Banda Ancha Residencial Primera parte

1. Banda Ancha ResidencialPrimera parte Master de Telemática, Mondragon Unibertsitatea San Sebastián, 10-11 de mayo de 2001 Rogelio Montañana Universidad de Valencia (rogelio.montanana@uv.es) http://www.uv.es/~montanan/Mondragon2001/acceso_resid_1.ppt

2. Sumario • Introducción • Fundamentos técnicos • Redes CATV • ADSL y xDSL • Sistemas por microondas: LMDS • Comparación de las diversas tecnologías

3. Características de RBB • Acceso con caudal superior a RDSI básico (128 Kb/s). • Comunicación full dúplex (puede ser asimétrica) • Precio moderado • Usuario inmóvil (conexión por cable o por medios inalámbricos) • Normalmente conexiones permanentes (tarifa plana)

4. Aplicaciones de RBB • La prevista en 1995: VoD (Video on Demand), NVoD (Near Video on Demand). Dudosa rentabilidad. • En la actualidad: Fast Internet (navegación web, teleenseñanza, teletrabajo, videoconferencia, etc.) • Convergencia con TV digital (DVB, Digital Video Broadcast) • DVB-S: Satélite • DVB-C: Cable • DVB-T: Terrestre

5. Fuente: http://www.pioneerconsulting.com/globalbroadband/index.html

6. Limitaciones del RBB • Bajo costo de mantenimiento (4.000-8.000 ptas/mes) • Bajos costes de instalación. • Compatible con cableado doméstico (par telefónico o cable coaxial de antena de TV). • Autoconfiguración y autoprovisionamiento (instalable por el usuario final). • Manejo sencillo.

7. Sumario • Introducción • Fundamentos técnicos • Redes CATV • ADSL y xDSL • Sistemas por microondas: LMDS • Comparación de las diversas tecnologías

8. Fundamentos técnicos de RBB • Modelo de referencia • Medios físicos de transmisión de la información digital. • Límites en la capacidad de transmisión de la información digital. Teorema de Nyquist y Ley de Shannon • Control de errores • Multicast

9. Arquitectura de una red RBB • Modelo de referencia RBB • Servidor • Red del proveedor de contenidos (ATM, enlaces Punto a Punto, Frame Relay, etc.) • Red de transporte (ATM, Packet Over SONET) • Red de acceso RBB (CATV, ADSL, etc.) • Terminador de red (Ethernet, USB) • Cliente

10. Arquitectura completa de una red RBB

11. ISP2 Comp A ISP1 Comp B Backbone SONET/ATM Cabecera Cable TV Switch DSLAM D/C D/C D/C D/C Frame ATM FUNI Cable RDSI Inalámbrico VDSL/ATM ADSL IDSL/SDSL POTS Red de Datos de un operador

12. Medios de transmisión de la información digital • Cables • Metálicos (de cobre) • Coaxial: CATV (redes de TV por cable) • Par trenzado: ADSL • Fibra óptica monomodo: redes de transporte, FTTC (Fibre To The Curb), FTTH (Fibre To The Home) • Aire (microondas): Satélites, LMDS

13. Problemas de las señales de banda ancha en cables metálicos • Atenuación • Es la reducción de la potencia de la señal con la distancia. • Motivos: • Calor • Emisión electromagnética al ambiente • La atenuación es el principal factor limitante de la capacidad de transmisión de datos.

14. Problemas de las señales de banda ancha en cables metálicos • Factores que influyen en la atenuación: • Grosor del cable: menor atenuación cuanto más grueso (a menos resistencia menos pérdida por calor) • Frecuencia: a mayor frecuencia mayor atenuación (proporcional a la raíz cuadrada) • Tipo de cable: menor atenuación en coaxial que en par trenzado (menos emisión electromagnética) • Apantallamiento (solo en coaxial): a mas apantallamiento menor atenuación (menos emisión electromagnética)

15. Atenuación en función de la frecuencia para un bucle de abonado típico (cable de pares) Frecuencia (KHz) 200 500 600 900 100 300 700 800 1000 400 0 0 -20 -40 Atenuación (dB) 3,7 Km -60 5,5 Km -80 -100 -120

16. Problemas de las señales de banda ancha en cables metálicos • Desfase: • Es la variación de la velocidad de propagación de la señal en función de la frecuencia. Resulta importante cuando se utiliza un gran ancho de banda • Interferencia electromagnética: • Externa (motores, emisiones de radio y TV, etc.). Es mucho mayor en cable no apantallado • De señales paralelas:diafonía o crosstalk (efecto de cruce de líneas). El crosstalk también aumenta con la frecuencia

17. La señal eléctrica transmitida por un par induce corriente en pares vecinos Crosstalk La señal inducida en cables vecinos se propaga en ambas direcciones

18. Distinción entre bit y baudio • Bit (concepto abstracto): unidad básica de almacenamiento de información (0 ó 1) • Baudio (concepto físico): veces por segundo que puede modificarse la característica utilizada en la onda electromagnética para transmitir la información La cantidad de bits transmitidos por baudio depende de cuantos valores diferentes pueda tener la señal transmitida. Ej.: fibra óptica, dos posibles valores, luz y oscuridad (1 y 0): 1 baudio = 1bit/s.

19. Distinción entre bit y baudio Con tres posibles niveles de intensidad se podrían definir cuatro símbolos y transmitir dos bits por baudio (destello): Símbolo 1: Luz fuerte: 00 Símbolo 2: Luz media: 10 Símbolo 3 Luz baja: 01 Símbolo 4 Oscuridad: 00 Pero esto requiere distinguir entre los tres posibles niveles de intensidad de la luz En cables de cobre se suele transmitir la información en una onda electromagnética (corrientes eléctricas). Para transmitir la información digital se suele modular usando la amplitud, frecuencia o fase de la onda transmitida.

20. Modulación de una señal digital 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 Señal binaria Modulación en amplitud Modulación en frecuencia Modulación en fase Cambios de fase

21. Distinción entre bit y baudio En algunos sistemas en que el número de baudios esta muy limitado (p. ej. módems telefónicos) se intenta aumentar el rendimiento poniendo varios bits/s por baudio: 2 símbolos: 1 bit/s por baudio 4 símbolos: 2 bits/s por baudio 8 símbolos: 3 bits/s por baudio Esto requiere definir 2n símbolos (n=Nº de bits por baudio). Cada símbolo representa una determinada combinación de amplitud (voltaje) y fase de la onda. La representación de todos los símbolos posibles de un sistema de modulación se denomina constelación

22. Constelaciones de algunas modulaciones habituales Amplitud Fase 1 2,64 V 10 11111 11000 10 00 01101 0,88 V 11 00011 Portadora 0 00100 11 01 -0,88 V 01 -2,64 V 00 QAM de 32 niveles (Módems V.32 de 9,6 Kb/s) 5 bits/símbolo Binaria simple 1 bit/símb. 2B1Q (RDSI) 2 bits/símb. QAM de 4 niveles 2 bits/símb.

23. Modulaciones más utilizadas en RBB • QPSK: Quadrature Phase-Shift Keying • QAM: Quadrature Amplitude Modulation

24. Teorema de Nyquist (1924) • El número de baudios transmitidos por un canal nunca puede ser mayor que el doble de su ancho de banda (dos baudios por hertzio). • En señales moduladas estos valores se reducen a la mitad (1 baudio por hertzio). Ej: • Canal telefónico: 3 KHz  3 Kbaudios • Canal ADSL: 1 MHz  1 Mbaudio • Canal TV PAL: 8 MHz  8 Mbaudios • Recordemos que se trata de valores máximos

25. Teorema de Nyquist (1924) • El Teorema de Nyquist no dice nada de la capacidad en bits por segundo, ya que usando un número suficientemente elevado de símbolos podemos acomodar varios bits por baudio. P. Ej. para un canal telefónico:

26. Ley de Shannon (1948) • La cantidad de símbolos (o bits/baudio) que pueden utilizarse dependen de la calidad del canal, es decir de su relación señal/ruido. • La Ley de Shannon expresa el caudal máximo en bits/s de un canal analógico en función de su ancho de banda y la relación señal/ruido : Capacidad = BW * log2 (1 + S/R) donde: BW = Ancho de Banda S/R = Relación señal/ruido Este caudal se conoce como límite de Shannon.

27. Ley de Shannon: Ejemplos • Canal telefónico: BW = 3 KHz y S/R = 36 dB • Capacidad = 3,3 KHz * log2 (3981)† = 39,5 Kb/s • Eficiencia: 12 bits/Hz • Canal TV PAL: BW = 8 MHz y S/R = 46 dB • Capacidad = 8 MHz * log2 (39812)‡ = 122,2 Mb/s • Eficiencia: 15,3 bits/Hz † 103,6 = 3981 ‡ 104,6 = 39812

28. Errores de transmisión • Se dan en cualquier medio de transmisión, especialmente en RBB ya que: • Se utilizan cables de cobre (coaxial en CATV y de pares en ADSL) • Se cubren distancias grandes • El cableado esta expuesto a ambientes hostiles (interferencias externas) • Los errores se miden por la tasa de error o BER (Bit Error rate). El BER es la probabilidad de error de un bit transmitido

29. Errores de transmisión • Algunos valores de BER típicos: • Ethernet 10BASE-5: <10-8 • Ethernet 10/100/1000BASE-T: <10-10 • Ethernet 10/100BASE-F, FDDI: < 4 x10-11 • Fiber Channel, SONET/SDH:<10-12 • CATV, ADSL, Satélite: < 10-5 - 10-7 • Los flujos MPEG-2 (utilizados en TV digital) requieren BER < 10-10 - 10-11

30. Errores de transmisión • Ante la aparición de errores se pueden adoptar las siguientes estrategias: • Ignorarlos • Detectarlos y descartar la información errónea. Requiere un código detector de errores o CRC (Cyclic Redundancy Code). Introduce un overhead pequeño. • Detectarlos y pedir retransmisión. Requiere CRC. El overhead depende de la tasa de errores. • Detectarlos y corregirlos en recepción. Requiere un código corrector de errores o FEC (Forward Error Correction), que tiene un overhead mayor que el CRC pues tiene que incorporar más redundancia.

31. Control de errores. FEC • La TV Digital (y por tanto la RBB) utiliza códigos correctores o FEC (Forward Error Correction). No se puede pedir retransmisión por varias razones: • La comunicación es simplex (no hay canal de retorno) • La emisión es broadcast (de uno a muchos) • Se funciona en tiempo real (la corrección no llegaría a tiempo) • Los códigos FEC usados en RBB se llaman Reed-Solomon (RS) • El overhead del FEC RS: 8-10%

32. Control de errores. Interleaving • El FEC no puede corregir muchos errores juntos, funciona mejor si están repartidos. • En RBB lo normal son errores a ráfagas (p. Ej. interferencia debida al arranque de un motor). • Interleaving: para que sea más eficaz el FEC se calcula sobre una secuencia modificada de los bits que no corresponde a la transmitida; si hay un grupo de bits erróneos en la secuencia original quedarán repartidos en la modificada y el FEC los puede corregir. • El interleaving aumenta el retardo. Ej. en CATV para corregir ráfagas de hasta 220 s se ha de introducir un retardo de 4 ms.

33. Efecto de interleaving + FEC en corrección de errores a ráfagas Ráfaga en error Orden de transmisión Buffer de interleaving Al reordenar los datos para calcular el FEC los errores se reparten

34. Multicast • La transmisión de datos puede ser: • Unicast: dirigido a un solo destinatario. • Broadcast: dirigido a todos los posibles destinatarios • Multicast: dirigido a algunos de todos los posibles destinatarios. • La transmisión multicast es importante en las redes RBB porque permite ofrecer servicios escalables • Sirve sobre todo para transmisiones de audio y vídeo en tiempo real. • Por su funcionamiento es especialmente adecuada para redes CATV y LMDS

35. Emisión Multicast en una red sin soporte Multicast Rosa Juan Replicación de paquetes Luis

36. Emisión Multicast en una red con soporte Multicast Rosa Juan Replicación de paquetes (El router sabe qué usuarios están en el grupo multicast) Luis

37. Emisión de un programa en una red multicast Rosa Juan Luis Pedro

38. Emisión de dos programas en una red multicast Rosa Juan Luis Pedro

39. Fuente: http://www.pioneerconsulting.com/globalbroadband/index.html

40. Referencias • G. Abe: ‘Residential Broadband’, Cisco Press, 1997. Capítulos 1 y 2 en www.cisco.com/ cpress/cc/td/cpress/design/rbb/index.htm • K. Maxwell: ‘Residential Broadband: An Insider’s Guide to the Battle for the Last Mile’, John Wiley & Sons, 1998. • Web de DAVIC (Digital Audio Visual Council): www.davic.org. Contiene los documentos correspondientes a todos los estándares DAVIC.

41. Sumario • Introducción • Fundamentos técnicos • Redes CATV • ADSL y xDSL • Sistemas por microondas: LMDS • Comparación de las diversas tecnologías

42. Redes CATV • Evolución histórica y arquitectura HFC • Nivel físico • Nivel MAC • Cable Modems • Estándares • Redes CATV en España • Referencias

43. Redes CATV tradicionales (coaxiales, 1949-1988) • Las redes CATV (Community Antenna TeleVision) nacieron para resolver problemas de recepción en zonas de mala cobertura. • La antena (centro emisor) se ubicaba en sitio elevado con buena recepción. La señal se enviaba a los usuarios hacia abajo (downstream). • Cable coaxial de 75  • Amplificadores cada 0,5-1,0 Km. Hasta 50 en cascada. • Red unidireccional. Señal solo descendente. Amplificadores impedían transmisión ascendente.

44. Arquitectura típica de una red CATV coaxial tradicional Amplificador unidireccional Hasta 50 amplificadores en cascada Empalme CABECERA Moduladores y Conversores Receptores y Decodificadores Contenidos locales Cable Coaxial (75 ) Muchos miles de viviendas

45. Redes CATV modernas (HFC, 1988 en adelante) • Muchos amplificadores en cascada degradan la señal, complican y encarecen mantenimiento. Solución: redes HFC (Hybrid Fiber Coax): • Zonas de 500-2000 viviendas • Señal a cada zona por fibra, distribución en coaxial. • Máximo 5 amplificadores en cascada. • Además amplificadores para tráfico ascendente, red bidireccional (monitorización, pago por visión, interactividad y datos) • En España casi todas las redes CATV son HFC bidirecc.

46. Nodo fibra Nodo fibra Nodo fibra Nodo fibra Nodo fibra Nodo fibra Nodo fibra Nodo fibra Nodo fibra Arquitectura HFC (Híbrida Fibra-Coax.) 8 MHz TV1 Cab. local C9 TV3 Cabecera Regional Cab. local Cab. local COAX Empalme Conexión Set-top box-TV Cable módem - ordenador

47. Arquitectura típica de una red CATV HFC Bidireccional 3-5 amplificadores máx. Amplificador bidireccional Empalme Cable módem Cabecera regional Internet Nodo de fibra (500-2000 viviendas) Cabecera local Receptor y Modulador Anillo de fibra (TV y datos viajan por separado) Conversor fibra-coaxial 125-500 viviendas Fibra (monomodo) Cable Coaxial (75 ) Ethernet (10BASE-T)

48. Elementos de comunicación en una red CATV HFC Señal modulada de radiofrecuencia Ethernet 10BASE-T Cabecera regional Backbone operador Red CATV HFC Cable módem Ordenador (o hub) CMTS (Cable Módem Termination System) Router Domicilio del usuario Internet Cabecera local Proveedor de contenidos

49. Transmisión de datos en CATV • Sentido descendente (ida): datos modulados en portadora analógica de un canal de televisión de 6 MHz (NTSC) u 8 MHz (PAL) • Para el retorno: • Redes HFC (bidireccionales): zona de bajas frecuencias (no usada normalmente en CATV). Canales de anchuras diversas, de 0,2 a 3,2 MHz • Redes coaxiales (unidireccionales) línea telefónica (analógica o RDSI).

50. Set-Top box digital Organización de los canales en redes HFC Canales para transmisión de datos Canales para televisión digital Frecuencia Canales para televisión analógica Cable módem Canales de retorno para datos Varios sintonizadores permiten acceder simultáneamente a los canales de TV y de datos. Servicios clásicos (TV) Servicios de datos (Internet)