redes coaxiales para carriers multiservicios - utb 2013.ppt

Arquitecturas Convergentes Agenda:

Redes Coaxiales usadas para Carriers multiservicios Historia Evolución de arquitecturas Servicios

Redes Convergentes y NGN Televisión digital terrestre y Television IP

Ing. Salim Yamal [email protected]

Redes Coaxiales usadas para Carriers multiservicios

HISTORIAHISTORIA


TV POR CABLE

La CATV en USA: 65.000.000 de hogares tienen TV por Cable La penetración es de casi el 70 % La disponibilidad del servicio es del 97%

Principio conceptual de operación: F.D.M. o Multiplexación por División de Frecuencia.

CABECERA ANALÓGICA

La parte digital está compuesta por codificación, compresión, acceso condicional, multiplexación y modulación.

Buena parte del trabajo lo hacen los Set-Top-Box ó decodificadores del usuario.

CABECERA ANALÓGICA Y DIGITAL

RED CLASICA DE TV POR CABLE

RED DE CABLE MEJORADA

Receptor Óptico

Transmisor Óptico

IMPLEMENTACIÓN TEMPRANA DE CABLE MODEMS La primera generación de cable

módems estaba basada en una tecnología propietaria de un fabricante específico

No había interoperatividad Costo elevado de equipos de usuario

final

Cable modem de una sola vía con retorno telefónico

Cable modem de una sola vía con retorno telefónico

PROS: Puede usarse en sistemas de una vía

CONTRAS: Costo elevado por uso del teléfono Baja velocidad de subida Posible cuello de botella por tono

ocupado Bajo potencial de servicios comerciales

Sistema de Cable modem de dos vías

Sistema de Cable modem de dos vías

PROS: Altas velocidades en ambas direcciones Conexión “siempre encendida” No se paga por conexiones a la

telefónica Mas oportunidades de servicios

comerciales CONTRAS:

La red de cable debe ser de dos vías (tener retorno implementado)

Bandas de Frecuencia

BANDA DERETORNO

BANDABAJA

RADIO FM

BANDAMEDIA

BANDAALTA

SUPERBANDA

HIPERBANDA

VIDEODIGITAL

DIRECTADATOS DIGIT.

40 MHz

5 MHz

54 MHz

88 MHz

108 MHz

174 MHz

216 MHz

300 MHz

600 MHz

450 MHz

750 MHz

Se utiliza para enviar señales

hacia el cabezal (RETORNO)

CANALES DE TVANALOGICOS

CANALEST7 al T10

CANALES2 al 6

CANALES14 al 22

Telefonía, PCS

CANALES37 al 61

CANALES23 al 36

CANALES7 al 13

CANALES DE TVDIGITALES

(COMPRIMIDOS)

DATOS DIRECTA

DISTRIBUCIÓN DEL ANCHO DE BANDA

RED H.F.C.

RED MULTISERVICIOS H.F.C.

EVOLUCION DE EVOLUCION DE ARQUITECTURASARQUITECTURAS


Esquema general de la Red

CATV

Fue el sistema pionero de la banda ancha.

Cada canal de TV exigía 6 MHz, por lo tanto el ancho de banda del medio debía ser muy amplio.

En sus orígenes la CATV fue la suma de canales de TV analógicos sobre redes tipo “ árbol y ramas”de cable coaxial.

Ahora es un sistema de canales digitales sobre una red Híbrida de fibra óptica y cable coaxial con nodos menores a 500 H.P.

Pecado original: La separación asimétrica de las bandas en sentido directo y reverso. Apenas 40 Mhz para el retorno.

TELEVISIÓN POR CABLE

Arquitectura Tipo Arbol y Rama

(Tree & Branch) Es la arquitectura tradicionalmente utilizada en las

redes de CATV desde 1950 hasta 1990 Consta de dos partes básicas : - Línea troncal que se va ramificando. - Línea de distribución que se deriva de la troncal. Conexiones a usuarios se toman de la distribución Cascada de amplificadores troncales = 30 o 40 amp Cascada de distribucion = 1 Bridger + 3 extensores Ancho de banda típico 220 MHz hasta 550 MHz. Espaciamiento típico 22 a 25 dB.


Esquema Básico


Calidad de señal muy dependiente de la ubicación del cliente respecto al headend.

Fluctuaciones de nivel de señal al final de la línea por la gran cantidad de dispositivos en cascada.

Poco confiable, gran cantidad de dispositivos encadenados genera múltiples puntos de falla.

Inapropiada para servicios bidireccionales :

- Baja capacidad de retorno compartida entre muchos

- Efecto de acumulación de ingreso interferencias Limitación de ancho de banda

Arquitecturas tipo HFC

HFC = Arquitectura hibrida de fibra optica y cable coaxil

Cada variacion de diseño tiene su acronismo - CAN = Cable Area Network - FBB = Fiber Backbone - FTF = Fiber to the Feeder - FTLA = Fiber to the Last Active - FTTC = Fiber to the Curb - FTTH = Fiber to the Home

Arquitecturas Tipo HFC

Esta arquitectura se basa en una estructura celular donde enlaces de fibra óptica vinculan pequeñas celdas (nodos) con la cabecera del sistema.

Característica de las construcciones desde 1990. Tamaño del nodo óptico :

- 1990-1995 => 2000 a 5000 hogares - 1995-2000 => 1000 a 2000 hogares - 2000-2005 => 100 a 1000 hogares Ancho de Banda :

- 1990-1995 => 550 a 750 MHz - 1995-2000 => 750 a 860 MHz - 2000-2005 => 860 a 1000 MHz

Cable Area Network - CAN

Mas que una arquitectura se trata de una herramienta de actualización del sistema (upgrade).

Consiste en reemplazar partes de la linea troncal por enlaces de fibra óptica.

Permite mejorar la confiabilidad y la calidad de la señal al reducir cascadas de amplificadores.

Permite implementar sistemas redundantes si se utiliza la vieja troncal como reserva.

Permite utilizar este recurso como alternativa para ampliar el ancho de banda reemplazando troncales por equipos de mayor ganancia (superior a 30 dB)

Cable Area Network

Fiber Backbone

Si se invierte la posicion de algunos amplificadores de la vieja troncal se logra optimizar la relación entre cascada y cantidad de enlaces de fibra.

Se pierde la redundancia al no poder utilizarse la vieja troncal como reserva.

Esta arquitectura se utilizo tanto en actualización como en nuevas construcciones a fines de los 80s

Fiber Backbone

Fiber to the Feeder

Esta arquitectura parte de definir el alcance del nodo optico en funcion de una cierta cantidad de casas pasadas o extension geografica.

La calidad de señal buscada tambien limita la extension del nodo optico.

En el tramo coaxial diferenciamos lineas expreso (express feeder) y lineas de distribucion.

Es practica comun no intercalar derivadores domiciliarios (multitaps) sobre las lineas expreso.

Fiber to the Feeder

Fiber to the Last Active

Esta arquitectura ubica un nodo óptico con varias salidas operando en alto nivel para alimentar una gran cantidad de clientes.

Nodos pequeños, menos de 100 hogares típico.

No existen amplificadores en cascada. La distribución es totalmente pasiva

PON = Passive Optical network. Arquitectura eficiente en areas de

densidad media o alta.

Fiber to the Last Active

Fiber to the Curb

El cable de fibra optica llega hasta la puerta de la casa del suscriptor (curb = cordon de la vereda).

Esta arquitectura se basa en mini-nodos de bajo costo con 4 , 8 o 16 salidas.

Nodos muy pequenos, menos de 20 hogares Igual que la arquitectura de fibra hasta el

ultimo activo es totalmente pasiva. Arquitectura muy rica en tendido de fibra La unica limitacion de ancho de banda esta

en el enlace optico

Fiber to the Home

El cable de fibra optica ingresa a la casa del cliente

Se requieren cables de gran cantidad de fibras opticas.

Todavia no resulta economicamente viable en ciertos paises

Consideraciones sobre la Cantidad de Fibras

Fiber count = cantidad de fibras opticas que se asignan a cada nodo.

Debe definirse si se va a permitir dividir la senal optica en la calle. Es preferible hacer todo el manejo de las señales ópticas (division, conmutacion y combinacion) en el headend.

Minima cantidad de fibras = 2 por nodo (1 fibra para directa y 1 fibra para reversa)

Cantidad de fibras recomendada 8 a 12 por nodo 12 fibras = 4 directa + 4 reversa + 4 reserva

Arquitectura HFCEvolución

A medida que el tamaño del nodo va disminuyendo cada vez se requiere que mas fibras ópticas lleguen hasta la cabecera del sistema.

En sistemas sin redundancia el numero de fibras en los cables se ira reduciendo a medida que nos alejemos de la cabecera (modulo escalonado)

En sistemas redundantes tendremos un anillo con cantidad constante de fibras (modulo constante)

Con nodos pequeños se tiene casi la misma calidad de señal en cualquier punto del sistema.

Arquitectura HFCEstrellas de Fibra - Módulo

Decreciente

Arquitectura HFCAnillos de Fibra – Modulo

Constante

Arquitectura HFCCaso Real - Cantidad de

Fibras Consideremos los siguientes parámetros :

- Ciudad de 1.000.000 hogares- Nodos de 1000 hogares pasados.

- Previsión de 12 fibras ópticas por nodo. Con estas hipótesis resulta :

- Cantidad total de nodos = 1000

- Cantidad total de fibras ópticas llegando

a la cabecera del sistema = 12000

Arquitectura HFC - Segmentación

Para reducir la cantidad de fibras que llegan al Headend dividimos al sistema en unidades menores denominadas HUBs .

Desde el Headend llegamos a los HUBs con enlaces redundantes de fibra (anillos).

Desde los hubs llegamos a los nodos con : - Enlaces redundantes (anillos) - Enlaces no redundantes (estrella o modulo

decreciente)

Arquitecturas HFC modernasArquitecturas HFC modernas

De acuerdo a las consideraciones anteriores resultan tres arquitecturas modernas tipo HFC.

Anillo – Estrella : Anillo entre HUBs y estrella al nodo. Doble Anillo :

Anillo entre HUBs y anillo entre los nodos. Anillo – Anillo – Estrella Introduce el concepto de HUB secundario.

Anillo HUBs primarios y anillo HUBs secundarios Estrella de Hub secundario al nodo.

Arquitectura HFCArquitectura HFCTipo Anillo - EstrellaTipo Anillo - Estrella

Arquitectura HFCArquitectura HFCTipo Anillo - AnilloTipo Anillo - Anillo

Arquitectura HFCArquitectura HFCTipo Anillo – Anillo - Tipo Anillo – Anillo -

EstrellaEstrella

Anillo Óptico Headend – HubDividiendo la señal Óptica en

Headend

Anillo Óptico Headend – HubDividiendo la señal Óptica en

Anillo

Broadcast & NarrowcastBroadcast & Narrowcast

Broadcast = La misma información esta presente en todos los puntos del sistema. Estructura típica de transmisión en la arquitectura tipo “Árbol y Rama” (Tree & Branch)

Narrowcast = Se transmite información diferenciada según el cliente o la región geografica. Las diferentes variantes de la arquitectura HFC permiten segmentar el area de cobertura enviando información especifica según el nodo, grupo de nodos o HUB.

Servicios Tipo NarrowcastServicios Tipo Narrowcast

Canal de información local o regional. (Diferenciado por HUB o grupo de HUBs)

Servicios de Video por Demanda (VOD). (Diferenciado por nodo o grupo de nodos)

Servicios de Telefonía y Datos . (Diferenciado por nodo o grupo de nodos)

Inserción de publicidad diferenciada por target de audiencia.(Diferenciado por nodo o grupo de nodos)

Al direccionar la información solo al usuario que debe recibirla se logra optimizar el uso del ancho de banda (permite el reuso de frecuencias)

Arquitecturas de NarrowcastArquitecturas de Narrowcast

Narrowcast a nivel RF desde el HUB. CWDM (Coarse Wave Division Multiplexing):

1550nm Broadcast / 1310 Narrowcast

DWDM (Dense wave Division multiplexing): 1310nm Narrowcast / 1550 Broadcast

DWDM (Dense Wave Division Multiplexing): 1550nm Narrowcast / 1550 Broadcast

Narrowcast a Nivel RF desde Narrowcast a Nivel RF desde el Hubel Hub

CWDM – Narrowcast en 1310 CWDM – Narrowcast en 1310 nmnm

DWDM – Narrowcast en 1550 DWDM – Narrowcast en 1550 nmnm

SERVICIOSSERVICIOS


La plataforma HFC utilizada por los sistemas de cable siempre se ha considerado como la ideal para implementar todos los servicios de banda ancha de tipo interactivo como: •Transmisión de datos a alta velocidad•Telefonía Interactiva•VOD: video bajo demanda•S-VOD: suscripción por demanda•ITV: televisión interactiva•VoIP: voz IP

Muchas de esta aplicaciones ya están completamente establecidas.

PERO el operador de cable no puede implementarlas sin una adaptación previa a sus condiciones técnicas, y a su MERCADO. Por lo tanto es bueno conocer sus fundamentos.

APLICACIONES SOBRE LA PLATAFORMA HFC DE LAS REDES CATV

SERVICIOS POR RED H.F.C.

Entretenimiento:

TV Regular

Pago por Evento

Video en demanda

TV Interactiva

Guía de Programación

Educación: Educación a distanciaEntrenamiento Interactivo Comunicaciones públicas: Telefonía local IPLarga distancia IPInternetVideo conferencia



Comunicaciones privadas: Redes virtualesTelemedicina Automatización de Edificios: Lectura de serviciosTarifas diferencialesSeguridad

Es un conjunto de especificaciones que describe y regula la transmisión de datos por las redes HFC.

Fue desarrollado con el fin de crear interoperabilidad entre todos los equipos desarrollados por diferentes fabricantes. El esquema conceptual del sistema de datos a través de la red de cable se muestra a continuación.

DOCSIS

Data Over Cable Service Interface Specifications

Protocolo IP entre redes

STACK DEL DOCSIS

DHCP TOD SNMP WEB E-MAIL NOTICIAS

UDP TCP


Encriptación de Datos

MAC Control de acceso al medio

Convergencia de Transmisión MPEG-2 (sentido directo)

Formatos de Modulación de la capa física

Protocolos Específicos de DOCSIS

Protocolos conocidos que operan

sobre DOCSIS

Las cuatro capas inferiores son para la comunicación física entre el Cable modem y el CMTS. Corresponden en el modelo OSI a las capas FÍSICA y de UNION o LINK.

Las tres capas superiores del protocolo DOCSIS son las operaciones normales del protocolo IP

PROTOCOLO DOCSIS


UDP TCP








sobre DOCSIS

PROTOCOLO DOCSIS

El Cable MODEM recibe de las capa superior o de RED IP un paquete tipo ETHERNET.

En las cuatro capas inferiores el CM lo encripta, provee acceso a la vía de retorno, lo empaqueta en MPEG, y, por último modula los datos en la red de cable.


UDP TCP








sobre DOCSIS

•La capa física contempla el esquema de modulación usado en el cable coaxial. Para DOCSIS 1.0, en sentido directo, se utiliza 64 a 256 QAM. Para el retorno se emplea QPSK y 16QAM.•La capa de Convergencia MPEG-2 se usa solamente en sentido directo para encapsular los datos en paquetes tipo MPEG-2 de 188 bytes.•La capa MAC o Media Access Control controla el acceso del respectivo Cable MODEM a la ruta de retorno.•La capa de encriptación de datos proporciona seguridad al usuario. Hay dos métodos BPI y Seguridad. Se explican mas adelante.

LAS CUATRO CAPAS INFERIORES DE DOCSIS


UDP TCP








sobre DOCSIS

Frecuencia Desde 50 MHz hasta 860 MHZ

Ancho de banda 6Mhz por cada canal de RF

Retraso hasta el usuario mas lejano

Menor a 0.800 seg.

Relación C/N No menos de 35 dB

CTB, CSO No mayor de – 50 dBc

XMOD No mayor de – 40 dBc

Amplitud del rizado 0.5 dB en el canal

Modulación Hum No mayor del 5%

Ruido impulsivo No mayor de 25 msec a 10 Hz

Variaciones día noche 8 dB

Pendiente 50 – 750 MHz 16 dB

Máxima entrada al CM 17 dBmV

Mínima entrada al CM - 5 dB0V

EL CANAL DE RF DIRECTO

Frecuencia 5 a 42 MHz

Retraso desde el CM mas lejano

Menor a 0.800 milisegundos

Relación C/N No menos de 25 dB

Relación portadora / ingreso No menos de 25 dB

Relación portadora / interferencias

No menos de 25 dB

Modulación Hum No mayor al 7%

Ruido impulsivo No mayo a 10 msec a 1KHz

Amplitud del rizado 0.5 dB/MHz

Variación día noche No mayor a 8 DB

EL CANAL DE RF DE RETORNO

En sentido directo, durante el proceso de modulación, se puede realizar un proceso de “interleave” de los datos para protección contra ráfagas de ruido impulsivo. Una desventaja de este procedimiento es que añade retraso en el sentido directo entre 1.4 msec hasta 0.22 msec. Se controla desde el CMTS según el estado de ruido en la red

PROTECCIÓN CONTRA RUIDO

Hay dos opciones: FDMA y TDMA TDMA: Cada canal de retorno se dividen en “mini-slots” de hasta 128 bytes. El CMTS asigna secuencialmente estos “mini-slots” a los Cable MODEM para que realicen su transmisión.

ASIGNACIÓN DE CANALES EN EL RETORNO

Simbol rate(ksym/sec)

Ancho de canal(MHz)

QPSK rate(Mbps)

16QAM rate

(Mbps)

160 0.20 0.32 0.64

320 0.40 0.64 1.28

640 0.80 1.28 2.56

1280 1.60 2.56 5.12

2560 3.20 5.12 10.24

ANCHO DE BANDA DEL CANAL DE RETORNO

Canales de TV análogos y portadora modulada digitalmente

Requerimiento Relación C/N+I

Eb/No: C/N+10 log (1/data rate in bit/s) + 10 log (tx-bandwidth in Hz)

Elementos Red de Cablemodems

Sistema de Telecomunicaciones por Cable (Tipicamente arquitectura HFC)

CMTS = Cable Modem termination System Router que actua como interfase entre la red de datos y la red de RF.

CM = Cablemodem Modem que actua como interfase entre la PC del cliente y la red de RF

Servidores de “Back Office” - TFTP = Trivial File Transfer Protocol - DHCP = Dinamic Host Configuration Protocol - ToD = Time of Day

¿Qué es un Cable Modem?

Funciona como Modulador y Demodulador

Interface entre la red de cable y un PC o enrutador

Interfaz LAN (Local Area Network) y USB

Información a alta velocidad es transmitida al cable modem vía la red de cable

Modulación QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 27 Mbps con 64QAM 38 Mbps con 256QAM

Cada canal de downstream ocupa 6 Mhz (8Mhz en la norma europea) de ancho de banda

Con Docsis 3.0 pueden agruparse hasta 4 Canales de Downstream, obteniendo 152Mbps


Trafico de upstream es enviado desde el cable modem hacia el CMTS usando QPSK o 16-QAM

Velocidad de subida varia desde 320 Kbps hasta 10.24 Mbps La versión DOCSIS 2.0 incrementa la

velocidad de subida hasta 30 Mbps!


Esquema General Acometida Usuario

•Controla el acceso del CM al canal de retorno.

•A través del CMTS el protocolo MAC indica a cada CM cuando debe transmitir y por cuánto tiempo.

•Periódicamente el CMTS envía un mensaje al CM indicándole la cantidad de “mini-slots” que tiene disponible

OPERACIÓN DEL PROTOCOLO MAC

PROCESO DE CONEXIÓN DE UN CABLEMODEM

Es interesante entender todos los pasos que debe dar un CM para lograr encender el LED verde de conexión:

1. Adquisición del Canal: El CM busca en la red enganche QAM

y paquetes MPEG-2 con el PID de DOCSIS.2. Adquisición de los parámetros de retorno: Una vez

enganchado busca 3 mensajes que el CMTS envía permanentemente:

SYNC. Sincronización de tiempo UCD. Descripción del canal de retorno. Simbol rate, límite de

frecuencia, tipo de modulación. MAP. Adjudicación de ancho de banda. Está relacionado con los

“mini-slots”.


3. Rango: En esta etapa el CM realiza tres tareas fundamentales:

Ajuste fino de la referencia de tiempoAjuste fino de la frecuencia de transmisiónAjuste fino de la potencia de salida

4. Protocolo IP: Una vez realizados los ajustes de tiempo, potencia y frecuencia el CM invoca el DHCP (Dinamic Host Configuration Protocol) para que le asignen una dirección IP mientras se encuentre activo.


5. Registro: En la respuesta del DHCP al CM se incluye un archivo de inscripción con toda la

configuración final del CM, el tipo de conexión , ancho de banda, etc. El CM responde al CMTS

confirmando la llegada del archivo. El CMTS lo comprueba y AL FIN!! SE PRENDE EL LED VERDE

de conexión.

Seguridad: Hay en DOCSIS dos esquemas básicos de seguridad:

• BPI: Seguridad básica. Encripta los datos usando el algoritmo CBC (Cipher Block Chiang) del estándar de encriptación de datos DES.

• Seguridad: Es un esquema mas fuerte de encriptación. Utiliza el esquema de clave 3-DES. Además autentica al CM para evitar clones.

Calidad de Servicio QoS: En DOCSIS 1.0 está limitad a lo que se llama “el mejor esfuerzo “ ya que no hay prioridad en el envío de los paquetes. Es crítico para voz sobre IP.

SEGURIDAD Y QoS

Esta versión de DOCSIS enfocó sus características en perfeccionar la Calidad de Servcio QoS con el fin de que se pueda implementar aplicaciones de VoIP o similares. Mejora del MAC para superar el “ mejor esfuerzo “ del DOCSIS 1.0: • Servicio de Unsolicited Grant• Servicio de real-time and non real-time polling• Servicio de “service flows “

DOCSIS 1.1

Seguridad: Mejora del BPI del DOCSIS 1.0 a BPI plus: • Empleo del sistema X.509v3 para autenticación del cablemodem

• Proceso seguro de carga de software en el cablemodem que permite autenticación del código del MSO.

DOCSIS 1.1

Esta mejora del estándar DOCSIS incrementó la velocidad de transmisión en la vía de retorno hasta 30 Mbps: • Empleo de uno de los dos esquemas de modulación: A-TDMA (TDMA avanzada) o S-CDMA (synchronous code division multiple acces).• Con 64QAM y una symbol rate de 5.12 Mbps se puede lograr una velocidad de 30Mbps.• Se incrementa la transmisión con ecualización de 24 niveles• Método mas desarrollado de corrección de errores o FEC DOCSIS 2.0 permite implementar aplicaciones de VoIP

DOCSIS 2.0

Esta mejora del estándar DOCSIS incrementó la velocidad de transmisión en la vía de bajada hasta 120 Mbps: • Multiples Portadoras QAM hacia un solo cable modem, entregando hasta 120 Mbps

DOCSIS 3.0

redes coaxiales para carriers multiservicios - utb 2013.ppt

Documents