración de los servicios). En sentido ascendente, la banda de 5-50 MHz de varios TRO se desplaza en frecuencia, de manera que se forma un múltiple por división en frecuencia, que se puede usar para modular una longitud de onda, que a su vez se multiplexa en WDM en una fibra en sentido ascendente [17]. Figura 8. Otro diagrama de referencia para una red troncal. Red de distribución:

25 Los principales componentes de una red de distribución HFC de cable coaxial son los siguientes: Activos: amplificadores de línea cuyo diagrama simplificado puede verse en la Figura 9. Sus características más importantes son: - En sentido descendente, se debe cumplir requisitos muy estrictos para el ancho de banda a amplificar ( MHz) y para la potencia suministrada (debido a la importante atenuación del cable a estas frecuencias y las múltiples derivaciones que pueden existir hacia los usuarios). Por este motivo, se utilizan configuraciones de amplificación en paralelo o feed forward. - Por el contrario, en el sentido ascendente pueden utilizar configuraciones más sencillas en push-pull (menos ancho de banda en la parte baja del espectro). - Los amplificadores de línea se telealimentan desde el TRO, normalmente en tensión alterna. Disponen también de una fuente de alimentación interna y proporcionan continuidad de alimentación hacia el siguiente extensor, si existe. Pasivos: los principales elementos son los taps que derivan parte de la energía que circula por el coaxial hacia las terminaciones donde se conectan las acometidas de usuario. Las derivaciones se presentan en configuraciones multiterminal de dos, cuatro u ocho salidas. Otros elementos pasivos son los divisores de potencia para derivar ramales coaxiales. Figura 9. Amplificadores de línea para la red de distribución.

26 Equipos de Abonado: Unas de las principales ventajas de este tipo de canal de retorno son la mejora de presentación y las facilidades de interacción que se ofrecen al usuario, desarrollando aplicaciones que manejan la información de sistema, y los flujos de datos que transportan los múltiplex. Por todo esto, los equipos de abonado soportan aplicaciones programadas que proporcionan los servicios finales. Estas aplicaciones se desarrollan sobre plataformas de programación y que actualmente se basan en el empleo de interfaces de programación de aplicaciones (API). Así, esta definida la especificación Multimedia Home Platform (MHP), basada en JAVA, que proporciona APIs para el desarrollo de aplicaciones compatibles entre equipos de diversos suministradores [18]. Dado el enorme mercado existente de televisores analógicos, la aproximación más extendida es la utilización de adaptadores (set-top boxes) entre el dominio digital y el receptor analógico. El siguiente paso es la integración de estas funciones en un receptor de televisión digital. La función de un módem de cable (CM) es convertir la red de cable CATV en una vía transparente para el transporte de datos a alta velocidad. En realidad, los módems funcionan como pasarelas (gateways), pasando de un protocolo Ethernet al protocolo utilizado en la red de cable. En cabecera se hace el proceso de conversión inverso, realizándose además ciertas funciones de control sobre el sistema. El módem de cable, junto con el equipo de cabecera, implementa los niveles físico y de control de acceso al medio (MAC). Características del Nivel Físico: Las redes de TV por cable explotan un gran ancho de banda, por lo que son sistemas intrínsecamente FDM (Frequency Division Multiplexing). El canal de retorno, aunque de menor capacidad, también sigue una estructura FDM.

27 Los módems de cable son sintonizables automáticamente, es decir, pueden transmitir y recibir señales en cualquiera de las frecuencias de los canales ascendentes y descendentes. Las portadoras emitidas desde cabecera o descendentes se colocarán junto con los canales de TV difundidos, en cualquier espacio libre entre 50 y 860 MHz. La ubicación de las portadoras ascendentes resulta más complicada debido al abundante ruido en esta zona del espectro, así como a la existencia de otros servicios como la telefonía o la TV interactiva. Estos sistemas crecen en función de la demanda. Al poner en marcha un servicio, en principio se habilita una sola portadora descendente y otra ascendente, a las que estarán sintonizados todos los usuarios. A medida que crece el número de usuarios, se habilitan más portadoras entre las que se reparten todos los abonados. El módulo de cabecera indica a cada módem qué par de portadoras ha de sintonizar. Si se detecta una degradación de los parámetros de calidad de alguna de ellas (interferencias, alto nivel de ruido, exceso de tráfico etc.), se puede indicar a los módems que pasen a ocupar una portadora distinta. Estas tareas se realizan con herramientas de gestión de red que desde cabecera evalúan un conjunto de parámetros y dinámicamente efectúan cambios. En sentido descendente, en la especificación DOCSIS 1.1 para Europa, los canales de datos se pueden encontrar en el rango de frecuencias entre 112 y 858 MHz. Los datos se organizan en paquetes MPEG-Transport Stream, de 188 octetos por paquete (los mismos que se usan en TV digital), con una cabecera específica para datos, lo que permite la multiplexación de datos y vídeo/audio en un mismo canal. Las modulaciones empleadas son de 64- y 256-QAM; que sobre un canal de 8 MHz permite una velocidad de símbolo de 6,952 Msimb/s, equivalente a una tasa de bit bruta de 41,7 Mbit/s y 55,6 Mbit/s. Prestaciones 7 : Las portadoras digitales del canal de retorno entre 5 MHz. y 45 MHz están fuertemente influidas por dos parámetros. Se trata del nivel de ruido y el ruido ingress. Las fuentes de este último son causadas por: señales de telefonía móvil, señales de radio, la red eléctrica del usuario, motores 7 Información extraida de [6].

28 eléctricos etc. Este efecto externo se considera acumulativo con el nivel de ruido, siendo imposible su eliminación completa. En el canal ascendente, las señales provenientes de cada usuario junto con el ruido de los elementos que atraviesa (amplificadores, distribuidores, conectores etc.), se van agregando y acaban convergiendo en un único punto en el que se produce un efecto chimenea, que aumenta con el número de usuarios. El ruido generado por los aparatos electrodomésticos, añadido al propio del cable, limita el tamaño de los nodos ópticos. Para reducir los efectos de ruido existen varias alternativas. Como primera posibilidad se considera monitorizar el estado del canal, cambiando automáticamente de canal si la calidad cae por debajo de un cierto umbral. Otras soluciones pueden ser la reducción del ancho de banda del canal o el cambio de esquema de modulación cuando la ocupación del canal ascendente es alta. Estas soluciones conllevan un deterioro de la calidad de servicio (menos velocidad), pero evitan que el usuario experimente interrupciones. En las redes de cable hay que tomar ciertas medidas de seguridad ya que, en principio, cualquier usuario podría escuchar la información transmitida a otro usuario. Para resolver este problema, los sistemas de módems de cable incluyen una serie de mecanismos para la seguridad: control de acceso basado en alta previa de la dirección IEEE MAC en la cabecera, cifrado de los datos con DES y gestión remota basada en el empleo de claves secretas. La capacidad nominal máxima en el canal de retorno es de 5 Mbit/s en la especificación DOCSIS 1.0, de 10 Mbit/s en DOCSIS 1.1 y de 30 Mbit/s en DOCSIS 2.0. En la práctica se observa sin embargo que el caudal efectivo suele estar entorno a los 2 Mbit/s. Esto se debe a que el caudal efectivo depende de la modulación empleada y de la relación señal/ruido (CNR). Por otro lado, ha de tenerse en cuenta que muchos operadores con implantación nacional desde hace 4 ó 5 años, tienen equipos propietarios que no siguen el estándar DOCSIS. La capacidad nominal en el canal descendente es de 55,6 Mbit/s (para canales de 8 MHz), con un caudal efectivo de aproximadamente 30 Mbit/s. A modo de ejemplo, a continuación se resumen las especificaciones del canal retorno de un fabricante: a) capacidad nominal 2,56 Mbit/s en el canal 1,8 MHz, b) caudal útil 1,92 Mbit/s, c) rango de operación 5-40 MHz, d) modulación QPSK, e) cifrado DES con 40 bits ó 56 bits, f) BER de 9 10 a 16 db CNR.

29 Para el canal descendente, el mismo fabricante proporciona los siguientes datos: a) capacidad nominal 30,336 Mbit/s en el canal 6 MHz, b) caudal útil 23,9 Mbit/s, c) rango de operación MHz, d) modulación 64-QAM, e) cifrado DES con 40 bits ó 56 bits, f) BER CNR a 23 db En el caso de usuarios empresariales, es posible proporcionar un ancho de banda fijo o garantizado (CBR), pero poco significativos en cuanto a cantidad. La interactividad se trata de funciones básicas, para las que se requiere poca capacidad en el canal ascendente (o incluso nula, ya que la interactividad puede proporcionarla el propio set-top box en modo carrusel, efectuando la selección el usuario mediante una especie de menú de teletexto). Para servicios de pago (acceso condicional) en el caso de TV digital es necesario un set-top box que, además de las funciones de demodulación y decodificación, incorpore funciones específicas para acceso condicional. Los servicios interactivos tales como juegos, teletexto interactivo, telecompra, videojuegos interactivos, requieren interactividad y tiempos de respuesta pequeños entre los usuarios de la red. Como se ha indicado, las redes de cable son capaces de proporcionar interactividad. En cuanto a los tiempos de respuesta, resulta factible mantenerlos dentro de los márgenes requeridos por este tipo de aplicaciones. Escalabilidad: La topología de las redes HFC permite la progresiva ampliación del sistema en función de la demanda de utilización del canal de retorno. La solución consiste en ir reduciendo el número de abonados que comparten cada canal de retorno a medida que crece el tráfico. Así, por ejemplo, se puede partir de una situación inicial con 200 usuarios rama de cable coaxial. En caso de que aumente el volumen de tráfico en el canal de retorno, esta cantidad puede reducirse a 100 usuarios.

30 Para efectuar esta reducción, es necesario ir aproximando cada vez más la fibra óptica hacia los usuarios, con lo que el tamaño del nodo óptico se reduce y, por tanto, el número de abonados que comparten cada canal de retorno. Alternativamente, existe la posibilidad de incrementar la capacidad de las fibras mediante el empleo de DWDM, que permite la utilización de varias longitudes de onda (hasta varios centenares) sobre una fibra. Con esta filosofía se consigue un sistema escalable en número de usuarios. En la Figura 10 se ilustra la aplicación práctica de los conceptos que se acaban de describir. Figura 10. Esquema de red desde cabecera hasta usuarios. Otra posible medida para aumentar el ancho de banda disponible para cada usuario sería llevar la fibra óptica hasta al hogar del abonado, a medida que la demanda de nuevos servicios multimedia (audio y video) así lo requiera. Actualmente, sin embargo, se trata de una solución no factible por motivos económicos. Factores medioambientales, meteorológicas y topográficos:

31 Las redes HFC, y en general las redes de cable, al ser instalaciones subterráneas no causan ningún impacto medioambiental, ni ningún tipo de radiaciones o emisión hacia el exterior. Por la misma razón, los cambios meteorológicos no influyen en estas redes HFC. Los equipos del usuario final, al estar en el interior de los edificios, tampoco se ven afectados por las condiciones medioambientales. Si algunos equipos de amplificación y distribución de las señales se encontraran a la intemperie se deberían acondicionar.

32 2.3 Televisión Digital Terrestre El objetivo del sistema DVB-RCT 8 es ofrecer a los emisores un canal de retorno inalámbrico para ser desarrollado junto con la plataforma de Televisión Digital Terrestre (DVB-T). DVB concluyó su especificación en Abril de 2001, y el ETSI lo ratifico y publico en Marzo de 2002 (como EN v ( ) y ITU-R (International Telecom Union) recomendaba al sistema DVB-RCT como el canal de retorno preferible para el DVB-T. La especificación DVB-RCT [19] define un canal interactivo de bajada (hacia el usuario) utilizando el MPEG TS y un canal de retorno utilizando técnica de acceso OFDMA y transporte ATM en una banda de 6, 7 u 8 MHz. El canal a su vez puede ser dividido en bandas de 1 MHz entre distintos operadores. Se definen sistemas de ó portadoras, con distintos espaciados entre las mismas, existiendo también distintas opciones de sistemas de modulación (QPSK, 16-QAM, 64-QAM), distintas opciones de intervalos de guarda (1/4, 1/8, 1/16, 1/32) y protecciones de codificación (1/2 y 3/4). El ancho de banda se asigna desde la emisora a los usuarios por partición tanto en el tiempo como en la frecuencia. Resumiendo: - La tasa de bits puede ir desde unos 0,6 kbit/s por portadora hasta 15 kbit/s por portadora. Esto daría un máximo teórico de unos 31 Mbit/s, pero en este caso el alcance estaría en unos 600 m. A efectos prácticos, y para obtener una cobertura que concuerde con las coberturas de la difusión de TV, podríamos estar en el orden de algunos kbit/s por usuario, al que se le asignarían varias portadoras. - Se utiliza la misma banda de UHF que para distribución. Tambien se sugieren los canales 67 y 68. Estos canales se pueden asignar por ejemplo en subcanales de 1 MHz a distintos operadores. Además el área cubierta puede ser a su vez subdividida. - La potencia transmitida por el terminal de usuario es reducida (0,5 W rms), utilizando las mismas antenas que la TV y soportando portabilidad e incluso movilidad. - La arquitectura del sistema se ha diseñado para tener bajos estados de latencia y soportar gran número de interacciones cortas ( por segundo). 8

33 En la Figura 11 se muestra el modelo de referencia para la interactividad en sistemas terrestres. Figura 11. Modelo de referencia para interactividad en sistemas terrestres. Este diagrama de referencia, además de incluir los elementos nuevos requeridos por la interactividad por canal de retorno, como el módulo de interfaz interactiva, el adaptador de red interactiva y el proveedor de servicios interactivos, indica la decisión del DVB de que el canal interactivo hacia el usuario vaya embebido como flujo de datos en los MPEG-2 TS. Se pueden hacer varias consideraciones sobre el modelo de referencia de la figura anterior y lo descrito sobre las estructuras de las redes de distribución de TDT. En primer lugar, en las redes de cobertura nacional la porción reservada en el múltiplex para datos, en el caso español un 20% de la capacidad total, unos 4 Mbit/s, no es suficiente para un servicio punto a punto dado el número de potenciales usuarios. En consecuencia el esquema a utilizar es el de carrusel de datos y el canal interactivo sirve para interacciones cortas sobre los contenidos de la programación o del carrusel de datos, por ejemplo votaciones, apuestas, concursos, etc. Utilizando redes alternativas, el módulo de adaptación de red interactiva se colocará en un punto centralizado, probablemente en la misma localización que el codificador MPEG si el servicio interactivo es suministrado por el mismo agente del servicio de difusión de TV. En cualquier caso, por su propia naturaleza, los sistemas de televisión digital terrestre encuentran su aplicación en situaciones de descarga de datos o datacasting. Un posible ejemplo sería un servicio en el que se anuncia por difusión normal a los usuarios que se puede descargar un vídeo

34 o un disco de audio, los interesados piden la descarga por el canal de retorno, se distribuyen las claves necesarias para el acceso condicional y, por último, se descarga en datacast el producto a todos los solicitantes. En el otro extremo se tiene el caso de las redes locales, donde se sitúan en el mismo punto de red el remultiplexor de MPEG y el módulo de adaptación de red interactiva. Aquí cabría pensar en la utilización de una porción del caudal asignado a datos para dar un acceso interactivo individual en áreas donde no exista otro tipo de acceso. Esta aplicación puede resultar atractiva en ciertos escenarios. Las redes regionales estarán en una situación intermedia entre los dos casos comentados. Cuando el canal de retorno utiliza la propagación por ondas terrestres el módulo de adaptación de red interactiva se ubicará en las localizaciones de los moduladores (y en este caso demoduladores) de COFDM, utilizando una red de transporte de datos hasta el proveedor de servicios interactivos, que se encontrará situado en el punto de confección de los múltiplex MPEG. Dependiendo de los casos, puede obtenerse una mejora de funcionalidad en el caudal de retorno en comparación con las tecnologías alternativas. COFDM: En Europa se ha escogido como sistema de transmisión COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing), que es una combinación de una modulación de múltiples portadoras, OFDM, con una potente codificación encadenada para corrección de errores. La especificación proporciona una gran flexibilidad para permitir por un lado el intercambio de alcance y ancho de banda y, por otro, una utilización eficiente del espectro (UHF) permitiendo el diseño de redes isofrecuencia o SFN (Single Frequency Network), ya que la técnica COFDM consigue que, dentro de ciertos límites de retardo, la recepción desde varios transmisores trabajando en la misma frecuencia beneficie a la recepción. El ancho de canal recomendado en Europa es de 8 MHz, aunque la especificación también admite las opciones de 7 y 6 MHz. Resumiendo, los parámetros que se pueden configurar en un sistema COFDM son [20]:

35 Número de portadoras. DVB define dos modos: 8k (8192 portadoras teóricas, 6817 reales) y 2k (2048 teóricas, 1512 reales). Como el ancho de banda es fijo y el espacio entre portadoras para mantener la ortogonalidad es la inversa de la duración del símbolo, la duración del mismo es de 896 µs en el caso de 8k y de 224 µs en el caso de 2k. Por un lado, el número de portadoras influye en la complejidad de los receptores, que implementan Transformadas Rápidas de Fourier (FFT), más compleja la 8k-FFT y menos compleja la 2k-FFT. Pero, por otro lado, la transmisión de símbolos de mayor duración hace que el sistema sea más robusto y permite mayores intervalos de guarda, facilitando la creación de redes isofrecuencia grandes. Intervalo de guarda. Se definen 4 valores de intervalo de guarda: 1/4, 1/8, 1/16 y 1/32. Es el tiempo que se añade al tiempo de transmisión del símbolo para permitir que todos los ecos o transmisiones distantes con la misma información se extingan. Cuanto mayor sea el intervalo de guarda, mayor será la distancia que se puede cubrir por emisor en una red isofrecuencia. La Tabla 2 resume los valores de los intervalos de guarda. Proporción Intervalo de Guardia Duración Intervalo de Guardia(Modo 8k) Duración Intervalo de Guardia(Modo 2k) µs 112 µs 56 µs 28 µs 56 µs 28 µs 14 µs 7 µs Tabla 2. Valores de Intervalo de guardia vs. Duración. Tasa de codificación. La potencia de aplicación de la COFDM proviene de la robustez que se consigue con los códigos de protección contra errores. A la codificación utilizada en los sistemas por cable y satélite la TDT añade codificación interna (Rate Compatible Punctured Convolutional y entrelazado interno). Todo esto da origen a las tasas de codificación entre las que se puede escoger dependiendo de las condiciones de transmisión: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 y 7/8. La tasa de 1/2 es la de mayor redundancia: significa que de cada dos bits transmitidos uno es de información y otro de redundancia. En el otro extremo la tasa menos protegida es la 7/8: 7 bits de información y 1 de redundancia. El método de modulación. Todas las portadoras pueden modularse con uno de tres métodos, nuevamente dependiendo de las condiciones de transmisión esperadas: QPSK, el más robusto, 16-QAM, intermedio, y 64-QAM, el menos robusto. Adicionalmente se puede realizar una modulación jerárquica para evitar el efecto acantilado de las modulaciones digitales, que consiste en que no existe una degradación paulatina de la calidad según se degrada la relación

36 señal ruido, sino que se produce una pérdida abrupta del servicio. La modulación jerárquica consiste en tener dos caminos para la misma información del símbolo, uno con la codificación y el método de modulación más robustos, y consecuentemente con la menor tasa de bits, y otro con mayor tasa de bits pero menos robustez. Así, en condiciones de transmisión malas el receptor puede escoger degradar la calidad pero manteniendo el servicio. La TDT tiene como principal objetivo un uso eficaz del espectro, de forma que se pueda cubrir un extenso territorio (por ejemplo, un país) con una sola frecuencia. Precisamente el manejo de los intervalos de guarda permite este tipo de cobertura. Como contrapartida esto exige que todas las emisoras estén perfectamente sincronizadas, tanto en tiempo, a nivel de bits (para ello se usa el reloj de 10 MHz del sistema GPS), como en frecuencia. Se pueden considerar cuatro clases de redes SFN [21]: SFN de gran cobertura, con muchos transmisores de alta potencia, muy espaciados. SFN regional, con pocos transmisores de alta potencia, muy espaciados. Red MFN con redes SFN locales densas alrededor de cada emisor MFN. Normalmente se trata de un emisor ya existente con un número de emisores SFN de potencia y espaciados medios. SFN de relleno (gap fillers) con transmisores de baja potencia para dar servicio en zonas de difícil cobertura. Para los dos primeros tipos de redes se requiere el modo 8k, mientras que para los otros se puede usar también el modo 2k, dependiendo de las distancias a cubrir. El término alta potencia es relativo a las emisiones SFN entre sí, ya que comparando con la radiodifusión analógica, la emisión digital requiere menos potencia y tiene además un espectro más uniforme. Con ello se consigue el objetivo de coexistir con las emisiones analógicas, ya que por un lado los niveles de potencia de las digitales hacen que ésta no produzca interferencias en las emisiones analógicas y, por otro, las protecciones contra errores de las emisiones digitales las defienden de las interferencias de las analógicas sobre ellas. Redes de distribución primaria para televisión digital Terrestre:

37 Antes de adentrarse en los mecanismos utilizados para transmisión de señales digitales se explican algunas de las ventajas de las redes multifrecuencia (MFN), que han hecho que países como el Reino Unido las hayan preferido al menos para las primeras etapas del despliegue de la televisión digital terrestre [22]: Las MFN siguen los métodos utilizados para la planificación de TV analógica; el problema se resume en encontrar canales UHF libres y no interferibles en cada área de cobertura. Por el contrario en SFN es requisito encontrar un canal libre y no interferente en todo un país (si se trata de cobertura nacional). Si los canales encontrados al diseñar una MFN están cubiertos con los canales utilizados para la TV analógica, las antenas diseñadas para las longitudes de onda en cuestión, tanto de los emisores como de los receptores, pueden ser las mismas (así como el cableado de las viviendas). Encontrar canales libres para SFN implica a veces ir a las zonas de alta frecuencia del espectro UHF. No obstante, la gran ventaja de utilizar un único canal para la cobertura de una zona muy grande con la consiguiente economía de espectro, hace que muchos países, entre ellos España, opten por las redes SFN. La Figura 12 muestra el esquema de una red de distribución con las adaptaciones necesarias para conseguir estos estrictos requisitos. Figura 12. Esquema de red de distribución.

38 El bloque más importante es el Adaptador SFN, que forma una megatrama que consiste en n paquetes MPEG TS correspondientes a 8 tramas COFDM en modo 8k y 32 en modo 2k, insertando paquetes de inicialización de megatrama (MIP). La función más importante de estos MIP es llevar marcas de tiempo (Synchronization Time Stamps), que se codifican como la diferencia de tiempo entre el último impulso de la referencia de un impulso por segundo y el primer bit de comienzo de la megatrama. Por otro lado el sistema de sincronismo que precede a los moduladores COFDM es el que compensa los tiempos de propagación por la red de distribución, añadiendo un retardo adicional que se calcula comparando la marca de tiempo con su referencia de tiempo local. La figura anterior representa una red SFN de cobertura nacional, en la cual habría un codificador MPEG-2 que compone los TS que se distribuyen en todo el país; o una red regional, donde, por ejemplo, en un remultiplexor se combinarían los programas de ámbito nacional con la programación de ámbito regional, siendo el remultiplexor el encargado de modificar las tablas de Sistema DVB/MPEG para reflejar esta nueva composición. Análogamente podría representar la situación de un operador de ámbito local. En principio las redes SFN pueden reutilizar los emplazamientos de antenas existentes, aunque hay que dotar a los emisores de nuevos canales. Las antenas emisoras y receptoras son susceptibles de reutilización o no dependiendo de la ubicación de los canales asignados a la televisión digital con respecto a la de los canales de TV analógicos, con los que tendrán que convivir durante un largo período de tiempo. Otro aspecto a gestionar es el número de programas que transporta un MPEG TS, así como el ancho de banda que ocupa cada uno de los mismos. En principio MPEG- 2 es un sistema de codificación de tasa variable, con lo que es posible efectuar una asignación dinámica de ancho de banda entre los flujos multiplexados. Aquí el problema se complica cuando los programas son suministrados por diferentes operadores, lo que hace casi imposible explotar esta facilidad; por lo cual se hace una asignación fija. Tomando como ejemplo el caso español, para la SFN de cobertura nacional se ha escogido un sistema 64-QAM 2/3, que da una tasa de 24,13 Mbit/s; definiendo 4 múltiplex en los que se puede reservar hasta un máximo del 20% para datos y el resto repartido en partes iguales entre 4 programas. Se ha definido una Red Global de cobertura Nacional (RGN) basada en la asignación de una red SFN en cada provincia con cinco programas para las emisoras

39 públicas y comerciales de ámbito nacional (TVE1, TVE2, Antena 3, Tele 5 y C+) y sin capacidad para datos. Prestaciones: A la hora de determinar los parámetros de capacidad, caudal y retardo inherentes a las técnicas de televisión digital terrestre se debe destacar en primer lugar con la flexibilidad intrínseca del sistema y la posibilidad de intercambiar velocidad por inmunidad frente al ruido y las interferencias. Los caudales efectivos varían entre los 5 Mbit/s para los sistemas más robustos y los 31 Mbit/s para los menos. Traducido a número de canales resultan capacidades de 4 canales más 4 Mbit/s para datos, 5 canales sin canal de datos como los normalizados en España, o los 6 canales del Reino Unido. Por lo que respecta al canal de retorno ofrece el equilibrio entre robustez y capacidad citada, con extremos de 31 Mbit/s, a compartir por un número de usuarios muy reducido en un radio de 600 m, a aproximadamente 1 Mbit/s, a compartir por el número de usuarios de un área típica de difusión de TV. La TDT soporta la recepción móvil a velocidades vehiculares, encontrándose en fase de experimentación en varias pruebas de campo. En este caso los sistemas mejores son los 2k, ya que, al tener las portadoras espectralmente más separadas en comparación a los sistemas 8k, son más inmunes al efecto Doppler. Sin embargo, otros factores como el espacio de guarda necesario para los sistemas SFN hacen que se prefieran los sistemas 8k. En cuanto a seguridad, es claro que si se introducen servicios dirigidos a usuarios individuales, como por ejemplo, comercio electrónico, se necesitan mecanismos de seguridad. En la actualidad tienen que ser soportados en las capas altas de la torre de protocolos. Validez para otros servicios:

40 Para el acceso a Internet, entendiendo el acceso a Internet de alta velocidad como el que es posible obtener con ADSL o módem de cable, por ejemplo, la respuesta es claramente negativa, debido al ancho de banda limitado a compartir por una gran cantidad de usuarios. Como excepción a esta afirmación general podría pensarse que las emisoras locales reservaran ancho de banda para dar un acceso a Internet a zonas remotas, siendo esta utilización social del espectro una decisión política, seguramente no justificable económicamente. La TDT sí puede ser un complemento de los accesos a Internet por otras vías, por ejemplo ADSL o acceso telefónico, para hacer multicasting masivo de datos, siempre que se disponga de ambos accesos, y proveedores de servicios de acceso a Internet y distribución de TV. Telefonía, servicios interactivos de baja latencia (ej. juegos) y profesionales (ej. videoconferencia, redes privadas virtuales) no son soportados con relativa calidad por la dificultad de cumplir los requisitos de latencia y velocidad que plantean estos servicios. Escalabilidad: Al ser la TDT fundamentalmente un sistema de difusión y estar diseñada para reemplazar a las actuales emisiones de televisión analógica, desde este punto de vista de difusión su escalabilidad es óptima, es decir, su cobertura viene determinada por factores geográficos y no de tráfico. Por el contrario, si se considera interactividad real con canal de retorno y envíos de información a abonados individuales, este sistema escala mal. La razón es que por cobertura geográfica el número de usuarios tiende a ser grande, mientras que las capacidades disponibles no hacen que el sistema pueda soportar fácilmente una suscripción masiva a un servicio que requiera una porción de este ancho de banda compartido. No obstante, y dentro de ciertos límites se ofrecen mecanismos para planificar esta interactividad: En el canal descendente y en el ascendente se puede realizar una sectorización mediante antenas directivas en los centros emisores.

41 En el canal descendente se puede segmentar el ancho de banda disponible en subbandas de 1 MHz para su reparto entre operadores o servicios (esto propiamente no escala en capacidad pero sí en posible oferta de servicios). En cuanto a los costes de operación y mantenimiento, por un lado la introducción de nuevos elementos en la casa de los usuarios, los set-top boxes, incrementa los costes de instalación y mantenimiento. Estos costes pueden ser aliviados en gran medida cuando sea posible realizar descargas de datos vía el múltiplex. Factores medioambientales, meteorológicas y topográficos: La televisión digital terrestre no requiere consideraciones ambientales específicas que supongan alguna novedad frente a la televisión analógica convencional. Los requisitos de propagación son similares y para cubrir zonas de sombra se ponen los denominados gap fillers donde en la actualidad se ponen re-emisores. También se prevé la utilización de gap fillers domésticos para mejorar la cobertura en el interior de viviendas o recintos de mala recepción. En la actualidad existen herramientas de planificación para el diseño de estas redes y campañas de medida con resultados publicados. Como se ha indicado en otras secciones, existe una diferencia entre la TV analógica y la digital, en el sentido que la recepción de TV digital es un resultado todo-nada, es decir, no tiene una degradación gradual de calidad como la analógica. Esto puede implicar que algunas zonas en los límites de las áreas de cobertura se comporten peor en un entorno digital y requieran nuevos re-emisores o gap fillers. Por otro lado, en redes SFN el intervalo de guarda se calcula en función de las distancias entre emisoras. En la propagación UHF se da un fenómeno consistente en que, en las condiciones climáticas en que se produce la inversión térmica, se pueden producir propagaciones a mayor distancia, fuera del área de cobertura normal, que interfieran con otras áreas. En el caso de una red SFN sería una emisión que llegaría fuera del intervalo de guarda. Aunque estos fenómenos son esporádicos, afectan también a la difusión analógica y se tienen en cuenta en los modelos de planificación, continuando los estudios y las campañas de medidas para evaluar sus efectos y refinar los modelos.

42 Proyectos ejecutados: Independientemente del reconocimiento internacional que adquirió rápidamente para los emisores de todo el mundo, fueron desarrollados diversos trabajos técnicos con el fin de hacer este sistema una realidad [4]: -Por el otro lado, el proyecto IM4DTTV ( Integrated Modem for Digital Terrestrial TV), creado por MEDEA+ (consorcio Europeo) y lanzado en Mayo de 2001, empezó a desarrollar componentes de silicio para construir el primer set top box para DVB-RCT. Además, empezó a desarrollar los aparatos necesarios para construir la infraestructura necesaria. El proyecto IM4DTTV ayudó tanto a validar la especificación desarrollando un prototipo de silicio VLSI para el terminal, como al desarrollo de las pruebas necesarias para definir la especificación antes de la validación por parte del ETSI. IM4DTTV creo además del prototipo una plataforma hardware que cubría todos los aspectos del sistema DVB-RCT, incluyendo a los terminales del usuario como del emisor. El trabajo realizado por parte del IM4DTTV se muestra en la Figura 13: Figura 13. Primer Set Top Box construido dentro del proyecto Medea+.

43 -El proyecto WITNESS ( Wireless Interactive Terrestrial Network System and Service ), creado por la Comunidad Europea y lanzado en Octubre de 2000, desplegó 2 plataformas de DVB-RCT en Dublín (Irlanda) y Rennes (Francia) para verificar el correcto funcionamiento tanto en zonas rurales como en urbanas, mediante pruebas de campo (Field Trials). La principal misión de este proyecto fue tanto validar la operación de este sistema como canal de retorno, para ello fueron desarrolladas diversas pruebas en Dublín y Rennes, como desarrollar la planificación del espectro y el intervalo de frecuencias. Las pruebas de campo realizadas en Rennes e Irlanda fueron hechas para verificar los rangos de cobertura del DVB-RCT y para verificar el comportamiento para receptores fijos o móviles. Figura 14. Fotos tomadas en las pruebas de Rennes y Dublín.

44 Una estación base, hecha por una antena para las transmisiones DVB-T y otra para las DVB- RCT, fueron diseñadas usando el prototipo desarrollado por IM4DTTV. En la estación base, fue colocado un aparato para la medición de la señal tanto de modulación como de demodulación. Esta medición será la encargada de proporcionar las principales medidas para su validación. A una furgoneta equipada con una antena telescópica de 10 m (con el objetivo de imitar a una antena como las desplegadas en las viviendas), se le añadió un terminal interactivo fabricado con un recibidor DVB-T y un emisor DVB-RCT. El aparato de medición de la estación base muestra al operador de la furgoneta los resultados de las transmisiones (nivel de señal, ) que son percibidas en la estación. El equipo de medición usado en la furgoneta se muestra en la Figura 15: Measurement system in the van WISI EE06 G61 et C55 G = 13 db iso Mast 10 m Cable 13 m A = 4 db DUPLEXOR DVB-T channel 61 Level Meter spectrum analyser GPS DVB - T receiver Directive ant G = 4 dbiso Att DVB-RCT channel 55 SFDMA MOD TV set Antenna whip G = 0 dbiso SFDMA MAC Figura 15. Sistema de medidas integrado en la furgoneta. Prueba en Rennes: Las emisiones de canal de bajada fueron emitidas desde un emisor de TV situado en Saint Pern, a más de 30 km del Noroeste de la ciudad. Las transmisiones produjeron 1 kw en el canal 61 (794 Mhz) usando una fuerte modulación (2K, gi: 1/32, 16QAM, cr:2/3) permitiendo al emisor 16,09 Mbps por un radio de más de 70,80 km.

45 La antena de recepción de DVB-RCT fue instalada también en Saint Pern a más de 160 m sobre el nivel de la ciudad. El canal 55 (746 Mhz) fue el escogido para estas transmisiones. La Figura 16 nos indica el mapa de los puntos donde fueron tomadas las medidas, cubriendo áreas urbanas y rurales. Figura 16. Puntos de medida en la zona de Rennes. Prueba en Dublín: Para este experimento, el canal de bajada del DVB-T fue emitido desde el principal emisor de Tv situado en Three Rock, a 450 m de alto y a 10 km del sur de Dublín. Las transmisiones produjeron 9 kw en el canal 26 (513 MHz) usando una modulación (8K, gi: 1/32, 64QAM, cr: 2/3) permitiendo al emisor 24,13 Mbps. La antena para las transmisiones DVB-RCT fue instalado en Three Rock. El canal 48 (690 MHz) fue el escogido para estas transmisiones.

46 El objetivo de estas primeras medidas fue verificar que incluso con una potencia limitada de 1 W las transmisiones del canal de subida iban acompasadas con las de bajada. También verificar que el receptor de DVB-RCT permitía la demodulación de una señal débil de potencia alojada en las emisiones de bajada. Figura 17. Mapa de puntos de medida en Dublín. Para medir el nivel de potencia del DVB-RCT las primeras pruebas fueron evaluar la recepción de señal del canal de bajada en la furgoneta. La Figura 18 nos muestra este nivel de señal de DVB-T en reacción con la distancia desde la estación base.

47 level (dbm) DVB-T level received ,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 distance (km) DVB-T level Polynomial (DVB-T level ) Courtesy France Telecom R&D Figura 18. Nivel de señal de DVB-T vs. Distancia desde la Estación Base. Los resultados nos muestran que el nivel de señal esta bien demodulada (menos de -80 dbm) incluso a más de 80 km desde la estación base. Esto se consigue gracias a la modulación 16 QAM. Los resultados de estas pruebas de campo sobrepasaron las expectaciones, ya que se demostró claramente que los servicios DVB-RCT eran posibles, y también que el espectro de frecuencias de estas emisiones era también el acertado. La Figura 19 muestra el nivel de potencia requerido para las transmisiones DVB-RCT en relación con el recibido de DVB-T.

48 RCT output level as a fonction of DVB-T received level RCT level (dbm) DVB-T level (dbm) Courtesy France Telecom R&D Figura 19. Nivel de Potencia de transmisión de DVB-RCT vs. Recibido DVB-T Esta figura muestra que incluso en el extremo del área de cobertura del servicio DVB-T (80 km) las transmisiones del canal de retorno fueron realizadas usando un nivel de transmisión de 15 a 20 dbm, muy lejos del máximo permitido 30 dbm. Todas estas medidas fueron tomadas para verificar que incluso en áreas urbanas con alta densidad, el DVB-RCT podía proporcionar un canal de retorno eficiente para todos los usuarios de DVB-T. Los resultados de estas pruebas estan proporcionados en las Figura 20 y 21: RCT power transmitted in QPSK and 8PSK vs distance output power (dbm) QPSK 8PSK Polynomial (QPSK) Polynomial (8PSK) ,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 distance (km)

49 Figura 20. Nivel de potencia transmitida DVB-RCT vs. Distancia. Output power vs Distance for QPSK 1/2 mode Courtesy RTE Distance to Rx, km Figura 21. Potencia medida vs. Distancia de transmisión. La conclusión más interesante de estas pruebas fue la máxima distancia de DVB-RCT es incluso superior a la permitida por las emisiones DVB-T.

50 2.4 ADSL Bajo las siglas xdsl se agrupan un conjunto de tecnologías que, utilizando códigos de línea y técnicas de modulación adecuados, permiten transmitir regímenes de datos de alta velocidad sobre el par trenzado telefónico. El ADSL se inventó como forma de establecer prioridades para los tráficos de tiempo real (vídeo, audio y voz) frente a los tráficos de datos, y además determinó los objetivos iniciales de capacidad (8 Mbit/s hacia el abonado y 640 kbit/s en sentido inverso), que hacían posible la transmisión de más de un canal de TV comprimido hacia el abonado. Una característica importante del ADSL es que permite el acceso simultáneo a la red telefónica y a Internet. Esto se logra mediante el empleo de un splitter (filtro separador de bandas) en casa del abonado. Enumeramos a continuación los factores que afectan y limitan esta técnica de transmisión: Alcance y tipos de bucle. El objetivo de los sistemas ADSL es llegar a la mayor parte de los abonados dentro del Área de Servicio, zona geográfica servida por una central de conmutación o una Unidad Remota de abonados, en donde se ubica el banco de módems y el multiplexor digital DSL (conocido como DSLAM, Digital Subscriber Line Access Multiplexer). Para calcular el alcance desde una central, normalmente se utiliza un cálculo resistivo. Los elementos que alimentan el bucle de abonado se suelen especificar en ohmios; así se dice del circuito de línea de una central que soporta bucles de 1200 a 1900 ohmios, es decir, la suma de la resistencia del par más el teléfono pueden alcanzar como máximo esos valores. Estos valores, junto con la tensión de alimentación que suministra la central y la resistencia interna de este suministro de alimentación (tradicionalmente conocida como el puente de alimentación), nos dan un valor mínimo de corriente en el bucle que permite el funcionamiento del aparato telefónico. A partir de las estadísticas de los operadores, se estima que un 90% de los abonados en EEUU y la mayoría de los abonados en Europa están a una distancia menor de 6 km con pares de 0,5 mm,

51 o de 4,5 km con pares de 0,4 mm. En la práctica, sin embargo, es necesario tener en cuenta las posibles irregularidades que pueden presentarse en la planta telefónica, como empalmes de distinto calibre y derivaciones sin terminar. Otra situación particular a considerar son los bucles con bobina de carga, que al limitar el ancho de banda al estrictamente necesario para telefonía, quedan totalmente descartados para aplicaciones DSL. En Europa, afortunadamente, estos bucles son poco frecuentes. En la Figura 22 se muestra el concepto de área de servicio, pero ahora incluyendo los alcances ADSL. Figura 22. Área de servicio de ADSL. Ruido de fondo. Estudios realizados por Telcordia durante el proceso de estandarización concluyeron que el ruido de fondo, en el caso peor, puede modelarse como un ruido blanco gaussiano aditivo, con un nivel de potencia de dbm/hz o, de forma equivalente, 30 nv/ Hz sobre 100 ohmios. Ruido impulsivo. Son ráfagas de gran amplitud de ruido, con duración variable desde unos pocos hasta unos cientos de microsegundos, procedentes de diversas fuentes: impulsos de disco, corriente de llamada, cambios de polaridad en la línea, rayos, etc. Interferencias de emisiones de radio.

52 Aunque el par trenzado telefónico es teóricamente un sistema de transmisión equilibrado, este equilibrio decrece con la frecuencia. Además, la planta externa tiene recorridos en el espacio abierto (fachadas, interior de las casas, zonas rurales en postes) que incluso en algunos tramos se realizan con pares paralelos en vez de trenzados. Todo esto hace que estas partes de la planta se conviertan en antenas captadoras de las emisiones de radio especialmente las emisiones de radioaficionados. Coexistencia con el servicio telefónico. Además de los efectos de ruido impulsivo mencionados más arriba, una línea telefónica presenta cambios de impedancia dependiendo de si el aparato telefónico está colgado o descolgado. Diafonía. La diafonía es el acoplamiento inductivo y capacitivo entre diferentes hilos dentro del mismo mazo o mazos adyacentes. Es el efecto que más limita la capacidad de los sistemas xdsl. Existen dos tipos de diafonía: la paradiafonía (NEXT) cuando la fuente de la señal perturbadora está colocada en el mismo extremo que el receptor perturbado; y la telediafonía (FEXT), cuando el receptor esta colocado en el lado remoto. La diafonía además puede ser auto, cuando es producida por sistemas de la misma tecnología, o foránea, cuando son sistemas diferentes. El tipo de diafonía más perjudicial es la autoparadiafonía, causada por el acoplamiento de la señal sin atenuar a la salida de un módem sobre el receptor de otro módem. Para evitar este efecto, en ADSL se suele emplear duplexado por división en frecuencia, es decir, bandas distintas en cada extremo para recepción y transmisión. Otra alternativa es el duplexado por división en el tiempo, en donde la transmisión y recepción se alternan en el tiempo. En lo que a prestaciones (velocidad, distancia) se refiere, es la paradiafonía foránea, causada por otros sistemas de transmisión digital, la que mayores limitaciones plantea en la práctica. Los sistemas más perturbadores son las transmisiones de 2 Mbit/s en código HDB3, las interfaces de línea (interfaz U) de RDSI y las líneas HDSL. En mayo de 2002 se acordó una evolución de las normas, conocidas de forma genérica como ADSL2 que introducen una serie de mejoras derivadas de la experiencia obtenida con los despliegues realizados:

53 Mejoras en las pruebas de interoperabilidad, así como en señales y mensajes de iniciación. Mejoras en prestaciones de alcance/caudal. Modo de bajo consumo. Posibilidad de usar todo el espectro para el transporte de la señal digital, desde 0 Hz, en aquellas aplicaciones en que no se requiera servicio telefónico simultáneo. Posibilidad de usar varios pares simultáneamente: 32 Mbit/s sobre 4 pares, 24 Mbit/s sobre 3 pares, 16 Mbit/s sobre 2 pares (inverse multiplex bonding). Capa de convergencia para transportar directamente Ethernet sobre ADSL. Existen, además, otras líneas de evolución previstas. Así, el ADSL+ amplia la banda utilizable hasta 2,2 MHz (el doble de la actual) y el ADSL++ hasta 3 ó 3,75 MHz, si bien en ambos casos el alcance es menor que en ADSL convencional. Estructura y elementos de la red: La práctica totalidad de las instalaciones se basan en el empleo de DSLAM, desplegándose en escenarios como el de la Figura 23.

54 Figura 23. Esquema de instalación DSLAM. Una característica importante en estos sistemas es que el equipo de central incorpora funciones de multiplexión ATM. Ello, junto a las características del tráfico del principal servicio ofrecido en la actualidad, el acceso a Internet de Alta Velocidad, permite obtener ganancia estadística mediante la suma de los tráficos medios ofrecidos a los abonados es superior al tráfico total que puede suministrar la red. Este hecho está en contradicción con la ventaja, del ADSL frente al cable módem. Así mientras que el cable módem tiene que compartir el ancho de banda con los otros abonados servidos por el mismo cable, en ADSL el abonado dispone de todo el ancho de banda por tener un par de cobre dedicado. Es evidente que el ADSL también es un medio compartido, en este caso en la conexión que va hacia la red. En ambos casos, el comportamiento del sistema dependerá del grado de sobre suscripción. Prestaciones: En estos sistemas vienen determinadas por las características de las conexiones ATM utilizadas las cuales condicionan tanto la manera en la que se trata el tráfico de usuario en la red, como los caudales medios y de pico admisibles.

55 Cuanto mayor es la protección contra ráfagas, mayor es el alcance del bucle de abonado. No obstante, una desventaja es el retardo que introducen, que ha de sumarse al debido a otros factores como los mecanismos de conformado de tráfico ATM, los encolamientos, y otros propios del ADSL, como el asociado a los filtrados de los splitters. Márgenes típicos de retardo entre el módem de abonado y el DSLAM pueden ser: ms con entrelazado profundo, 6-40 ms con entrelazado medio y 2-28 ms sin entrelazado. En la práctica, los operadores suelen programar los módem sin entrelazado, para minimizar los retrasos y soportar servicios que requieren tiempo real (telefonía) o latencias reducidas (juegos). En cuanto a seguridad, los sistemas de pares gozan de privacidad intrínseca, ya que a cada usuario le llega una conexión exclusiva desde la central, es decir, no pueden ver el tráfico dirigido a otros abonados, como potencialmente sucede en sistemas con medio compartido: cable, radio, sistemas PON. Validez para otros servicios: Como se ha indicado, la motivación original de ADSL era ofrecer televisión sobre el par telefónico. Hasta la fecha, sin embargo, esta idea no ha conseguido cuajar, a pesar de que han sido varios los intentos por relanzarla. En la actualidad, se han introducido nuevas prestaciones en los DSLAM que prometen resolver los problemas anteriores: Mayores capacidades de la interfaz hacia la red: 622 Mbit/s y 1 Gbit/s, que junto a los progresos en la codificación de vídeo (MPEG4) hacen que el número de canales disponibles en cada DSLAM deje de ser un factor limitante. Capacidad de multicast interno, con lo que la ocupación de ancho de banda es por programa y no por usuario. Además, algunos suministradores han introducido arquitecturas específicas para soportar la distribución de vídeo (por ejemplo, bus multicast). Utilización del IP, y sus capacidades de multicast, en combinación con ATM, para mantener la QoS.

56 Solución de la respuesta rápida al zapping en el DSLAM (por ejemplo, mediante IGMP snooping). En lo anterior nos hemos ceñido al reto que ha supuesto la distribución de vídeo sobre ADSL. El Vídeo Bajo Demanda con interactividad completa es una aplicación factible, siempre y cuando se disponga de los recursos necesarios desde el servidor de vídeo al usuario. Otra limitación del ADSL es el número de canales simultáneos que pueden ofrecerse al usuario que, con las velocidades precomerciales ofertadas para las aplicaciones de vídeo (5 Mbit/s), sería de dos. En el caso de SHDSL, el ancho de banda disponible es menor, por lo que la distribución de vídeo no es factible. Las limitaciones de estos sistemas podrían ser uno de los estímulos para el VDSL, si bien el despliegue de fibra requerido por esta tecnología no parece viable en la actualidad. En la Figura 24 se muestra un posible esquema para la provisión de servicios de multimedia sobre ADSL. Figura 24. Esquema para provisión de servicios multimedia. Escalabilidad:

57 El elemento que determina la escalabilidad es el DSLAM. En la Figura 25 se muestra un esquema conceptual de un DSLAM, señalando aquellos elementos que determinan su escalabilidad. Figura 25. Esquema de DSLAM. El primer mercado de los DSLAM ha sido las centrales locales de operadores establecidos, obteniendo la mejor eficiencia en coste para estas configuraciones. En la práctica, el único servicio ofrecido es el Acceso Internet a Alta Velocidad. Al tratarse de tráfico a ráfagas y asimétrico, se puede obtener una ganancia estadística razonable y hacer sobresuscripción de ancho de banda. Con estas premisas se realizan configuraciones lo más grandes posibles en cuanto al número de abonados, de forma que se minimiza la repercusión en coste de las partes comunes, tanto en lo relativo a control y transmisión, como a la infraestructura mecánica, de alimentación, de refrigeración, alarmas visuales y externas. Control y Transmisión: controla el establecimiento, monitorización y prioridades del multiplexor ATM; integra muchas veces la terminación de línea de la transmisión óptica; proporciona la interfaz de gestión (modelo de información y pila de protocolos) Infraestructura mecánica, alimentación, refrigeración, alarmas visuales y externas. Esto determina una mayor integración del equipo, con mayor densidad de líneas por tarjeta (favorecida por el desarrollo de nuevas generaciones de circuitos integrados ADSL) y sistemas multiarmazón. No obstante, aún existen limitaciones debidas a la capacidad de la conexión hacia la red, así como de las interconexiones entre armazones y, en su caso, entre armarios. Otro factor limitador es la elevada disipación que se produce en las líneas ADSL (típicamente de unos 3W), las cuales en principio se encuentran siempre activas.

58 Otro factor adicional que influye en la escalabilidad es el sistema de gestión. Los que se ofrecen actualmente permiten gestionar unas líneas, en cuyo caso su repercusión sobre el precio total no supera el 5% del coste de la línea. No obstante, si las dimensiones de la red son mucho menores, es necesario prestar mucha atención a este factor. Cabe también señalar la existencia de versiones compactas de intemperie, especialmente adecuadas para servir a abonados que terminan en concentradores remotos (Unidades Remotas de Abonado). Los sistemas ADSL comportan una dificultad añadida en versiones de intemperie por su disipación. En el despliegue inicial de ADSL, estos abonados remotos no cualificaban para el servicio. En la actualidad existen versiones compactas de DSLAM y otras soluciones para este problema [23]; que van desde placas insertables en concentradores existentes, unidades compactas para ubicar en las cabinas existentes y los nuevos concentradores remotos diseñados desde el origen para soportar la mezcla de unidades DSL, POTS y RDSI en cualquier proporción. Uno de los aspectos a tener en cuenta, tanto en la instalación inicial como en la posterior operación, es el coste de los desplazamientos de operarios a los locales de los abonados. Todo esto en el caso del ADSL se ve agravado por los siguientes factores: Complejidad del servicio final a proporcionar. En el caso de Acceso a Internet, un tercio de las incidencias de abonado tienen que ver con la instalación de los drivers en su PC o incluso problemas del PC no relacionados en absoluto con el ADSL. En España, se estima una media de dos visitas para instalar una línea de ADSL. En otros países, el coste por visita se cifra en torno a unos 150 euros, comparables a los costes del equipo. Calificación de pares antes de ofrecer el servicio o cuando el servicio se degrada. Los elementos de prueba automática para caracterizar bucles en los rangos de uso de los sistemas ADSL no están muy extendidos. Integración de los sistemas de gestión de elementos de red. Los DSLAM son equipos multiplexores que han de integrarse en la gestión de una red ATM. Hay que asegurar que los gestores de elementos proporcionan las interfaces adecuadas a los gestores de red y que éstos disponen de las aplicaciones necesarias. Este razonamiento es extensible a los gestores de servicio (vídeo distribución o vídeo bajo demanda).

59 Factores medioambientales, meteorológicas y topográficos: Los equipos de central están diseñados para operar dentro del entorno controlado de un edificio de telecomunicaciones, con aire acondicionado. Este requisito es esencial en el caso de los DSLAM por la elevada disipación que producen. Además existen también versiones de intemperie, los cuales requieren cabinas con volúmenes y sistemas de climatización (por ejemplo, intercambiadores de calor) adecuados a fin de soportar la disipación. Esto encarece de manera importante el precio de las versiones intemperie, situándose su coste en torno al 50% de un equipo de central equivalente.

60 2.5 PLC En la Figura 26 se esquematiza la estructura de una red eléctrica. En ella se pueden distinguir cuatro segmentos de interés. Red de alto voltaje: transporta la energía desde los centros de generación hasta las grandes áreas de consumo. Las distancias de transporte son grandes, lo que implica altos voltajes para minimizar las pérdidas. Red de medio voltaje: distribuye la energía dentro de un área de consumo determinada (una ciudad, una comarca). Red de bajo voltaje: distribuye la energía a los locales de usuario final, a los voltajes de utilización final (110V-220V-380V). Red de distribución doméstica: comprende el cableado de energía y las tomas dentro de los locales del usuario final. Figura 26. Estructura de la red eléctrica. El papel de las comunicaciones sobre líneas de energía (Power Line Communications, PLC 9 ) se puede analizar en cada uno de estos segmentos. 9 También se pueden encontrar en algunas publicaciones americanas las siglas PLT (Power Line Telecommunicatoins).

61 Comenzando por la red de distribución doméstica, que es donde más despliegue real de telecomunicaciones sobre líneas de energía existe actualmente, el objetivo es convertir el cableado de distribución doméstico en una red de área local, siendo cada enchufe un punto de acceso a esta red. Constituye un gran atractivo el no tener que instalar nuevo cableado para aplicaciones de telecomunicación, así como la posibilidad de controlar dispositivos eléctricos por el mismo enchufe que proporciona la energía. Las redes de bajo y medio voltaje pueden considerarse conjuntamente, ya que las soluciones adoptadas abarcan ambas redes. La red de bajo voltaje constituye lo que en el dominio de las telecomunicaciones se ha dado en llamar la última milla ; se extiende desde el transformador de media a baja tensión hasta los contadores de los abonados. Cabe señalar aquí características importantes de este tramo de la red: - Varios abonados están conectados a la misma fase; es decir, la red eléctrica desde un punto de vista de transmisión de la información es un medio compartido. - El número de abonados que son servidos desde un transformador de media a baja, y que constituye un punto candidato para inyectar las señales de telecomunicaciones, varía ampliamente de país a país. En Europa la media está en unos 150 abonados, en China en unos 250, mientras que en EE.UU. la media es de sólo 15 y en Brasil de unos 20. Esto, como se verá más adelante, tiene serias implicaciones en la arquitectura de red a considerar. En Europa el impacto de los costes de infraestructura de distribución de las telecomunicaciones hasta los trasformadores de media a baja es más reducido, ya que se puede atender a un gran número de abonados. En cambio, en EE.UU. no es el caso, y por tanto consideran como punto de inyección más deseable los transformadores de alta a media; de forma que la red de media tensión se convierte en parte de la red de acceso. - Aunque sea obvio, es pertinente recordar que la red eléctrica no ha sido diseñada para transportar información que requiera cierto ancho de banda; de hecho constituye un medio muy hostil: un canal con una respuesta en frecuencia muy variable, tanto de lugar a lugar como en el tiempo, y muy ruidoso. Sin embargo la potencia del Proceso Digital de Señal permite actualmente la transmisión de considerables anchos de banda a través de este medio. La banda de frecuencias actualmente aprovechable se extiende desde 1 MHz hasta los 30 MHz.

62 - Es interesante comentar que las primeras aplicaciones de PLC se remontan a hace más de veinte años en aplicaciones de banda estrecha, con velocidades de transmisión de unos pocos kbit/s, siendo su aplicación objetivo la lectura automática de contadores, detección y localización de averías y, en algunos casos, control de carga. La nueva generación de PLC, de banda ancha, tiene entre sus aplicaciones no sólo dar servicios de telecomunicaciones a los usuarios finales, sino también soportar este tipo de aplicaciones de operación de la red de energía y, de hecho, se consideran un factor que en ocasiones puede resultar determinante cuando se realizan los estudios de rentabilidad de estas redes. Las líneas de la red de alto voltaje se utilizan para transportar señales de telemetría, información de supervisión y órdenes de reconfiguración de la red. También es frecuente que las compañías eléctricas desplieguen una infraestructura de telecomunicación para cubrir sus propias necesidades de comunicaciones entre subestaciones. Es común que esta infraestructura se base en fibra óptica que utiliza como soporte el mismo que el tendido eléctrico, aunque también pueden encontrarse infraestructuras basadas en radio-enlaces. Este aspecto de las telecomunicaciones de las compañías eléctricas no es parte de este estudio, aunque es evidente que conforma una base de partida ventajosa utilizar esta infraestructura para el transporte de la información del dominio público. Se puede citar como hecho que indica el enorme potencial de la tecnología PLC que el número de usuarios de electricidad es tres veces mayor que el número de usuarios de teléfono fijo. Sin embargo, desde un punto de vista puramente economicista esta supuesta potencialidad resulta fácilmente rebatible: sólo esa tercera parte de usuarios que tienen línea telefónica merecen la pena de ser servidos con telecomunicaciones avanzadas en términos de rentabilidad. No obstante, las cifras anteriores pueden mostrar una posible aplicación de PLC como una solución alternativa desde un punto de vista social para aquellos países o regiones que carecen de una infraestructura de telecomunicaciones, pero en cambio tienen infraestructura eléctrica. En este sentido, el ejemplo de China puede resultar ideal al día de hoy, ya que su teledensidad aún es baja y su estructura de red eléctrica es muy adecuada para las soluciones PLC, si bien los ritmos de crecimiento que experimenta en la actualidad, tanto de telefonía fija como móvil, puede que hagan innecesaria a muy corto plazo esta aplicación social del PLC en China. A modo de resumen, y con respecto al canal de retorno se puede decir que: PLC es una tecnología con un gran potencial debido a sus explotadores naturales, las compañías eléctricas, y a la capilaridad del medio utilizado.

63 Desde un punto de vista de prestaciones técnicas, compite desfavorablemente con otras alternativas de acceso. En otras palabras, si en una región existe una alternativa más tradicional operativa (cobre, cable, incluso radio), desde un punto de vista de prestaciones PLC no ofrece ninguna ventaja diferencial. Otra cosa son ventajas comerciales, imagen de marca, paquete con el servicio eléctrico, transferencia de reducción de costes al servicio de telecomunicaciones por reducción en la operación eléctrica, etc. Tras algunos años de existencia de la tecnología, aún no se ha conseguido un despliegue significativo. Alemania, que se puede considerar a la cabeza en cuanto a experiencia con esta tecnología, cuenta en la actualidad con unos usuarios que reciben servicios a través de líneas de energía [24]. En cualquier caso parece que aún no está explorada totalmente la aplicación de la tecnología para cubrir necesidades sociales de telecomunicaciones, dónde quizá se puedan encontrar escenarios en que la PLC resulte ventajosa frente a las tecnologías más usuales en estos casos como el acceso inalámbrico. Estructura y elementos de red: En primer lugar, la Figura 27 ilustra los segmentos de bajo voltaje y de distribución doméstica. Figura 27. Segmentos de bajo voltaje y distribución doméstica.

64 En el segmento de bajo voltaje las distancias desde el transformador al usuario son del orden de 200 metros (al menos en Europa), siendo un medio compartido, con numerosas ramificaciones para servir a los usuarios. Esto hace que el medio sea tremendamente hostil, debido a: La atenuación a las frecuencias de interés con la distancia. Las reflexiones que se producen en las ramificaciones, lo que hace que la función de transferencia del canal presente desvanecimientos selectivos (ver Figura 28) 10. Además esta característica tiene una variación temporal dependiendo de la carga (en el sentido de consumo de energía en cada momento o, equivalentemente, de qué dispositivos están conectados). Todo esto hace necesario utilizar sistemas de modulación muy robustos y adaptables a las características del canal. Como ejemplo, DS2 11 firma valenciana que actualmente está a la cabeza de esta tecnología 12, consigue velocidades de 45 Mbit/s a nivel MAC 13, 27 Mbit/s en el sentido descendente y 18 Mbit/s en el ascendente. DS2 utiliza OFDM adaptándose dinámicamente a las condiciones del canal, monitorizando las condiciones de relación señal ruido de cada subportadora cada 10 ms y adaptando en función de ésta la tasa de bit a transmitir por la misma. 10 Una solución sería poner terminaciones adaptadas en todos los usuarios de energía, pero resulta poco económico Los sistemas desplegados en la actualidad se mueves en el rango entre 1,5 y 3 Mbit/s, aunque todos los fabricantes anuncian nuevas generaciones que llegaran a 16 Mbit/s. 13 la tasa bruta en la linea es de 51 Mbit/s y la ofrecida al nivel IP es de 35 Mbit/s.

65 Figura 28. Función de transferencia con desvanecimientos selectivos. Las diversas fuentes de ruido de fondo (-120dBm/Hz), impulsivo e interferencias selectivas (por ejemplo emisiones de radio) hacen necesarias técnicas de codificación contra errores, entrelazado y adaptación a las características de señal/ruido del canal (OFDM), similares a los de la primera milla, pero aliviadas por las dimensiones: la distancia a cubrir es menor (del orden de 50 m) y el número de ramas también es menor y más cortas. En cualquier caso sigue siendo un medio hostil, no diseñado para el transporte de información que requiera un gran ancho de banda. Por ello, la tendencia en la actualidad es: Reutilizar la misma tecnología en los segmentos de bajo voltaje y de distribución doméstica con el objetivo de conseguir economías de escala.

66 Aunque la pasarela del hogar de la Figura 29 puede adaptar, por ejemplo, de un acceso ADSL a un PLC dentro del hogar o, inversamente, de un PLC en el segmento de bajo voltaje a una interfaz Ethernet en el hogar, lo más atractivo es que la pasarela sea de PLC a PLC, haciendo efectivo el eslogan: un acceso a las comunicaciones en cada enchufe. Esto requiere compatibilidad espectral entre los sistemas PLC de bajo voltaje y doméstico. Por ello existen propuestas de dividir el espectro entre 1 MHz y 30 MHz en bandas de 10 MHz, asignando las bandas superiores para uso doméstico (menores distancia que admiten las mayores atenuaciones en esta banda) y las inferiores para uso en el acceso (ver Figura). Figura 29. Espectro para transmisiones PLC. Obsérvese que en esta propuesta la banda media puede asignarse indistintamente para acceso o dentro del hogar. Se está proponiendo que los sistemas de hogar detecten automáticamente la presencia o no de un sistema de acceso en esa banda, de forma que la puedan ocupar en caso de que esté libre y aumentar así sus prestaciones. Ahora se van a considerar todos los elementos de red que aparecen en la Figura 27. En el transformador de media a baja tensión se encuentra la cabecera PLC de baja tensión, que es la terminación de línea que maneja el segmento de bajo voltaje que parte de dicho transformador. Esta función puede ser parte de un repetidor que simplemente repite la información que se transmite por la red de media tensión, puenteando el transformador de media/baja para altas frecuencias o bien la terminación de línea de una función router que se conecta a la red de datos por un sistema de transporte de telecomunicaciones, por ejemplo fibra óptica.

67 La pasarela del hogar, en el caso representado de PLC extremo a extremo, tiene una función de bridge, separando los segmentos de acceso y doméstico, y además puentea el contador eléctrico (filtro paso bajo para las frecuencias de interés). Los módems por enchufe proporcionan la interfaz requerida por las aplicaciones de usuario, por ejemplo Ethernet o interfaces a/b telefónicas. Aunque no se representan en la figura, también existen repetidores para aumentar el alcance. Los sistemas PLC presentan normalmente interfaces de gestión SNMP, lo que está acorde con sus principales áreas de aplicación: acceso a Internet, telefonía IP, etc., es decir aplicaciones en el dominio de los datos. Al ser PLC una tecnología en sus primeras fases de desarrollo es difícil hacer una estimación de precios. Los módems sencillos para uso doméstico se pueden valorar entre 100 y 200 euros (estimaciones de 2003). Las cabeceras a poner en los transformadores de baja o media tensión pueden oscilar entre los 1500 y 3500 euros (siendo una parte importante del precio los acopladores a las líneas de energía, particularmente los acopladores a las líneas de media tensión). Prestaciones: Los sistemas PLC de primera milla instalados en la actualidad tienen capacidades de transporte efectivas entre 1,5 Mbit/s y 3 Mbit/s, a compartir por el número de abonados que dependan de un transformador de media a baja tensión (lo que puede llegar a un máximo de 200 abonados en el caso europeo, si se suscribieran todos). DS2, como se ha dicho, es líder en prestaciones con 27 Mbit/s en sentido descendente y 18 Mbit/s en sentido ascendente. Esta empresa utiliza un control de acceso al medio que permite asegurar niveles de calidad de servicio a los usuarios. Las nuevas generaciones de aún no desplegadas, apuntan a 16 Mbit/s y ofrecerán mecanismos para garantizar calidad de servicio. Al usar un medio compartido, se necesitan mecanismos de cifrado. De momento, estos mecanismos no se proporcionan en los niveles bajos de esta técnica, debiendo realizarse en los niveles superiores.

68 Validez para otros servicios: Teniendo en cuenta las tasas de bit que son factibles (entre 3 Mbit/s y un máximo de 27 Mbit/s en sentido descendente), y que estas tasas deben repartirse entre decenas de usuarios, claramente esta tecnología no es válida ni para distribución de TV, ni para vídeo bajo demanda. Esta tecnología si que esta capacitada para telefonía, usando voz sobre IP. Existen algunos módems que incorporan una pasarela de voz sobre IP. Los sistemas se diseñan para proporcionar una calidad de servicio garantizada para esta aplicación. El acceso a Internet es la principal aplicación del PLC en la actualidad, ya que proporciona ancho de banda suficiente y permite una multiplexión eficaz. Parece además que los segmentos de red PLC (número de usuarios que dependen de un transformador de media a baja multiplicado por el coeficiente de penetración) tienen unas magnitudes adecuadas y comparables con los segmentos de redes de área local. Con el estado actual de la tecnología, PLC puede alcanzar anchos de banda y tiempos de latencia aceptables para servicios con diferentes grados de interactividad. En el caso de juegos en Red, el esquema del servicio con los jugadores conectándose a un servidor e intercambiando básicamente comandos de desplazamientos y acciones sobre escenarios previamente cargados no supone exigencias especiales (salvo mantener la latencia baja). Otros servicios tales como videoconferencia son soportados a nivel IP por funciones de autentificación y seguridad. La videoconferencia y las aplicaciones peer to peer pueden necesitar anchos de banda excesivos para esquemas de compartición del medio de bajo voltaje como los descritos hasta aquí, si bien estas aplicaciones suelen ser demandadas por empresas de cierta envergadura, que en algunos casos tienen un transformador de media a baja para su uso exclusivo. Existen módems punto a punto de transmisión por líneas de medio voltaje de 2 Mbit/s simétricos, que pueden ser suficientes para estas aplicaciones, pero en cualquier caso los usuarios de las mismas suelen tener a su disposición alternativas de telecomunicación tradicionales a precios muy competitivos.

69 Escalabilidad: El principal problema del despliegue de una red PLC en la primera milla consiste en elegir la ubicación de la cabecera PLC, entendiendo por cabecera el punto donde se efectúa la conversión de un transporte de telecomunicaciones convencional (por ejemplo, fibra óptica) a la tecnología PLC. El coste de este punto de conversión debe ser repartido entre el mayor número de usuarios posible. En Europa un buen candidato es el transformador de media a baja tensión, al que se conectan unos 150 usuarios de electricidad de los cuales, en un entorno de libre competencia y con una estimación de penetración final optimista, un 30% contratarían el servicio de telecomunicaciones. En EE.UU. la media de usuarios por transformador de media a baja es 15 en lugar de 150, luego si se sitúa la cabecera en este punto la repercusión por usuario será diez veces mayor que en Europa. Adicionalmente, si se colocan los puntos de interconexión en los trasformadores de media-baja, hay que llegar a ellos con la infraestructura de telecomunicaciones convencional (fibra, radio) y esta capilaridad incrementa coste por usuario 14. Por ello se buscan tecnologías que puedan ser utilizadas tanto en media como en baja tensión (como las distancias en medio voltaje son mayores que en baja, se requerirán repetidores). La idea es colocar las cabeceras en los transformadores de alta-media y llegar desde estos a los usuarios, puenteando con repetidores los transformadores de media-baja. Sólo en aquellos escenarios en que el número de usuarios de un segmento de baja tensión fuera suficiente se colocarían cabeceras en los transformadores de media-baja. Obsérvese que el problema inverso, es decir, que un segmento desde un transformador de media a baja tenga demasiado tráfico, es de fácil solución, ya que se puede subsegmentar desde el transformador, formando varios sistemas de transmisión, por ejemplo entre cada fase y neutro. Las tres figuras siguientes ilustran distintos escenarios. En particular, el escenario de la Figura 30 correspondería a las penetraciones habituales en EE.UU., mientras que en Europa este escenario podría darse en las fases iniciales del despliegue. 14 Aunque existe la idea de que las electricas siempre que tiran cable, tiran fibra y, por tanto, habría fibra óptica en todos los transformadores de media-baja, hay casos donde el porcentaje de transformadores con acceso de fibra es bajo; entre el 0,2 y el 10% dependiendo de la zona.

70 Figura 30. Escenario de implantación de la tecnología PLC. Como ejemplo numérico podemos tomar el caso de Holanda, país en el que existen unas subestaciones de cada una de las cuales cuelgan una media de 10 transformadores de media-baja, en una configuración en anillo. En la Figura 31 se muestran coberturas de zonas urbanas desde el punto de vista de la red eléctrica. Figura 31. Ejemplo de escenario de tecnología PLC. Obsérvese el paralelismo de este tipo de arquitectura con una Red de Área Metropolitana de telecomunicaciones a las que se conectan redes de acceso. En la Figura 32 se muestra, también para el caso holandés, un anillo típico de media tensión, con las distancias medias entre

71 transformadores media-baja. Este caso es simplemente ilustrativo, ya que existen grandes variaciones entre redes eléctricas. Figura 32. Ejemplo de implantación de tecnología PLC. En España, por ejemplo, hay configuraciones con 20 a 30 transformadores de media-baja que no se conectan en anillo sino a tres o cuatro subestaciones, formando una red mallada. Figura 33. Ejemplo de red mallada.

72 Figura 34. Red de distribución PLC. Factores medioambientales, meteorológicas y topográficos: Los transformadores pueden estar en locales cerrados o en ubicaciones de intemperie; en cualquier caso los equipos de cabecera y repetidores se ubicarán en localizaciones que no reúnen las condiciones de salas de telecomunicación. Otro aspecto a considerar son las condiciones de seguridad, ya que la señal tiene que ser inyectada en líneas que transportan tensiones peligrosas, lo cual requiere un personal adecuadamente entrenado.

73 2.6 UMTS El sistema UMTS [25] (Universal Mobile Telecommunication System) pertenece a la familia de sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación (3G). Estos sistemas tienen como principal motivación ofrecer a sus usuarios un mayor rango de velocidades (hasta kbit/s) que los sistemas de comunicaciones celulares anteriores. De este modo se pretende ofrecer el acceso móvil a una gama de servicios más amplia, cubriendo desde los más básicos (por ejemplo, voz o mensajes cortos) hasta los más avanzados, para los cuales se requieren caudales mayores, como es el caso de los servicios multimedia (por ejemplo, videoconferencia o interactividad). Dentro de los objetivos generales de los sistemas 3G se encuentra también el de ofrecer a los usuarios un ámbito global de comunicaciones móviles, tal como se representa en la Figura 35. Figura 35. Esquema de comunicaciones UMTS. Sin embargo es probable que este objetivo no llegue a cumplirse puesto que no ha surgido un único estándar para sistemas 3G, sino varios. Dentro de nuestro ámbito geográfico el sistema 3G elegido para su despliegue en Europa es UMTS, cuya concepción se plantea como una evolución de los actuales sistemas GSM [26] (Global System for Mobile Communications).

74 Como se indica en la figura, la cobertura de los sistemas 3G considera distintos tipos de células (picocélulas, microcélulas, macrocélulas y cobertura vía satélite). Los objetivos de servicio establecidos en cada caso son distintos, dependiendo de la densidad de tráfico y grado de movilidad previsible en cada entorno. En el caso de UMTS, dichos objetivos se resumen en la Tabla 3. Como se observa, la tasa máxima de bit de 2048 kbit/s está concebida para entornos de movilidad reducida y bajo el supuesto de que la distancia entre móvil y estación base es pequeña (picocélulas). A medida que el tamaño de la célula crece, los objetivos de tasa de bit son menos ambiciosos, reduciéndose a 384 kbit/s (microcélulas) y 144 kbit/s (macrocélulas). Tipo de célula Ámbito de cobertura Movilidad Tasa de bit Picocélula Edificio, manzana Baja 2048 kbit/s (10-50 m) (< 10 km/h) Microcélula Urbano Media 384 kbit/s ( /2-4 km) (< 120 km/h) Macrocélula Rural Alta 144 kbit/s (5-6 km) (< 500 km/h) Tabla 3. Características de los tipos de células. Estructura y elementos de red: 1º Arquitectura básica de una red UMTS: En la Figura 36 se representa la arquitectura básica de una red UMTS [27], compuesta por sus tres partes fundamentales: los equipos de usuario (UE, User Equipment), la red de acceso radio (UTRAN, UMTS Terrestrial Radio Access Network) y el núcleo de red (CN, Core Network).

75 Figura 36. Arquitectura de una red UMTS. Los equipos de usuario acceden a la red a través de la interfaz radio (Uu). La red de acceso radio [28] (UTRAN) se encarga de transportar el tráfico de usuario hasta el núcleo de red con el que se comunica a través de la interfaz Iu. Dentro del núcleo de red se encuentran los recursos de conmutación y transmisión necesarios para completar el trayecto de la comunicación hacia el abonado remoto, que puede pertenecer a la red UMTS o a una red externa (RTC, Internet,...). El núcleo de red en UMTS se plantea como la evolución del existente en las actuales redes 2G basadas en GSM/GPRS. En la primera fase de normalización (Release 99 [29]), se propuso la reutilización de la infraestructura disponible en dichas redes. La evolución del CN propiamente dicha se deja para fases posteriores (Release 4 [30] y Release 5 [31]). Ante la amplia gama de servicios y tasas de bit a soportar en los sistemas 3G, se hace necesario el empleo de tecnologías de acceso más flexibles y eficientes que las utilizadas en los actuales sistemas 2G y 2 5G. En el caso de las redes UMTS, planteadas como evolución de las actuales redes GSM/GPRS, la solución adoptada consiste en el empleo de WCDMA [32] (Wideband Code Division Multiple Access) en la interfaz radio y de ATM [33](Asynchronous Transfer Mode) en la red de acceso. 2º Tecnología de acceso radio: La Figura 37 muestra gráficamente las bandas de frecuencias asignadas por la ITU para la operación de los sistemas 3G, así como la disponibilidad de dichas bandas en Europa. El espectro asignado se sitúa alrededor de los 2 GHz, estando en su mayor parte destinado para la cobertura mediante redes terrenas, si bien se reserva una porción para la eventual cobertura vía

76 satélite (MSS, Mobile Satellite Service) en el futuro. Nótese que en el caso de Europa, además, existe una parte del espectro actualmente ocupada por el sistema DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications). Figura 37. Bandas de frecuencias asignadas para UMTS. En el caso de UMTS, la operación sobre la interfaz radio está basada en el empleo de portadoras de 5 MHz de anchura espectral, contemplándose dos modos básicos de funcionamiento (ver Figura 38): FDD (Frequency Division Duplex). Basado en el empleo de portadoras diferentes para el enlace ascendente (móviles a red) y el descendente (red a móviles). Cada portadora es capaz de soportar múltiples canales mediante el empleo de diferentes códigos CDMA. Más específicamente, la técnica de multiplexión por código utilizada es la variante DS-CDMA (Direct Sequence CDMA), con una velocidad de operación de 3,84 Mchip/s. Figura 38. Modos de funcionamiento de la tecnología UMTS.

77 TDD (Time Division Duplex). Los enlaces ascendente y descendente comparten una única portadora de 5 MHz mediante división en el tiempo. La técnica de acceso utilizada en este caso es una combinación de TDMA y DS-CDMA. La interfaz TDD contempla la posibilidad de asignar una mayor proporción de ranuras temporales en un sentido (típicamente en el descendente), lo que permite una mejor adaptación ante situaciones de tráfico asimétrico. En general, el modo TDD resulta adecuado para alcances reducidos (picocélulas). En el caso de Europa, el organismo CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) ha establecido el reparto [34] del espectro UMTS para cada modo de operación. El criterio de asignación adoptado, representado en la Figura 39, puede resumirse de la siguiente manera: Para la operación FDD han sido asignadas dos bandas pareadas de 60 MHz ( MHz para sentido ascendente y MHz para sentido descendente), lo que supone un total de 12 pares de portadoras de 5 MHz. Para la operación TDD en Europa se han asignado dos bandas que en total suman 25 MHz ( y MHz), lo que supone un total de 5 portadoras de 5 MHz (existen 10 MHz adicionales en la banda que están reservados para operación TDD sin licencia). Figura 39. Reparto del espectro UMTS. Nótese que el número de portadoras disponibles para el servicio UMTS es reducido: 12 pares de portadoras para FDD y 5 portadoras para TDD. Teniendo en cuenta que en un país pueden asignarse varias licencias UMTS, el número de portadoras a disposición de un operador será aún menor. Así, por ejemplo, en el caso de España se han concedido cuatro licencias (Retevisión Móviles, Telefónica Móviles, Vodafone y Xfera), habiendo asignado a cada operador tres pares de portadoras para FDD y una portadora para TDD. Para el despliegue de una red UMTS normalmente se contempla el empleo de células con distintos niveles de cobertura [35] (tamaño de la célula) y de servicio (tasa de bit máxima

78 ofrecida a los usuarios). En una red basada en tecnología CDMA dichos factores guardan una relación inversa, de manera que cuanto mayor es el área a cubrir, menor es la velocidad que puede ofrecerse a los usuarios. Así, en base a los diferentes ámbitos de cobertura a considerar (rural, urbano, indoor), en UMTS se definen varios tipos de células, fijándose objetivos de servicio distintos para cada una de ellas: Macrocélulas (entornos rurales). Orientadas a proporcionar cobertura de áreas geográficas extensas con poca densidad de tráfico, situación típica de entornos rurales. En este tipo de escenarios interesa el empleo de células de gran tamaño (por ejemplo, 5-6 km) por motivos económicos (menos estaciones base). Debido al compromiso entre tamaño de célula y capacidad, y teniendo en cuenta el grado de movilidad de los usuarios en este tipo de entornos (hasta 500 km/h), se establece como objetivo una tasa de bit por usuario de 144 kbit/s. Microcélulas (entornos urbanos/suburbanos). Células de tamaño medio destinadas a dar cobertura en entornos urbanos y suburbanos. El tamaño de la célula puede oscilar entre los m para zonas con alta densidad de población y los 2-4 km para zonas suburbanas. Considerando velocidades de hasta 150 km/h, la tasa de bit objetivo se establece en 384 kbit/s. Picocélulas (interior de un edificio). Pensadas para proporcionar cobertura dentro de un radio reducido (10-50 m) en entornos donde se prevé una demanda de tráfico elevada. Ejemplos típicos de aplicación son el interior de un edificio o una manzana de oficinas. Teniendo en cuenta el bajo nivel de movilidad que cabe esperar en este tipo de entornos (< 3 km/h), la tasa de bit objetivo a satisfacer se fija en 2048 kbit/s. Teniendo en cuenta los distintos tipos de células descritos, el despliegue de una red UMTS normalmente se considera una estructura jerárquica. 3º Arquitectura de la red de acceso radio terrestre (UTRAN): En las Figura 41 se muestra la arquitectura de UTRAN [28], en la que pueden observarse los elementos que la componen y las interfaces definidas entre ellos. La red de acceso UMTS consta de uno o más subsistemas RNS (Radio Network Subsystem). Cada RNS cubre un conjunto de células UMTS, siendo responsable de la gestión de los recursos asociados a ellas. Un RNS está formado por un controlador RNC (Radio Network Controller) y un conjunto de estaciones base (Nodos-B).

79 Figura 40. Sistemas RNS. Figura 41. Arquitectura de UTRAN. Dentro de la red radio se definen dos tipos de interfaces: la interfaz Iub entre cada Nodo-B y el RNC que lo controla y la interfaz Iur entre RNCs. Esta última interfaz, sin equivalente en las redes 2G, permite la comunicación directa entre RNCs para el soporte de traspasos suaves (Soft- Handover) entre estaciones base pertenecientes a distintos RNCs. La red radio también posee dos interfaces externas: la interfaz radio Uu, basada en WCDMA, y la interfaz Iu con el núcleo de red. Esta última se subdivide en dos interfaces lógicas: Iu-CS hacia el dominio de conmutación de circuitos e Iu-PS hacia el dominio de conmutación de paquetes.