Tema 6 Acceso Residencial de Banda Ancha

1. Tema 6Acceso Residencial de Banda Ancha Rogelio Montañana Departamento de Informática Universidad de Valencia rogelio.montanana@uv.es http://www.uv.es/~montanan/

2. Sumario • Introducción • Fundamentos técnicos • Redes CATV • ADSL y xDSL • Redes basadas en fibra: FTTC y FTTH • Sistemas inalámbricos: LMDS y satélite • 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

6. Mercado global de banda anchaFinal del 2001 (según GartnerG2)

7. Limitaciones del RBB • Bajo costo de mantenimiento (25 – 50 Euros/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.

8. Sumario • Introducción • Fundamentos técnicos • Redes CATV • ADSL y xDSL • Redes basadas en fibra: FTTC y FTTH • Sistemas inalámbricos: LMDS y satélite • Comparación de las diversas tecnologías

9. 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

10. 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

11. Arquitectura completa de una red RBB

12. ISP2 Comp A Cabecera Cable TV Switch DSLAM D/C D/C D/C D/C Red de Datos de un operador ISP1 Comp B Backbone SONET/ATM Inalámbrico (GSM, GPRS, UMTS) Frame ATM FUNI Cable RDSI VDSL/ATM ADSL IDSL/SDSL POTS

13. 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

14. Problemas de las señales de banda ancha en cables metálicos • Atenuación • Es la reducción de la potencia de la señal con la distancia. • Motivos: • Resistencia del cable (calor) • Emisión electromagnética al ambiente • La atenuación es el principal factor limitante de la capacidad de transmisión de datos.

15. 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)

16. 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

17. 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.

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

19. 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: 3,1 KHz  3,1 Kbaudios • Canal ADSL: 1 MHz  1 Mbaudio • Canal TV PAL: 8 MHz  8 Mbaudios • Recordemos que se trata de valores máximos

20. Teorema de Nyquist • 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:

21. 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.

22. Ley de Shannon: Ejemplos • Canal telefónico: BW = 3 KHz y S/R = 36 dB • Capacidad = 3,1 KHz * log2 (3981)† = 37,1 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

23. 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

24. 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 • GSM, GPRS: 10-6 - 10-8 • CATV, ADSL, Satélite: < 10-5 - 10-7 • Los flujos MPEG-2 (TV digital) requieren BER < 10-10 -10-11

25. 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.

26. 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%

27. 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.

28. 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

29. Sumario • Introducción • Fundamentos técnicos • Redes CATV • ADSL y xDSL • Redes basadas en fibra: FTTC y FTTH • Sistemas inalámbricos: LMDS y satélite • Comparación de las diversas tecnologías

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

31. 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.

32. 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

33. 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.

34. 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

35. 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)

36. 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

37. Arquitectura de una moderna red CATV ISP Larga Distancia Red de centros regionales 2,5 Gb/s (SDH) Hosting Cabecera red CATV HFC Red telefónica Red metropolitana 622 Mb/s (SDH) Red HFC Datos Voz Ambos

38. 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).

39. Set-Top box digital Organización de los canales en redes HFC Internet desc. 750-862 MHz Televisión digital 606-750 MHz Frecuencia Televisión analógica 96-606 MHz 28-65 MHz Cable módem Internet asc. Varios sintonizadores permiten acceder simultáneamente a los canales de TV y de datos. Servicios clásicos (TV) Servicios de datos (Internet)

40. Reparto de frecuencias en redes HFC (estándar DOCSIS) • Descendente: 96-864 MHz (Europa), 88-860 MHz (América). S/R > 34 dB (normal 46 dB) • Ascendente: 5-65 MHz (Europa), 5-42 MHz (América). S/R > 25 dB • Sentido ascendente más problemático: • Banda de RF más ‘sucia’ (interferencias, emisiones de onda corta, radioaficionados, etc.) • Amplificación del ruido e interferencia introducido por todos los usuarios de la zona (efecto ‘embudo’). Esto impide utilizar el sentido ascendente en redes con muchos amplificadores.

41. Bandas ascendentes utilizables en redes CATV

42. Asignación típica de frecuencias ascendentes en una red CATV Solo disponible en Europa

43. Asignación típica de frecuencias descendentes en una red CATV

44. Técnicas de modulación para transmisión de datos en redes CATV • QPSK: Quadrature Phase-Shift Keying • QAM: Quadrature Amplitude Modulation

45. Caudales brutos en redes CATV Asc. Debido al overhead introducido por el FEC (Forward Error Correction) y otros factores los caudales netos son aproximadamente un 10-15% menores que los brutos Desc.

46. Capacidad de una red CATV • Suponiendo que se utilizara exclusivamente para transmitir datos, la capacidad máxima de una red CATV sería: • Descendente: 96 canales de 55,6 Mb/s: 5,338 Gb/s • Ascendente: 261 canales de 640 Kb/s: 167,0 Mb/s • Esta capacidad estaría disponible para cada zona de la red HFC.

47. (1) (3) (2) Dos canales ascendentes (29,7-31,3 y 31,3-32,9 MHz) 2,56 Mb/s compartidos por usuarios 1 y 3 2,56 Mb/s dedicados al usuario 2 Esquema de una zona en una red CATV Canal Descendente(854- 862 MHz)41,7 Mb/s compartidos por 3 usuarios (2) (3) (1) Un canal ascendente – (29,7–31,3 MHz) 2,56 Mb/s compartidos por 3 usuarios

48. Protocolo MAC de CATV (DOCSIS 1.0) • Medio broadcast: cada CM recibe todo el tráfico descendente, vaya o no dirigido a él. • Cada CM (y el CMTS) recibe una dirección MAC IEEE 802 globalmente única (48 bits) que le identifica. • Está prevista la posibilidad de encriptar el tráfico (DES 56 bits) por razones de seguridad • El CMTS puede realizar emisiones multicast. Los CMs no pueden.

49. Funcionamiento de CATV • Medio broadcast, canales ascendente y descendente compartidos por cada zona, como una LAN, pero: • Canal descendente: solo el CMTS puede transmitir, todos los CMs reciben. • Canal ascendente: todos los CMs pueden transmitir, pero solo el CMTS recibe. • Dos CMs no pueden hablar directamente (aunque estén en la misma zona); solo pueden comunicarse a través del CMTS del que dependen.

50. MAC de CATV (DOCSIS) • En descendente el CMTS es el único que emite, por tanto no hay conflicto. • En ascendente los CM comparten el canal. Cuando un CM quiere transmitir pide permiso al CMTS que le da ‘crédito’ para que emita una cantidad de bits, de acuerdo con la disponibilidad y el perfil que tiene asignado el CM. • Se puede producir una colisión solo cuando el CM manda el mensaje de petición (pero no cuando esta usando su ‘turno de palabra’).