MONOGRAFÍA XDSL (DIGITAL SUBSCRIBER LINE) AUTORES: Pablo Grassi Gustavo Piombo G-2525/9 P-2128/8
1. INTRODUCCIÓN a) Orígenes La red telefónica básica se creó para permitir las comunicaciones de voz a distancia. En un primer momento (1.876-1.890), los enlaces entre los usuarios eran punto a punto, por medio de un par de cobre (en un principio un único hilo, de hierro al principio y después de cobre, con el retorno por tierra) entre cada pareja de usuarios. Esto dio lugar a una topología de red telefónica completamente mallada, tal y como se muestra en la Figura 1: Fig. 1: Conexión mediante una red completamente mallada Si se hacen las cuentas, esta solución se ve que es claramente inviable. Si se quiere dar servicio a una población de N usuarios, con este modelo completamente mallado, harían falta Nx(N - 1)/2 enlaces. Por esa razón se evolucionó hacia el modelo en el que cada usuario, por medio de un par de cobre se conecta a un punto de interconexión (central local) que le permite la comunicación con el resto. Fig. 2: Conexión mediante una red en estrella De este modo la red telefónica se puede dividir en dos partes. La estructura de la red telefónica mostrada en la Figura 1-2: Conexión mediante una red en estrella es la que básicamente hoy se sigue manteniendo. Lo único es que la interconexión entre las centrales se ha estructurado jerárquicamente en DSL (Digital Subscriber Line) 2
varios niveles dando lugar a una Red de Interconexión. De este modo, la red telefónica básica se puede dividir en dos partes: la red de accesored de Acceso y la Red de Interconexión Fig. 3 El bucle de abonado es el par de cobre que conecta el terminal telefónico del usuario con la central local de la que depende. El bucle de abonado proporciona el medio físico por medio del cuál el usuario accede a la red telefónica y por tanto recibe el servicio telefónico. La Red de Interconexión es la que hace posible la comunicación entre usuarios ubicados en diferentes áreas de acceso (CSAs). Como ya se ha indicado anteriormente, la red telefónica básica se ha diseñado para permitir las comunicaciones de voz entre los usuarios. Las comunicaciones de voz se caracterizan porque necesitan un ancho de banda muy pequeño, limitado a la banda de los 300 a los 3.400 Hz (un CD de un equipo de música reproduce sonido en la banda de los 0 a los 22.000 Hz). Es decir, la red telefónica es una red de comunicaciones de banda estrecha. En los últimos años, la Red de Interconexión ha ido mejorando progresivamente, tanto en los medios físicos empleados, como en los sistemas de transmisión y equipos de conmutación que la integran. Los medios de transmisión han evolucionado desde el par de cobre, pasando por los cables de cuadretes y los cables coaxiales, hasta llegar a la fibra óptica, un medio de transmisión con capacidad para transmitir enormes caudales de información. Los sistemas de transmisión han pasado de sistemas analógicos de válvulas hasta llegar a sistemas de transmisión digitales. Por último, la capacidad de los equipos de conmutación empleados ha ido multiplicándose hasta llegar a centrales de conmutación digitales con capacidad para conmutar decenas de miles de conexiones a 64 Kbps. Con todos estos datos, parece que la Red de Interconexión está capacitada para ofrecer otros servicios además de la voz: servicios multimedia de banda ancha. b) El bucle de abonado Pero, qué pasa con la Red de AccesoRed de Acceso? Como ya se ha visto anteriormente, la red de accesored de Acceso está formada por los bucles de abonado que unen los domicilios de los usuarios con su correspondiente central (central local). Hasta hace bien poco se ha considerado que sobre este bucle sólo se podían transmitir caudales de hasta 64 Kbps en la banda de frecuencias que va desde los 0 Hz hasta los 4 KHz. Es decir, que el bucle sólo servía para las comunicaciones de voz y la transmisión de datos en banda vocal mediante módem (desde los V.32 a 9,6 Kbps hasta los V.90 a 56 Kbps), y nada más. Por tanto, la red de accesored de Acceso era el obstáculo que impedía a la red telefónica en su conjunto la evolución hacia servicios de banda ancha, como son los servicios multimedia: videoconferencia, distribución de vídeo, vídeo bajo demanda, transmisión de datos a gran velocidad, etc. DSL (Digital Subscriber Line) 3
Para ofrecer los servicios de banda ancha antes citados, se hizo necesario el despliegue de nuevas redes de comunicaciones basadas en el cable coaxial y en la fibra óptica. Los esquemas actuales que soportan las Redes de Acceso cableadas son : DSL (Digital Subscriber Line), FTTC (Fiber To The Curb), FTTH (Fiber to the Home) y HFC (Hybrid Fiber Coax), además de las Redes de Acceso inalámbricas y por satélite. En la Figura 4, las Redes de Acceso y las redes de Interconexión son sistemas análogos a los sistemas de carreteras, donde las Redes de Acceso son las calles principales y secundarias y la Red de Interconexión es similar a las autopistas. Muchas de las Redes de Acceso son inherentemente unidireccionales, otras bidireccionales asimétricas y otras totalmente bidireccionales. Sin importar el tipo de Red de Acceso, un usuario de la red se comunica con otro usuario a través de la Red de Acceso ó a un servidor de WAN/Internet. Fig. 4: Distintos tipos de Redes de Acceso Internet ó WAN Otras redes de servicios (Telefonía, CATV, Satélite, Radienlaces) Límite de la Red de Acceso y Interworking Red de acceso analógico (POTS/modem) Red de acceso No cableada Tel. Red de acceso xdsl Red de acceso de cable Radio tower Red satelital directa Cable Satellite dish Tener que desplegar nuevas redes, partiendo de cero, es muy caro tanto por el equipamiento como por las inversiones en obra, éste es uno de los principales motivos por lo que las comunicaciones de banda ancha no han progresado todo lo rápido que se esperaba. DSL (Digital Subscriber Line) 4
Pero un par de cobre en un aceptable estado de conservación tiene una respuesta en frecuencias tal que permite la transmisión de señales en una banda que puede superar el MHz (es decir, unas 250 veces más de lo que hasta hace algunos años se lo empleaba). Para aprovechar este potencial sólo hacían falta unos equipos capaces de sacar partido a este potencial. La técnica xdsl toma esta ventaja y utiliza las frecuencias superiores para servicios de datos. Los avances en el procesamiento digital de señal han eliminado los problemas de crosstalk que resultaba del uso de esta frecuencia para datos. El problema obvio es que estos cables tienen una longitud típica promedio de 10 Km. y no pueden soportar por ejemplo una señal MPEG (video codificado con pérdida). La solución DSL es utilizar técnicas digitales de transmisión y procesamiento con DSP (Digital Signal Processing) para eliminar eco y ruido en la línea. c) DSL La línea de abonado digital (DSL) es la solución de Red de Acceso de banda ancha elegida fundamentalmente por las compañías telefónicas. Esta tecnología surge a partir del hecho que los usuarios del servicio telefónico analógico actual ya tienen un par de cobre trenzado llegando hasta su domicilio particular/comercial. Si a partir de este desarrollo, ese cable puede ser usado para transmitir señales de banda ancha, la compañía telefónica puede convertirse en proveedor de otros servicios adicionales, comúnmente denominados servicios de valor agregado. Requieren de dos módems, uno ubicado en la casa del cliente y otro en la oficina de la compañía telefónica. Fig. 5: Banda ancha sobre el viejo par de cobre Servicio Básico Telefónico Nuevas Técnicas de Modulación Mejora en chips DSP(*) Avances en compresión de datos TRANSMISION DE DATOS Central Pública 0,3Khz 3,4Khz 26Khz 1,104Mhz Módem xdsl Módem xdsl RED de DATOS (*) DSP: Digital Signal Processor DSL (Digital Subscriber Line) 5
Distintos tipos de líneas DSL: HDSL: High Bitrate DSL SDSL: Symmetric DSL IDSL: ISDN DSL ADSL: Asymmetric DSL VDSL: Very High Bitrate DSL CDSL: Consumer DSL (DSL Lite) Down Bitrate Up Mod. coex. c/ POTS Alcance Típico (0,4 mm) Rep et. # par es NORMA Observ. HDSL 2,048 Mbps simétrico 2B1Q NO 3,5 Km SI 2 ETSI ETR152 SDSL IDSL de 384 Kbps a 2 Mbps simétrico 128 Kbps simétrico CAP 2B1Q NO NO 3,5 Km 5 Km NO NO 1 1 prop. prop. HDSL2 Solo en USA ADSL VDSL 8 Mbps 1 Mpbs 12 Mbps 26 Mbps 52 Mbps 12 Mbps 12 Mbps 26 Mbps DMT CAP CAP? SI SI 3 Km (6Mbps) 300 mts (52 Mbps) NO NO 1 1 ANSI 413 ETR 328 En Discusión Aún sin estándar DSL Lite 1,5 Mbps 384 Kbps DMT CAP SI 4,5 Km (1,5Mbs) NO 1 G.992.2 (G.Lite) Interop. c/adsl 2. ADSL ADSL ("Asymmetric Digital Subscriber Line) es la más difundida de las técnicas xdsl, por lo que será la más estudiada en el presente trabajo. a) Aspectos Generales La primera generación de módems ADSL era capaz de transmitir sobre el bucle de abonado un caudal de 1.536 Kbps en sentido Red Usuario (sentido "downstream" o descendente) y de 64 Kbps en sentido Usuario Red (sentido "upstream" o ascendente). Y todo ello sin interferir para nada en la banda de frecuencias vocal (de 0 a 4KHz), la que se usa para las comunicaciones de voz. De este modo sobre el bucle de abonado podrían coexistir dos servicios: el servicio tradicional de voz y nuevos servicios de transmisión de datos a gran velocidad. DSL (Digital Subscriber Line) 6
La asimetría de caudales del ADSL era y es idónea para el servicio al que inicialmente estaba destinado: la distribución de vídeo sobre el bucle de abonado. Pero el desarrollo de Internet, cuyo tráfico es también fuertemente asimétrico, siendo mucho mayor el caudal de información transmitido desde la red hacia el usuario que en sentido contrario, dio mayor impulso al ADSL. El ancho de banda que utiliza ADSL se divide en 4, cada uno de los cuales formará un canal diferente: Canal Downstream simplex Canal Upstream duplex Canal de Control duplex Canal telefónico POTS ("Plain Old Telephone Service") La transmisión en los canales upstream y downstream no interfiere con el canal POTS, intercambia datos y telefonía sobre el mismo medio, se trata de una solución "always on-line", es decir, se dispone de esta capacidad de transmisión de forma permanente, al revés de lo que ocurre con los módems en banda vocal (los V.90, por ejemplo), en los que es necesaria una llamada telefónica para establecer la conexión. Alexander Bell inventó el cable de pares trenzados para minimizar la interferencia de señales de un hilo a otro causado por radiación ó acoplamiento capacitivo entre ellos, pero no es la solución perfecta. Las señales se acoplan aún más cuando la frecuencia y la longitud del cable se incrementan. Esto será una limitación a las velocidades de transmisión, cuanto mayor sea la velocidad de comunicación, la longitud del cableado entre la Central y el Abonado deberá ser menor. Esto se traduce en la siguiente tabla para ADSL Velocidades de Downstream Distancia 1.544 Mbps (T1) Hasta 5500 m. 2.048 Mbps (E1) Hasta 5000 m. 6.312 Mbps (DS2) Hasta 3700 m. 8.448 Mbps (4E1) Hasta 2800 m. DSL (Digital Subscriber Line) 7
TABLA COMPARATIVA ADSL VS. CABLE ADSL Cable Independiente Compartido Canal hasta la central telefónica Cableado adicional en el edificio Cobertura Velocidad independiente del número de usuarios Seguridad Velocidad Descendente hacia el PC Ascendente hacia Internet Cantidad de información descargada ilimitada Sólo cableado interno. Aprovecha el cableado ya existente 80% del territorio nacional Si Alta, al disponer de un cable independiente y exclusivo hasta la central 256 Kbps-2 Mbps 128 Kbps-300 Kbps Si Necesario Parcial. Concentrada en zonas urbanas. No Baja, al compartir un mismo cable todos los vecinos pertenecientes a un área 150 Kbps-2Mbps 64 Kbps-512 Kbps Depende del proveedor Al tratarse de una modulación en la que se transmiten diferentes caudales en los sentidos Usuario Red y Red Usuario, el módem ADSL situado en el extremo del usuario es distinto del ubicado al otro lado del bucle, en la central local. En la Figura 6 se muestra un enlace ADSL entre un usuario y la central local de la que depende. En dicha figura se observa que además de los módems situados en casa del usuario (ATU-R o "ADSL Terminal Unit-Remote) y en la central (ATU-C o "ADSL Terminal Unit- DSL (Digital Subscriber Line) 8
Central"), delante de cada uno de ellos se ha de colocar un dispositivo denominado "splitter". Este dispositivo no es más que un conjunto de dos filtros: uno paso alto y otro paso bajo. La finalidad de estos filtros es la de separar las señales transmitidas por el bucle de modo que las señales de baja frecuencia (telefonía) de las de alta frecuencia (ADSL). Fig. 6: enlace ADSL Fig. 7: Funcionamiento del splitter En una primera etapa coexistieron dos técnicas de modulación para el ADSL: CAP ("Carrierless Amplitude/Phase") y DMT ("Discrete MultiTone"). Finalmente los organismos de estandarización (ANSI, ETSI e ITU) se han decantado por la solución DMT. b) Modulación Multiportadora Como su nombre lo indica, este tipo de modulación divide el canal de datos en 256 canales ó portadoras de ancho de banda muy angosto y selecciona los mejores para transmitir los datos sobre cada uno. Cada DSL (Digital Subscriber Line) 9
una de estas portadoras transmite una pequeña fracción de la información total, ó sea cada uno de estos subcanales son modulados independientemente (se requiere la ortogonalidad entre todos ellos). Esta técnica tiene una larga historia y soporte teórico como código óptimo pero tiene el problema del costo de los repetidores y el problema de la estabilidad térmica de los circuitos analógicos. A comienzos de la década de los 80, se mostró que se podían obtener múltiples canales con técnicas digitales utilizando FFT (Fast Fourier Transform) dando un empuje a DMT para ADSL. Las técnicas de multiportadora requieren considerable procesamiento digital. Avances en la tecnología de procesamiento de señales donde FFT puede utilizarse fácilmente y a bajo costo, hacen realizable la fabricación en masa. DMT utiliza FDM (Frequency Division Multiplexing), divide el ancho de banda en 256 canales de 4 KHz y donde cada canal se codifica de 0-15 bits/símbolo utilizando codificación TCM (Trellis Coded Modulation). Las portadoras están espaciadas con intervalos de 4.3125 khz, los subcanales downstream son 249 en el rango de frecuencias de 26 khz a 1.1 MHz, mientras que los subcanales upstream son 25 canales que se ubican en el rango de 26 khz a 133.8 khz. Se utiliza cancelación de eco para habilitar la operación full duplex sobre el rango de frecuencias superpuestas. A bajas frecuencias, donde generalmente la atenuación es baja y la relación señal a ruido (SNR) es alta, las subportadoras transmiten hasta 10 bps/hz ó más. La relación SNR en la línea es analizada durante la inicialización, y las velocidades de los canales y potencias son seteadas de acuerdo a las fuentes de ruido presentes. Amp. Máx: 15 bits /símbolo 15 x 4,3125 = 64Kbps/símbolo Tasación POTS 0.3Khz 4Khz 12/16Khz 26Khz 1.104Mhz Frec 256 portadoras (4,3125KHz x 256 = 1,104 MHz) Teóricamente DMT podría transmitir 15.36 Mbps sobre una línea de longitud cero. La implementación real sobre líneas reales utiliza ecualizadores adaptativos para compensar las variaciones en la atenuación de la línea. DMT distribuye los datos sobre todos los canales de acuerdo a la relación señal a ruido en cada uno. La figura 8 muestra el proceso de adaptación: Bits/Símb Relación S/N Bits/Símb. Frecuencia Frecuencia Frecuencia DSL (Digital Subscriber Line) 10
Figura 8 Esta estimación de la relación Señal/Ruido se hace al comienzo, cuando se establece el enlace entre el ATU-R y el ATU-C, por medio de una secuencia de entrenamiento predefinida (el promedio requerido de relación señal a ruido SNR, para una tasa de error de bit BER de 10-7 es de 21.4 db para 16 QAM). De esta manera DMT optimiza el uso de la línea haciendo óptimo el uso de cada subcanal. En el modo de tasa fija, DMT carga datos en cada canal de tal manera que la suma de todos ellos iguale a la tasa de entrada a menos que el margen de SNR por canal caiga por debajo de un umbral preseteado, en cuyo caso el módem no iniciará la comunicación. Esto significa que la mayoría de las líneas deberán tener márgenes superiores al umbral. En el modo adaptativo, el módem levanta la velocidad de datos basados en la cantidad de bits que puede ubicar en cada canal a un margen preseteado. La técnica de modulación usada es la misma tanto en el ATU-R como en el ATU-C. La única diferencia estriba en que el ATU-C dispone de hasta 256 subportadoras, mientras que el ATU-R sólo puede disponer como máximo de 32 Fig. 9: Modulación ADSL DMT con FDM Fig. 10: Modulación ADSL DMT con cancelación de ecos DSL (Digital Subscriber Line) 11
En las dos figuras anteriores se han presentado las dos modalidades dentro del ADSL con modulación DMT: FDM y cancelación de ecos. En la primera, los espectros de las señales ascendente y descendente no se solapan, lo que simplifica el diseño de los módems, aunque reduce la capacidad de transmisión en sentido descendente, no tanto por el menor número de subportadoras disponibles como por el hecho de que las de menor frecuencia, aquéllas para las que la atenuación del par de cobre es menor, no están disponibles. La segunda modalidad, basada en un cancelador de ecos para la separación de las señales correspondientes a los dos sentidos de transmisión, permite mayores caudales a costa de una mayor complejidad en el diseño. En la Figura 9 y en la Figura 10 se muestran los espectros de las señales transmitidas por los módems ADSL tanto en sentido ascendente como descendente. Como se puede ver, los espectros nunca se solapan con la banda reservada para el servicio telefónico básico, y en cambio sí que se solapan con los correspondientes al acceso básico RDSI. Por ello el ADSL y el acceso básico RDSI son incompatibles. Como se dijo antes, en un par de cobre la atenuación por unidad de longitud aumenta a medida que se incrementa la frecuencia de las señales transmitidas. Y cuanto mayor es la longitud del bucle, tanto mayor es la atenuación total que sufren las señales transmitidas. Ambas cosas explican que el caudal máximo que se puede conseguir mediante los módems ADSL varíe en función de la longitud del bucle de abonado. DSL (Digital Subscriber Line) 12
En la Figura 11 se representa la curva del caudal máximo en Kbps, tanto en sentido ascendente como descendente, que se puede conseguir sobre un bucle de abonado con un calibre de 0,405 mm., sin ramas multipladas. En la figura se representan las curvas con y sin ruido. La presencia de ruido externo provoca la reducción de la relación Señal/Ruido con la que trabaja cada una de las subportadoras, y esa disminución se traduce en una reducción del caudal de datos que modula a cada subportadora, lo que a su vez implica una reducción del caudal total que se puede transmitir a través del enlace entre el ATU-R y el ATU-C. Hasta una distancia de 2,6 Km de la central, en presencia de ruido (caso peor), se obtiene un caudal de 2 Mbps en sentido descendente y 0,9 Mbps en sentido ascendente. Esto supone que en la práctica, teniendo en cuenta la longitud media del bucle de abonado en las zonas urbanas, la mayor parte de los usuarios están en condiciones de recibir por medio del ADSL un caudal superior a los 2 Mbps. Este caudal es suficiente para muchos servicios de banda ancha, y desde luego puede satisfacer las necesidades de cualquier internauta, teletrabajador así como de muchas empresas pequeñas y medianas. Fig. 11: Caudal máximo (kbps) de los módems ADSL en función de la long. del bucle de abonado c) FEC (Forward Error Correction) Además de la elección de una técnica de codificación robusta, los códigos de corrección de errores proveen una herramienta poderosa para proteger las señales transmitidas de ruido e interferencia. Adicionando un bajo porcentaje de código extra (redundante) en forma cuidadosa, es posible DSL (Digital Subscriber Line) 13
incrementar satisfactoriamente la eficiencia de un canal de comunicación. Diferentes técnicas proveen diferentes beneficios, mejoras en la performance para la misma potencia de señal ( ó mantenimiento de la performance con reducción de la potencia de señal), mejoras en la habilidad de mantener el ruido por debajo de ciertos límites ó asegurando una buena calidad de servicio. Todo lo expuesto anteriormente es fácilmente implementable en pastillas de silicio de costo reducido. Virtualmente cualquier sistema de comunicación en el mundo actual, utiliza corrección de errores y codificación, y es casi inconcebible que alguno de estos sistemas ignore los beneficios de su inclusión. Además los códigos convolucionales (Código Trellis, el más reciente, utilizado en T1.413), son usados universalmente en la capa física del modelo OSI. Todos los módems ADSL, sin importar el código que utilicen para el tratamiento de las señales entrantes, implementan Reed Solomon Forward Error Correction (FEC), intercalando ráfagas de corrección de errores de hasta 500 µs de longitud. Esto se hace a expensas del incremento de la latencia, que no es aceptable en muchas aplicaciones. Para poder soportar sesiones TCP/IP y video simultáneas, los módems ADSL tienen buffers rápidos y lentos, es decir, dos tramas paralelas para transportar datos en modos intercalado y no intercalado. Cada símbolo transmitido con codificación CAP, ocupa todo el ancho de banda del canal, entonces, alto nivel de ruido impulsivo (ruido en el dominio del tiempo) y/ó alto nivel de ruido en el dominio de frecuencial (ruido presente por largo tiempo sobre un rango particular de frecuencias) causarán errores en la detección. Con codificación DMT, el ruido en el dominio frecuencial es acotable, la tasa de datos por canal ruidoso es menor (que corresponde a una subportadora), afectará uno ó más subportadoras directamente; en el dominio del tiempo el ruido será promediado sobre la duración de un tono, reduciendo su efecto. DMT podrá adaptarse mejor ajustando la densidad de la constelación, impidiendo el gasto inútil de energía en dicha banda. d) DSLAM Como antes se ha explicado, el ADSL necesita una pareja de módems por cada usuario: uno en el domicilio del usuario (ATU-R) y otro (ATU-C) en la central local a la que llega el bucle de ese usuario. Esto complica el despliegue de esta tecnología de acceso en las centrales. Para solucionar esto surgió el DSLAM ("Digital Subscriber Line Access Multiplexer"): un chasis que agrupa gran número de tarjetas, cada una de las cuales consta de varios módems ATU-C, y que además concentra el tráfico de todos los enlaces ADSL hacia una red WAN Fig. 12: DSLAM DSL (Digital Subscriber Line) 14
La integración de varios ATU-Cs en un equipo, el DSLAM, es un factor fundamental que ha hecho posible el despliegue masivo del ADSL. De no ser así, esta tecnología de acceso no hubiese pasado nunca del estado de prototipo dada la dificultad de su despliegue, tal y como se constató con la primera generación de módems ADSL. e) ATM sobre ADSL Estas son las ventajas del acceso ADSL: Gran ancho de banda en el acceso: permite el intercambio de información en formato digital a gran velocidad entre un usuario y la central local a la que se conecta mediante un par de cobre. Este ancho de banda está disponible de forma permanente. Se aprovecha una infraestructura ya desplegada, por lo que los tiempos de implantación de los servicios sobre la nueva modalidad de acceso se acortan. El acceso es sobre un medio no compartido, y por tanto intrínsecamente seguro. Ahora bien, cómo se puede sacar provecho de esta gran velocidad de acceso? Las redes de comunicaciones de banda ancha emplean el ATM ("Asynchronous Transfer Mode") para la conmutación en banda ancha. Desde un primer momento, dado que el ADSL se concibió como una solución de acceso de banda ancha, se pensó en el envío de la información en forma de células ATM sobre los enlaces ADSL. En los estándares sobre el ADSL, desde el primer momento se ha contemplado la posibilidad de transmitir la información sobre el enlace ADSL mediante células ATM. La información, ya sean tramas de vídeo MPEG2 o paquetes IP, se distribuye en células ATM, y el conjunto de células ATM así obtenido constituye el flujo de datos que modulan las subportadoras del ADSL DMT. Si en un enlace ADSL se usa ATM como protocolo de enlace, se pueden definir varios circuitos virtuales permanentes (CVPs) ATM sobre el enlace ADSL entre el ATU-R y el ATU-C. De este modo, sobre un enlace físico se pueden definir múltiples conexiones lógicas cada una de ellas dedicadas a un servicio diferente. Por ello, ATM sobre un enlace ADSL aumenta la potencialidad de este tipo de acceso al añadir flexibilidad para múltiples servicios a un gran ancho de banda. Otra ventaja añadida al uso de ATM sobre ADSL es el hecho de que en el ATM se contemplan diferentes capacidades de transferencia (CBR, VBR-rt, VBR-nrt, UBR y ABR), con distintos parámetros de calidad de servicio (caudal de pico, caudal medio, tamaño de ráfagas de células a velocidad de pico y DSL (Digital Subscriber Line) 15
retardo entre células consecutivas) para cada circuito. De este modo, además de definir múltiples circuitos sobre un enlace ADSL, se puede dar un tratamiento diferenciado a cada una de estas conexiones, lo que a su vez permite dedicar el circuito con los parámetros de calidad más adecuados a un determinado servicio (voz, vídeo o datos). Fig. 13: DSLAM ATM En los módems ADSL se pueden definir dos canales, uno el canal "fast" y otro el "interleaved". El primero agrupa los CPPs ATM dedicados a aplicaciones que pueden ser sensibles al retardo, como puede ser la transmisión de voz. El canal "interleaved", llamado así porque en el se aplican técnicas de entrelazado para evitar pérdidas de información por interferencias, agrupa los CVPs ATM asignados a aplicaciones que no son sensibles a retardos, como puede ser la transmisión de datos. A nivel de enlace, algunos suministradores de equipos de central para ADSL han planteado otras alternativas al ATM, como PPP sobre ADSL y frame-relay sobre ADSL, pero finalmente no han tenido mucho predicamento. Los estándares y la industria han impuesto el modelo de ATM sobre ADSL. En ese contexto, el DSLAM pasa a ser un conmutador ATM con múltiples interfaces, una de ellas sobre STM-1, STM-4 ó E3, y el resto ADSL-DMT, y el núcleo del DSLAM es una matriz de conmutación ATM sin bloqueo. De este modo, el DSLAM puede ejercer funciones de policía y conformado sobre el tráfico de los usuarios con acceso ADSL. En la Figura 14 se muestra la torre de protocolos con ATM sobre ADSL. DSL (Digital Subscriber Line) 16
Fig. 14: Torre de protocolos con ATM sobre ADSL 3. RADSL Los problemas que han impactado en el desarrollo de xdsl, son las velocidades dependientes de la longitud del lazo de abonado, del diámetro del cable de cobre, las condiciones eléctricas de la línea y las condiciones ambientales. Todos estos parámetros varían de lazo en lazo, aunque están administrados por la misma central (CO). Para darle una solución a estos inconvenientes y facilitar la provisión de este servicio, se utiliza la técnica de adaptación de velocidad desarrollando una serie de tests automáticos de inicialización sobre los pares telefónicos antes de comenzar la transmisión de datos, para determinar la máxima tasa de transmisión que los pares pueden soportar, similar a los tests que realizan los módems analógicos. Esto le provee una performance óptima a cada uno de los enlaces. La capacidad de adaptación de velocidad de acuerdo al estado del lazo, proviene de la tecnología ADSL y se denomina RADSL. 4. HDSL a) Aspectos Generales Fue la primer tecnología xdsl desarrollada para transmisión de alta velocidad, full duplex, T1 y E1 sobre pares de cobre y la que ha estado disponible comercialmente desde varios años atrás. Utiliza un ancho de banda de transmisión que va desde 80 KHz a 240 KHz, sobre una distancia desde el abonado a la CO de 3500 m. en pares de cobre de 0.5 mm. de diámetro sin necesidad de utilizar repetidores, acondicionadores de lazo de abonado ó selección de pares. Desarrolla velocidades simétricas de 1.544 Mbps y 2.048 Mbps sobre dos pares de cobre (dos líneas de abonado) ó tres pares. HDSL se utiliza típicamente en dos configuraciones: una en la cual el módem llega directamente al local del cliente, y otra llega a una terminación del plantel exterior de la cual salen las conexiones por pares trenzados al cliente. Como las características de los cables del plantel exterior del proveedor de servicios telefónicos varían ampliamente, el sistema HDSL deberá estar preparado como para compensar no sólo las diferencias en la atenuación, impedancia, etc., sino también los retardos diferenciales de transmisión entre los pares utilizados por el mismo equipo. Las señales son transmitidas en modo full duplex ó sea bidireccional en el mismo par de cables. Para estar de acuerdo con esto, los módems deben cumplir la función del transformador híbrido para separar las direcciones de transmisión y recepción. Para ayudar a diferenciar entre la transmisión del módem DSL (Digital Subscriber Line) 17
remoto y reflexiones de la propia transmisión de las irregularidades en el par trenzado debidas a las variaciones en las dimensiones del cable, se deben utilizar técnicas de cancelación de eco. Para aumentar la distancia que entre los equipos terminales, los fabricantes ofrecen regeneradores de línea compatibles con este sistema, que en general duplican la distancia máxima de alcance. A mediados de 1980 el Comité T1 de Estados Unidos, crea el estándar de interfaz U, usando cuatro niveles como código de línea, conocido como 2B1Q. Es una modulación PAM (Modulación por Amplitud de Pulsos) de cuatro niveles, sin redundancia, donde cada par de bits de información es convertida a un símbolo cuaternario, llamado quat (los bits tienen sólo dos niveles de señal, los quats asumen cuatro). A continuación se muestra la regla de codificación 2B1Q Dígitos binarios Símbolos cuaternarios 00-3 01-1 10 + 1 11 + 3 Los niveles de tensión de la señal cuaternaria están simétricamente ubicados alrededor de 0 Volt, el nivel de tensión de pico especificada por los estándares HDSL es 2.64 V. En la figura siguiente podemos ver una secuencia de datos aleatoria codificada. +3 (+2.64 V) +1 (+0.88 V) 0 (0 V) -1 (-0.88 V) -3 (-2.64 V) Quats Bits +1 +3-3 -1-1 +1-1 -3 +3 +3-1 +1 11 10 00 01 01 11 01 00 10 10 01 11 Debido a la codificación adoptada, la tasa de símbolos en un enlace HDSL corresponde a la mitad de la tasa binaria. Tomando un vínculo contratado en 2 Mbps (2048 kbps) y considerando además el encabezado para propósitos de almacenamiento de datos, la tasa de símbolos requerida para operar en dos pares es 584 kbaudios (equivalente a 1168 kbps) por par de cobre. Debido a la reducción producida por la codificación, el máximo rango de velocidad que puede alcanzar un enlace HDSL se incrementa. Junto con el avance de las técnicas de procesamiento digital de señales implementadas en los sistemas HDSL, resulta en un sistema de transmisión de datos que puede operar DSL (Digital Subscriber Line) 18
en forma segura sobre pares trenzados comunes, no acondicionados, de bajo costo, superando muchas veces los rangos que pueden ser alcanzados por la transmisión directa de la señal E1. Aplicaciones típicas incluyen conexiones de redes PBX (Private Branch Exchange), radio-bases de telefonía celular, lazos con portadora digital, sistemas de enlaces de datos PaP (Punto a Punto), servidores de Internet y redes de datos privadas. La tecnología HDSL es la más madura de las DSL, con tasas que llegan hasta los megabits, se han encontrado nuevas aplicaciones especialmente para accesos de Internet, accesos de LAN remotas, aunque la tecnología ADSL es más apropiada en algunos de estos casos. b) Proceso de transmisión en línea HDSL El proceso de transmisión sobre una línea HDSL se constituye por dos etapas: Start-up y transmisión de datos. Para operar en forma apropiada, el sistema HDSL opera de modo master-slave. De esta manera, una de las unidades actúa como master, que determina la asignación de carga útil entre los dos pares, controla el procedimiento de start-up del sistema, provee la referencia de clock para los pares HDSL y maneja la comunicación del canal de operaciones fijo (eoc: Embedded Operations Channel) La unidad master se denomina LTU, Line Termination Unit (Unidad de Terminación de Línea), en general se encuentra alojada en la oficina central del enlace, mientras que la unidad esclava es llamada NTU, Network Termination Unit (Unidad de Terminación de Red), alojada en el sitio remoto del enlace. Vamos a detallar los dos procesos de transmisión HDSL: 1) Proceso de Start-up ó inicialización Para establecer la comunicación en dos vías, el LTU y el NTU intercambian señales especiales durante el proceso de inicialización. Este proceso incluye las siguientes actividades: Sincronización de los receptores HDSL con los transmisores. Parametrización de los canceladores de eco y los ecualizadores de línea. Detección y compensación automática de polaridad inversa en cada uno de los pares. Detección y compensación automática de intercambio de pares. Detección automática de regeneradores instalados en la línea entre el LTU y el NTU. 2) Proceso de Transmisión de Datos Este proceso comienza inmediatamente después de un proceso completo de inicialización satisfactorio. En esta etapa, el sistema HDSL transfiere en forma transparente, los datos de aplicación entre las dos unidades (LTU y NTU), pero continúa monitoreando la transmisión de la línea, y transferir el eoc. c) Resumen del sistema HDSL DSL (Digital Subscriber Line) 19
El sistema HDSL posee como funciones principales: Mapeo de los bits de datos de entrada en tramas HDSL, para la transmisión en pares HDSL. Esta operación ya ha sido descripta. Gestión de procedimiento de transmisión de la línea HDSL. Transmisión de datos a través de pares Además de la gestión y coordinación de la operación del sistema, la unidad LTU provee los siguientes servicios: Provee la referencia de tiempo para los pares HDSL; la unidad NTU, y el regenerador cuando está presente, se sincronizan al clock que provee la unidad LTU. Determina el número de pares HDSL, y distribuye las tramas centrales a través de los pares. La unidad NTU chequea cuándo los pares están correctamente conectados, corrige las conexiones internamente (respecto al los números de pares y a la polaridad de los hilos de cada par). Determina el orden de los datos transmitidos, para asegurar que el orden de los bits está en concordancia con los que provee el equipamiento del usuario. La transmisión de datos en cada par HDSL es full duplex y excepto por la distribución de los bits de carga útil entre dos pares, cada par HDSL opera independientemente. Para habilitar la transmisión duplex, los transceptores HDSL utilizan un cancelador de eco, basados en técnicas de procesamiento digital avanzado (DSP). Cuando el sistema entra en operación, el cancelador de eco debe ser habilitado para permitir la separar la señal recibida de la señal transmitida. La habilitación ó aprendizaje está conformada por la transmisión de una secuencia conocida especial durante un determinado período. Este proceso se lleva a cabo durante la inicialización del equipo, la transmisión de datos sólo puede comenzar si esta etapa se ha cumplido satisfactoriamente. Luego del proceso de start-up, el equipo NTU corrige la polaridad de las conexiones de los pares, y comienza a transferir datos de usuario. 5. SDSL También conocida como DSL simétrica, es la versión de HDSL de un solo par, y provee el mismo ancho de banda en ambas direcciones. SDSL opera sobre una línea telefónica normal, y puede soportar T1 ó E1 y POTS (Public Old Telephone Service) simultáneamente. Los sistemas comerciales actuales proveen tasas de 384 kbps, 768 kbps, 1.5Mbps (T1) y 2Mbps (E1). SDSL se utiliza en servicios tradicionales como FR (Frame Relay), líneaspap contratadas, videoconferencias. DSL (Digital Subscriber Line) 20
La ventaja más significativa de SDSL es su aplicación sobre un único par telefónico que se adapta especialmente a clientes residenciales. Ofrece un potencial significativo en la reducción del costo de provisión de muchos servicios de red simétricos. Aunque los servicios simétricos (videoconferencias) se adaptan mejor para SDSL, no son aplicaciones de primera necesidad para la mayoría de los usuarios residenciales. Acceso a Internet y a LAN s remotas son los servicios que estos usuarios utilizan con más frecuencia, pero que se aplican mejor a tecnologías asimétricas. Una aplicación que está creciendo con mucha rapidez es el Web Hosting, centralizando la información en servers, pero también con requerimientos de ancho de banda asimétricos. Hasta que el modelo de redes distribuidas, donde los usuarios tengan los sitios Web en sus servidores, inclusive en sus domicilios residenciales, sea una realidad, los requerimientos de ancho de banda simétricos no son necesarios. De cualquier modo una limitación de SDSL es la longitud del lazo comparada con ADSL, de hasta 3200 m., puede alcanzar tasas de hasta 6 Mbps, aunque en una sola dirección, sobre el mismo par telefónico. 6. VDSL VDSL es un esquema de transmisión, similar a ADSL, a excepción de las velocidades de datos que son mucho mayores y las longitudes de lazo mucho menores. Servicios de telefonía analógica (POTS) también están incluidos como en el caso de ADSL. No existe aún un estándar para VDSL, pero las velocidades del canal downstream van desde 12.96 Mbps para pares de cobre de hasta 1200 m. de longitud a 51.84 Mbps para distancias de 350 m.. Para el canal upstream las velocidades sugeridas van desde 1.6 Mbps a 2.3 Mbps. Aunque las longitudes de lazo son mucho menores que en ADSL, VDSL fue diseñado sólo para áreas densamente pobladas, donde la CO (Central Office) está ubicada muy cerca del cliente ó la fibra óptica termina en un distribuidor de cable muy cerca del área de servicio para mantener las distancias acotadas. Partiendo de la premisa que los lazos son de corta distancia, existen por lo tanto menores problemas de performance de la línea con la consiguiente reducción de costo de los módems VDSL respecto de los ADSL. Dejando de lado esta ventaja, VDSL impone el requerimiento de instalación de plantel de FTTC (Fiber to The Curb, ó fibra hasta el borde), considerada como solución costosa y de tecnología para el futuro, debido al desarrollo de infraestructura requerido. 7. ADSL G.Lite Los teléfonos no están preparados para recibir las frecuencias de hasta 1 MHz con que trabaja ADSL. Inversamente los módems ADSL no soportan muy bien las señales de baja frecuencia características del teléfono analógico. Como ya se explicó, para reducir la interferencia mutua entre el teléfono y el módem ADSL se instala un divisor de frecuencias o splitter en ambos extremos del bucle de abonado, es decir DSL (Digital Subscriber Line) 21
en la central telefónica y en la vivienda. El divisor de frecuencias está formado por dos filtros, uno para las altas frecuencias y uno para las bajas, a los que se conecta respectivamente el teléfono y el módem ADSL. En la central telefónica la instalación del splitter no plantea problemas, pero en la vivienda su instalación aumenta de forma considerable los costos de instalación de un acceso ADSL. Por esta razón se ha desarrollado una versión de ADSL denominada ADSL G.Lite (También llamada ADSL Universal o ADSL Splitterless ) que funciona sin necesidad del splitter en el lado de la vivienda; el del lado de la central telefónica se mantiene ya que su instalación no requiere el desplazamiento del técnico. Para reducir la interferencia producida entre el teléfono y el módem ADSL como consecuencia de la supresión del splitter se adoptan las siguientes medidas: Se reduce la frecuencia máxima del canal descendente; por ejemplo cuando se utiliza modulación DMT en ADSL G.Lite el número total de bits se reduce a la mitad, con lo que la frecuencia máxima es de 552 KHz. Esto reduce la interferencia producida en el teléfono a costa de reducir la capacidad en el canal descendente. Se reduce en 6 db la potencia emitida por el módem ADSL situado en la vivienda, que es el que más puede afectar el funcionamiento del teléfono. Esto equivale a reducir la potencia a la cuarta parte. A cambio la relación señal/ruido disminuye en 6 db, lo cual conlleva una reducción en la capacidad (o el alcance) del canal ascendente. Se integra en el módem ADSL un filtro de bajas frecuencias para evitar que el módem ADSL sufra las interferencias producidas por el teléfono; dicho de otro modo, desde el punto de vista del módem ADSL el comportamiento es equivalente a cuando había un splitter. Se utilizan modulaciones menos eficientes, para compensar por la mayor cantidad de ruido. Mientras que en ADSL normal (con splitter) pueden llegar a transmitirse 16 bits por símbolo, en ADSL G.Lite el máximo que se utiliza es de 8 bits por símbolo. En conjunto ADSL G.Lite consigue unos rendimientos típicos máximos de 1,5 Mb/s en sentido descendente y de 200 Kb/s en ascendente. Aunque inferior al de ADSL normal es suficiente para muchas aplicaciones y a cambio simplifica y abarata considerablemente el costo de instalación. Existen equipos ADSL de central telefónica que pueden interoperar indistintamente con usuarios ADSL y ADSL G.Lite. Fig. 15: Comparación de tecnologías xdsl DSL (Digital Subscriber Line) 22
8. ADSL2+ A principios de 2003 la ITU (Unión Internacional de Telecomunicaciones) aprobó dos nuevos estándares, el G.992.3 y el G.992.4 para el desarrollo de lo que sería la nueva generación de ADSL. Las principales características de estos avances son la velocidad de conexión y un ahorro de energía. Posteriormente la ITU aprobó el estándar G.992.5, lo que hoy en día se conoce como ADSL2+ cuya principal novedad es su velocidad que alcanza los 24 Mbps de bajada. El estándar ADSL2+ es, como se dijo, una evolución del sistema ADSL que añade nuevas características y funcionalidades encaminadas a mejorar las prestaciones y la interoperabilidad y añade soporte para nuevas aplicaciones y servicios. El rango de frecuencia utilizado es de: 0 4 Khz. para el canal de voz. 25 500 Khz. para el canal de subida de datos. 550 Khz. 2,2 Mhz. para el canal de bajada de datos. DSL (Digital Subscriber Line) 23