teoria catv

LCM

Diseño y Documentación de una Plataforma de Servicios de Voz y Datos de Alta Velocidad Sobre Redes Hibridas de Fibra y Coaxial Utilizando DOCSIS 2.0

Redes de acceso HFC

Motivación original y evolución

El origen de las actuales redes HFC (Híbrido Fibra Coaxial) fueron las

redes de CATV (Community Antenna TV), que se desarrollaron a partir de la

década de los 60 en EEUU. Se utilizaban para la transmisión de señales de

televisión analógica (TV), usando como soporte el cable coaxial con suficiente

ancho de banda para poder distribuir varios canales analógicos

simultáneamente.

Su topología es en árbol, en donde a partir de un nodo cabecera se

recopilan todos los canales de los enlaces terrestres o producción propia, para

ser transmitidos por la red. La Red de Distribución se encarga del transporte de

la señal desde la cabecera hasta los puntos de distribución conectados a los

diferentes abonados. Ver figura 1

Figura 1. Estructura Básica de las Redes CATV

Aunque originalmente este tipo de redes de cable se desarrollaron para

distribución de señales analógicas de TV, en la actualidad son sistemas

avanzados de transmisión de señales de voz, datos e imágenes con un gran

ancho de banda, soportados fundamentalmente por cables de fibra óptica y en

menor medida cables coaxiales.

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Figura 2. Red de servicios integrada

La evolución de la tecnología ha permitido que el ámbito de las redes

CATV se extienda a áreas metropolitanas cada vez más extensas e

interconectadas.

Estructura y elementos de red

En la actualidad se utiliza una topología de red basada en:

1) Cabecera (Head-End)

Es el órgano central desde donde se gobierna todo el sistema. Suele

disponer de una serie de antenas que reciben los canales de TV y radio de

diferentes sistemas de distribución (satélite, microondas, etc.), así como de

enlaces con otras cabeceras o estudios de televisión y con redes de otro tipo

que aporten información susceptible de ser distribuida a los abonados a través

del sistema de cable. Las redes de CATV originalmente fueron diseñadas para

la distribución unidireccional de señales de TV, por lo que la cabecera era

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simplemente un centro que recogía las señales de TV y las adaptaba a su

transmisión por el medio cable. Actualmente, las cabeceras han aumentado

considerablemente en complejidad para satisfacer las nuevas demandas de

servicios interactivos y de datos a alta velocidad.

La cabecera también se encarga de monitorizar la red y supervisar el

funcionamiento. El monitorizado se esta convirtiendo en un requerimiento

básico de las redes de cable, a causa de la complejidad de las nuevas

arquitecturas y a la sofisticación de los nuevos servicios que transportan, que

exigen de la red una fiabilidad muy alta. Otras de las funciones que se realizan

en la cabecera se relacionan con la tarifación y control de los servicios prestado

a los abonados

2) Red troncal

Es la encargada de repartir la señal compuesta generada por la cabecera

a todas las zonas de distribución que abarca la red de cable. El primer paso en

la evolución de las redes clásicas todo-coaxial de CATV hacia las redes de

telecomunicaciones por cable HFC consistió en sustituir las largas cascadas de

amplificadores y el cable coaxial de la red troncal por enlaces punto a punto de

fibra óptica.

La red troncal suele presentar una estructura en forma de anillos

redundantes de fibra óptica que une a un conjunto de nodos primarios. Esta

estructura emplea frecuentemente tecnología PDH o SDH (Jerarquía Digital

Plesiócrona y Jerarquía Digital Síncrona) que permite construir redes basadas

en ATM (Modo de Transferencia Asíncrono). Los nodos primarios alimentan a

otros nodos (secundarios) mediante enlaces punto a punto o mediante anillos.

En estos nodos secundarios es donde las señales descendentes (de la

cabecera a usuario) pasan de óptico a eléctrico para continuar su camino hacia

el hogar del abonado a través de la red de distribución de coaxial. En los

sistemas bidireccionales, los nodos ópticos también se encargan de recibir las

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señales del canal de retorno o ascendentes (del abonado a la cabecera) para

convertirlas en señales ópticas y transmitirlas a la cabecera.

3) Red de distribución

Está compuesta por una estructura tipo bus de coaxial que lleva las

señales descendentes hasta la última derivación antes del hogar del abonado y

tiene por misión multiplexar la información ya sea proveniente de distintos

proveedores de servicios o distintos usuarios, y adaptar el sistema de transporte

a las características específicas de bucle de abonado.

En el caso de la red HFC generalmente el sistema de distribución enlaza

los grandes nodos de conmutación con los nodos de distribución que son los

responsables de recolectar o distribuir la información de los usuarios. Los nodos

de distribución se sitúan físicamente en las manzanas de las grandes ciudades

ofreciendo aproximadamente servicios a un millar de usuarios. El medio físico

de transporte que une los nodos de conmutación con los de distribución

continúa siendo la fibra óptica.

4) La acometida (DROPS)

El bucle de abonado interconecta los dispositivos del abonado o cliente

con la cabecera. Desde el punto de vista topológico existen diversas

posibilidades de interconexión de los usuarios con la cabecera de red,

topologías en estrella, bus, árbol, etc. La más usual es la de árbol y ramas ya

que mantiene la antigua topología de la red de TV por cable.

La interconexión cabecera-cliente se puede realizar con diversos medios

físicos, que atendiendo a la señalización de línea o modulación empleada,

permiten la sincronización y reparto del ancho de banda.

En la actualidad las redes han pasado del cable coaxial a redes híbridas de

fibra óptica y cable coaxial HFC. Ver figura 3.

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Figura 3. Estructura general de una red HFC

Cada canal de TV analógica ocupa 8 MHz (6 MHz en el estándar

americano). Los sistemas de cable suelen distribuir entre 20 y 100 canales.

Estas elevadas exigencias han obligado a los operadores a construir redes de

gran capacidad que utilizan un espectro entre 50 MHz y 860 MHz para el canal

descendente.

Equipando la red con amplificadores de retorno se puede utilizar el

espectro entre 5 y 45 Mhz para transportar las señales que los usuarios envían

hacia la cabecera, canal ascendente o de retorno, conformando así una red

bidireccional. Ver figura 4.

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Figura 4. Acceso Bidireccional a la red HFC

Mediante el reparto dinámico de toda esta capacidad entre los usuarios

que en cada instante lo soliciten, se obtiene un sistema flexible que hace un

aprovechamiento intensivo de los recursos. Además, la redes HFC son

altamente escalables, puesto que a medida que aumenta la demanda de

servicios bidireccionales e interactivos es posible sustituir paulatinamente los

tramos de cable coaxial por fibra óptica, consiguiendo con ello redes de cable

con Fibra Directa que tienen una altísima capacidad.

Desde la cabecera se parte con varias ramas de fibra óptica en estrella.

Cada una de ellas termina en un nodo óptico, donde la señal óptica se convierte

en eléctrica y comienza a hacerse la distribución por coaxial. Ver figura 5. Se

estima que puede haber un nodo óptico por cada grupo de entre 500 y 2.000

viviendas, para asegurar un nivel de ruido y distorsión aceptables. Si sacamos

del nodo óptico varias ramas de coaxial, podremos tener un buen canal de

retorno con no más de 200 abonados por rama, ni más de dos amplificadores

en cascada.

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Figura 5. Estructura de distribución de una red HFC

En el sentido descendente la misma señal se propaga por todas las

ramas de coaxial.

En el canal ascendente o de retorno puede haber dos opciones: 1) Los

canales de retorno provenientes de cada rama de coaxial se superponen al

llegar al nodo óptico, resultando un solo canal que llega hasta la cabecera. En

este caso se estarán compartiendo los 40 MHz del retorno (5-45Mhz) entre

todos los usuarios (800 en la figura 6) y el ruido proveniente de todos ellos

también se estará sumando en esta única vía. 2) Los canales de retorno (4 en

la figura) son multiplexados en frecuencia en el nodo óptico, lo que significa que

cada uno de los canales se situará en una frecuencia distinta para que puedan

viajar todos por la misma fibra de retorno hasta la cabecera. De esta forma los

40 MHz del retorno son compartidos solamente entre los 200 usuarios de la

rama de coaxial. Ver figura 6.

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Figura 6. Acceso de los usuarios a la red HFC

La división entre el espectro ascendente (5-45Mhz) y descendente (50-

850Mhz) se suele situar en 50 MHz (este valor varía según los fabricantes) por

un splitter (separador). En la práctica la zona entre 5 y 15 Mhz es muy ruidosa y

por tanto no suele usarse para el retorno.

Figura 7. División del espectro de frecuencias

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DOCSIS

La especificación DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) es

un conjunto de estándares aprobado por CableLabs®1 que garantiza la

interoperabilidad de la tecnología empleada en la transmisión de datos a alta

velocidad en una red de cable.

El proceso de desarrollo comenzó a mediados de la década de los 90; en marzo

de 1997 se publicó la primera versión, dos años después se certificó el primer

equipo que cumplía con la especificación modificada (versión 1.1) y en

diciembre de 2001 se publicó la versión 2.0 que aún se encuentra vigente.

Desde entonces, DOCSIS se convirtió en el estándar sobre el cual se desarrolla

la mayoría de las innovaciones tecnológicas de la industria de cable.

DOCSIS 1.0 fue la primera versión del estándar de interoperabilidad que

básicamente establece las características del equipo de cabecera y de

suscriptor, así como el protocolo de la transmisión de datos. Sus componentes,

además de la red de cable acondicionada según recomendaciones de la misma

especificación, son el Sistema de Terminación de Cablemódems (CMTS, por

sus siglas en inglés), el cablemodem (CM, por sus siglas en inglés) y servidores

'back office'.

Como se muestra en la Figura 8, el CMTS es el componente de

cabecera que administra los cablemódems de la red y el cablemodem es el

equipo de suscriptor que modula la señal digital proveniente de la computadora

sobre una portadora analógica para transmitirla a través de la red de cable; los

servidores de 'back office' son aquellos requeridos para establecer la

comunicación y definir los servicios que cada cablemodem ofrecerá al

suscriptor.

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Figura 8. Arquitectura DOCSIS

Son tres los servidores 'back office' indispensables:

1. Servidor DHCP (Protocolo de Configuración Dinámica de Anfitrión)

asigna de manera dinámica las direcciones IP entre los cablemódems.

2. Servidor TFTP (Protocolo Trivial de Transferencia de Archivos) habilita la

transferencia del archivo de configuración al cablemodem y la descarga

de actualizaciones de software.

3. Servidor TOD (Hora del Día) establece marcas de tiempo para elaborar

historiales y eventos en la red.

El acondicionamiento de la red de cable también se define en las

especificaciones de las interfaces de radiofrecuencia para que, tanto el

fabricante del equipo como el operador de cable, las consideren en la

implantación del sistema y se garantice con ello el óptimo funcionamiento de la

red.

Entre los parámetros definidos en las especificaciones de

radiofrecuencia, se encuentra el rango de frecuencias empleado por cada

enlace de transmisión [Figura 9]: el rango comprendido entre 5 - 42 MHz para el

retorno y 54 - 860 MHz para el canal descendente.

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Figura 9. Banda de frecuencias para DOCSIS

Otros parámetros detallados en la especificación de cada versión, son el

ancho de banda del canal de radiofrecuencia (6 MHz), el tiempo de transmisión

entre la cabecera y el equipo de suscriptor más lejano (=0.8 mseg), la relación

portadora a ruido (no menor a 35 dB), la relación portadora a batido de tercer

orden (no menor a 41 dB), la relación portadora a batido de segundo orden (no

menor a 41 dB) y el nivel de ingresos (no menor a 41 dB), entre otros.

La primera versión de DOCSIS ofrecía muy baja calidad de servicio en la

transmisión de datos, un identificador2 y una clase de servicio para ambos

enlaces, pero ello no era suficiente para manejar tráfico en tiempo real en

determinados servicios de voz y video, como la telefonía. De hecho, DOCSIS

1.0 se conoce como una tecnología del "mejor esfuerzo" en vista de que no

garantiza calidad de servicio en la transmisión. Por esta razón fue necesario

modificar la primera versión para generar una revisión del estándar.

Para DOCSIS 1.1 se realizaron ajustes en la calidad de servicio (QoS,

por sus siglas en inglés), en la clasificación de paquetes tanto en el canal

ascendente (upstream) como en el descendente (downstream), en los flujos de

servicio, en el establecimiento dinámico y calendarización del servicio, además

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de agregarle una Interfaz de Privacidad Básica (BPI+, por sus siglas en inglés)

para dar seguridad al sistema, entre otras nuevas funcionalidades.

Como se muestra en la Figura 10, un flujo de servicio es la unidad

fundamental en DOCSIS 1.1 para aprovisionar servicios con determinada

calidad; es decir, los diferentes tipos de tráfico como voz, datos y video, pueden

identificarse por separado (identificador de servicio) en el mismo cablemodem

con el propósito de dar trato especial en cuanto a calidad a cada tipo de tráfico.

Figura 10. Flujos de servicio en DOCSIS 1.x

En DOCSIS 1.0, un cablemodem estaba asociado a un Identificador de

Servicio y este identificador podía estar asociado con un solo nivel de calidad

de servicio para ambos canales, tanto el descendente como el retorno. DOCSIS

1.1 introduce el concepto de flujo de servicio y sus respectivos identificadores

para representar flujos de datos sobre determinado canal, con el propósito de

asignarle parámetros de calidad de servicio.

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En cuanto a la clasificación de paquetes, en esta revisión del estándar se

agregan funcionalidades de concatenación para que el cablemodem pueda

enviar múltiples paquetes en una sola oportunidad de transmisión y la

fragmentación para enviar una trama en múltiples oportunidades de

transmisión. Con estas dos nuevas opciones se hizo más eficiente la

transmisión de paquetes en la red de cable.

DOCSIS 1.0 contaba con un esquema sencillo para encriptar el tráfico,

denominado Privacidad Básica (BPI, por sus siglas en inglés). Este esquema

ofrecía una seguridad muy limitada. Fue por eso que hubo necesidad de

mejorarlo en la versión 1.1 con el nombre de BPI+, con el cual se agregaron

certificados digitales para evitar que el usuario final falsificara la identidad del

cablemodem y pudiera robar o interrumpir el servicio. Uno de los certificados

digitales se instala físicamente en el modem en el momento de su fabricación.

Las versiones 1.0 y 1.1 en conjunto se conocen como DOCSIS 1.x y

soportan dos esquemas de modulación para cada enlace, así como diferentes

anchos de banda de canal y tasas de transmisión, como se detalla en la Tabla

1:

Enlace Modulació Rango de Anch Tasa total Tasa

LCM


n

frecuencia

s

(MHz)

o de

banda

del

canal

(MHz)

de

transmisió

n

(Mbps)

nominal de

transmisió

n

(Mbps)

Descendent

e

256-QAM 88-860 6 42.88 ~38

64-QAM 88-860 6 30.34 ~27

Ascendente

(retorno)

16-QAM 5-42

0.2 0.64 ~0.6

0.4 1.28 ~1.2

0.8 2.56 ~2.3

1.6 5.12 ~4.6

3.2 10.24 ~9

QPSK 5-42

0.2 0.32 ~0.3

0.4 0.64 ~0.6

0.8 1.28 ~1.2

1.6 2.56 ~2.3

3.2 5.12 ~4.6

Tabla 1. Esquemas de modulación y tasas de transmisión de DOCSIS 1.x

Se considera tasa nominal de transmisión a la tasa efectiva de datos de

información que se pueden transferir, sin considerar los que se agregan

('overhead') para realizar el proceso de detección y corrección de errores que

garantiza una transmisión libre de errores hasta el destino. Mientras que la tasa

total se refiere a la capacidad potencial de transmisión bajo ese formato de

modulación, si no hubiera que destinar parte de ese total a incluir información

relativa a la detección y corrección de errores.

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Como se aprecia en la tabla anterior, la máxima tasa de transmisión del

enlace descendente es de 42.88 Mbps y del ascendente, de 10.24 Mbps. El

retorno maneja cinco anchos de canales de radiofrecuencia (RF) diferentes

para disponer de diferentes tasas de transmisión.

La mayoría de los sistemas que han considerado la transmisión de datos

de alta velocidad a través de su red de cable, ya han desarrollado una

arquitectura híbrida de fibra óptica/coaxial (HFC, por sus siglas en inglés).

Si bien DOCSIS 1.0 y 1.1 no son mutuamente excluyentes, la

compatibilidad entre estas dos versiones depende del cuidado que se dedique a

su implantación para deshabilitar ciertas funciones, restringir el

aprovechamiento a determinados parámetros y modificar el archivo de

configuración del cablemodem para lograr un desempeño exitoso.

La compatibilidad entre estas dos versiones se resume en la Tabla 2:

CMTS Cablemódems Funcionamiento

Versión Versión 1.0 Totalmente compatibles

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1.0 Versión 1.1

Versiones compatibles.

El CMTS 1.0 puede administrar

cablemódems 1.1 aunque el

funcionamiento de éstos últimos está

limitado a las características de la

primera versión de la especificación.

Versión

1.1

Versión 1.0

Versiones incompatibles.

Un CMTS 1.1 no puede administrar

cablemódems que operan bajo una

especificación anterior.

El cablemodem 1.0 no cuenta con

funcionalidades contempladas en la

versión 1.1.

Versión 1.1 Totalmente compatibles.

Tabla 2. Compatibilidad entre DOCSIS 1.0 y 1.1

El formato y contenido del archivo de configuración de un cablemodem

DOCSIS 1.1 es diferente al de un cablemodem 1.0, por lo mismo, es importante

no mezclar atributos en cablemódems 1.0 y 1.1.

DOCSIS 1.x DOCSIS 1.0 suministró a la industria de cable

interoperabilidad basada en normas, lo cual significa que los cable-módems

certificados, de vendedores múltiples, operen con CMTSs (sistemas de

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terminación, o terminales, de cable-módems) calificados y de múltiples

vendedores. DOCSIS 1.1 añadió cierto número de características, incluyendo

calidad de servicio (QoS), planificación o programación más robusta,

clasificación de paquetes y otras mejorías que facilitan los servicios de voz.

Fue mejorada la robustez de la transmisión torrente-arriba, con la introducción

de la llamada “ecualización adaptable tap-de-ocho” en módems DOCSIS

1.1 DOCSIS 1.0 y 1.1, colectivamente conocidos como DOCSIS 1.x, soportan

dos formatos de modulación torrente-abajo: 64-QAM (modulación de amplitud

en cuadratura) y 256-QAM. Estos dos formatos de modulación suministran

tasas de datos en bruto de 30.34 y 42.88 Mbps, respectivamente, en un canal

torrente-abajo de 6 MHz de ancho. DOCSIS 1.x acomoda varias tasas de datos

torrente-arriba que, en rango, van desde un bajo de 320 kbps a un rango alto de

10.24 Mbps. También soporta dos formatos de modulación torrente-arriba -

llaveo por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK) y 16-QAM- así como

cinco anchos de banda de canal RF torrente-arriba.

DOCSIS 2.0

Aprovechando todas las capacidades de DOCSIS 1.1, a principios de 2002 se

publicó la segunda versión de esta especificación: DOCSIS 2.0, y con él la

industria pudo ofrecer mayores tasas de transmisión de datos en el canal

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ascendente. Ahora, a través de canales de 6.4 MHz, se lograron las tasas de

transmisión que se muestran en la Tabla 3:

Enlace Modulación

Rango de

frecuencias

(MHz)

Ancho de

banda del

canal

(MHz)

Tasa total de

transmisión

(Mbps)

Ascendente

(retorno)

32-QAM 5-42 3.2 12.80

64-QAM 5-42 3.2 15.36

16-QAM 5-42 6.4 20.48

32-QAM 5-42 6.4 25.60

64-QAM 5-42 6.4 30.72

128-QAM 5-42 6.4 35.84

Tabla 3. Esquemas de modulación y tasas de transmisión de DOCSIS 2.0

Esta segunda versión de DOCSIS agrega el uso de 32-QAM, 64-QAM

y128-QAM junto con una técnica de corrección de errores en el retorno llamada

"Modulación por codificación Trellis (TCM, por sus siglas en inglés)"; mientras

que para el enlace descendente, la tasa de transmisión no varió, continúa con

64 y 256 QAM.

Entre sus ventajas más notables, se encuentra un significativo

incremento en la capacidad del retorno (de 10 Mbps a 30 Mbps) debido al uso

de esquemas de modulación de orden superior, mayor inmunidad al ruido,

compatibilidad con versiones anteriores de DOCSIS y una mejor corrección de

errores, entre otros. La adopción de este estándar también implica que la planta

externa de la red de cable deberá cumplir con ciertos requisitos para minimizar

el ruido, evitar problemas de interferencia e incorporar monitoreo en la red para

su eficaz mantenimiento.

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Como se muestra en la Figura 11, los cablemódems DOCSIS 2.0 son

compatibles con los CMTS de versiones anteriores.

Figura 11. Compatibilidad entre DOCSIS 1.x y 2.0

En cambio, las primeras versiones de cablemódems difícilmente podrían operar

de manera eficiente en los estándares modificados, porque carecen de

funcionalidades que se agregaron conforme se hacían las nuevas revisiones.

A manera de resumen, las características de las primeras tres versiones de

DOCSIS se definen en la Tabla 4 siguiente:

DOCSIS Servicio Característica

1.0 Acceso a Internet de alta velocidad Especificación base

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1.1 Telefonía Calidad de servicio

2.0 Servicios simétricos Mayor capacidad de transmisión

Tabla 4. Características generales de cada versión DOCSIS

La evolución de la especificación DOCSIS

Con el propósito de conocer a detalle la evolución de la especificación DOCSIS,

la Tabla 5 detalla las variaciones que ha sufrido cada versión y hacia dónde se

dirige este estándar para la integración de servicios convergentes en las redes

de cable.

Versión DOCSIS 1.0 DOCSIS 1.1 DOCSIS 2.0 DOCSIS 3.0

SERVICIOS

Internet de banda ancha x x x x

Paquetes de servicios x x x

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VoIP x x x

Videoconferencia x x

Servicios Comerciales x x

Video de entretenimiento x

DISPOSITIVOS PARA EL SUSCRIPTOR

Cablemodem x x x x

Teléfono VoIP (MTA) x x x

Gateway residencial x x x

Videoteléfono x x

Dispositivos móviles x

Caja receptora IP x

ANCHO DE BANDA DEL CANAL DESCENDENTE

Mbps/canal 40 40 40 Mínimo 160 [2]

Gbps/nodo 5 [1] 5 [1] 5 [1] 5 [1]

ANCHO DE BANDA DEL CANAL ASCENDENTE

Mbps/canal 10 10 30 Mínimo 60 [5]

Gbps/nodo 80 [3] 80 [3] 170 [4] 170 [4]

Tabla 5. Trayectoria de DOCSIS

Notas:

[1] Se asume espectro disponible de 750 MHz (125 canales) en la red

[2] Unión de cuatro canales de 6 MHz con 256 QAM

[3] Se asume espectro disponible de 25 MHz en el enlace ascendente

[4] Se asume espectro disponible de 35 MHz en el enlace ascendente

[5] Unión de cuatro canales de 3.2 MHz

LA ESPECIFICACIÓN PACKETCABLE®

En septiembre de 1997, CableLabs comenzó a trabajar en un proyecto

denominado PacketCable® en respuesta a las inquietudes que suscitaba la

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implantación de la telefonía en las redes de cable. Entre los propósitos

establecidos estaba desarrollar una tecnología de menor costo, más flexible y

eficiente, y que con el tiempo pudiera ofrecer servicios multimedia adicionales a

la telefonía convencional para lograr la preferencia de los suscriptores. Fue

hasta 2002 cuando se comenzó a probar equipo que cumplía con esta

especificación y en 2003 comenzaron las instalaciones de prueba en distintas

redes de cable para determinar el desempeño de la tecnología. El avance de

PacketCable® dependía de dos aspectos: el desarrollo de la tecnología basada

en el Protocolo de Internet (IP, Internet Protocol) y de la especificación DOCSIS

(Data Over Cable Service Interface Specification) para la transmisión de datos

en las redes de cable. En cuanto se probó el éxito de DOCSIS y muchas redes

se volvieron bidireccionales, las redes de cable comenzaron a planear las

aplicaciones de voz a través de PacketCable®.

El proyecto PacketCable® define las especificaciones de las interfaces

que se utilizan en el diseño y fabricación de equipo compatible para ofrecer voz

sobre IP, video y otros servicios multimedia que requieren altas tasas de

transmisión. Utiliza el protocolo DOCSIS 1.1 como mecanismo de transporte

debido a su capacidad para soportar servicios en tiempo real, y además, define

diversos elementos como los codecs para voz, la señalización, el

aprovisionamiento, la administración, la facturación, la seguridad y la

interconexión con la Red Telefónica Pública Conmutada (RTPC) para conformar

soluciones integrales de voz sobre IP en las redes de cable.

La arquitectura PacketCable® se diseñó para que fuera robusta,

completa, que facilitara la comunicación punto a punto y pudiera soportar el

servicio a millones de suscriptores en múltiples redes de cable; todo ello con

buena calidad, confiabilidad y funcionalidades equivalentes a la telefonía

tradicional.

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La voz sobre IP fue el primer servicio pensado para la arquitectura

PacketCable® porque el objetivo primordial de los operadores de cable

consistía en fortalecer la relación con sus suscriptores de televisión;

posteriormente se plantearon otros servicios como los juegos interactivos, la

videoconferencia y la mensajería unificada.

Algunas características que distinguen a la telefonía IP a través de

PacketCable® en comparación con un servicio tradicional de VoIP, son las

siguientes:

La telefonía PacketCable® es un servicio punto a punto, entre teléfonos

convencionales y no entre computadoras personales o teléfonos

digitales.

Los servicios PacketCable® tienen prioridad sobre los de DOCSIS para

asegurar su calidad y alta disponibilidad en las redes de cable.

PacketCable® no transporta la voz sobre Internet sino a través de una red

IP administrada a través de la cual se realiza la transmisión de los

paquetes mediante el protocolo DOCSIS.

LA ARQUITECTURA PACKETCABLE®

Como se muestra en la Figura 12, la arquitectura PacketCable® está

compuesta por tres redes integradas que, en conjunto, administran la llamada

telefónica desde el origen hasta el destino final. Estas tres redes son:

1. La Red de Acceso – es la red de cable, algunas veces HFC, que utiliza

DOCSIS como mecanismo de transporte para dar soporte al servicio multimedia

en tiempo real y establece la conexión entre el suscriptor y el operador de

cable. Para realizar el acceso, se emplea un dispositivo en el sitio del suscriptor

y otro en la cabecera de la red de cable, éste último administra todas las

conexiones y establece la comunicación entre la red de acceso y la red IP

administrada.

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2. La Red IP Administrada – es una red IP de banda ancha mediante la

cual se interconectan los servidores especificados por PacketCable® en la

cabecera de la red de cable. Se le denomina red administrada porque se

emplea para interconectar diversas redes IP, redes DOCSIS o dispositivos que

se comunican con la RTPC.

3. La Red Telefónica Pública Conmutada (RTPC) – como su nombre lo

indica, es la red que permite la comunicación con usuarios externos a la red de

cable a través de la red IP administrada y opera como mecanismo de transporte

del tráfico multimedia.

Figura 12. Modelo de redes que integran la arquitectura PacketCable®

La arquitectura PacketCable® completa involucra un gran número de

elementos con interfaces bien definidas que permiten establecer las

comunicaciones multimedia punto a punto entre usuarios de la red de cable y

externos a ella.

La Figura 13 muestra el modelo de referencia de PacketCable® y los

elementos que la integran. Se distinguen nuevamente la red de acceso, la red

IP administrada para interconectar todos los servidores y elementos que define

la especificación y la RTPC, el límite de la red de cable.

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Figura 13. Modelo de referencia de la red PacketCable®

En la Red de Acceso se distinguen tres dispositivos: el cablemodem, el

Adaptador Terminal Multimedia (MTA, Multimedia Terminal Adapter) y el

Sistema de Terminación de Cablemódems (CMTS, CableModem Termination

System). El aparato telefónico convencional se conecta al MTA que convierte la

señal de voz analógica en paquetes IP, y viceversa. Es un cliente PacketCable®

con una dirección IP independiente, que además actúa como interfaz de

señalización para controlar otros elementos de la red. El cablemodem, que

también requiere una dirección IP independiente, puede integrarse en el MTA

para disponer de un solo dispositivo que se conoce como eMTA (embedded

MTA) o MTA integrado. Estos elementos se ubican en el sitio del suscriptor. En

la cabecera de la red de cable, el CMTS se encarga de administrar los recursos

de la red de acceso para los servicios PacketCable®. Reserva los recursos

necesarios cuando se le solicita un servicio, monitorea la comunicación y

finalmente termina el servicio cuando se hubo completado.

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En la Red IP Administrada se integran múltiples elementos que de

manera coordinada se encargan de establecer, entregar y liberar los servicios

solicitados. Cada elemento realiza una función determinante en el óptimo

funcionamiento de la red PacketCable®.

Se distinguen cuatro módulos importantes:

1. El Servidor de Administración de Llamadas (CMS)

2. El Servidores de Anuncios

3. Las Puertas de Enlace de Medios

4. Los servidores de “Back-office” y de aplicaciones

El primero de ellos, el Servidor de Administración de Llamadas (CMS,

Call Management Server), realiza el control de las llamadas telefónicas y de

otros servicios relacionados con la señalización para el MTA, el CMTS y las

puertas de enlace con la RTPC, a través de la red PacketCable®.

Está compuesto por los siguientes elementos:

I. Agente de Llamadas (CA, Call Agent)

II. Controlador de Compuerta (GC, Gate Controller)

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Figura 14. Diagrama a bloques del Servidor de Administración de

Llamadas en PacketCable®

El Agente de Llamadas administra la llamada y controla el MTA, mientras

que el Controlador de Compuerta controla la calidad de servicio y establece

comunicación con el CMTS para que se le asignen los recursos necesarios al

servicio.

Este servidor también realiza funcionalidades típicas de la telefonía

digital tradicional como el buzón de voz y el identificador de llamadas, recibe el

número telefónico marcado para direccionar la llamada, determina el perfil de

cada cliente para otorgar ciertas funcionalidades de servicio y contiene el codec

empleado para el procesamiento de la señal de voz analógica.

Existe una amplia gama de codecs disponibles para soluciones de voz,

pero entre los más destacados se encuentran los siguientes:

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CODEC CARACTERÍSTICASTASA DE

TRANSMISIÓN

G.711

Primer codec utilizado en la telefonía

digital que usa un esquema de codificación

llamado PCM (Pulse Code Modulation) de

8 bits y una tasa de muestreo de 8,000

muestras por segundo para una señal de

voz cuyo ancho de banda máximo sea de

4,000 Hz. Representa la mejor calidad de

voz para la telefonía tradicional y

aplicaciones de VoIP.

64 kbps

(sin compresión)

84 kbps

(con encabezados

TCP/IP)

G.728

Codec estándar de la ITU de buena

calidad, con capacidad para suprimir eco y

su uso se destina a audio de baja fidelidad.

No soporta mensajes de fax, señales de

modem o la interpretación de tonos DTMF

como G.711.

16 kbps

G.729E

Codec estándar de la ITU – Su calidad es

suficiente para conversaciones y audio de

mediana calidad, pero al igual que G.728

no soporta funcionalidades de G.711.

Requiere licencia de Sipro Lab Telecom o

VoiceAge

11.8 kbps

Tabla 6. Codecs Utilizados en Packetcable

http://www.voiceage.com/

http://www.sipro.com/sipro.html

LCM


El Servidor de Anuncios contiene los mensajes que se le presentan al

suscriptor para informarle sobre el estado de la red o del servicio solicitado.

Anuncios como: “el número que marcó se encuentra ocupado” o “el número que

marcó está fuera de servicio”, son hechos por este elemento de la red

PacketCable®. Lógicamente contiene dos elementos internos:

I. Controlador de Reproductor de Medios (MPC, Media Player

Controller)

II. Reproductor de Medios (MP, Media Player).

Figura 15. Diagrama a bloques del Servidor de Anuncios en PacketCable®

El Controlador solicita al Reproductor que ejecute determinado anuncio

de acuerdo con lo que el CMS le indique sobre el estado actual de la red o de la

petición hecha. El MP reproduce el anuncio correcto al MTA o a la Puerta de

Enlace de Medios.

La Puerta de Enlace de Medios que comunica la red PacketCable® con

la RTPC, consiste en tres elementos lógicos:

LCM


I. Controlador de la Puerta de Enlace de Medios (MGC, Media

Gateway Controller)

II. Puerta de Enlace de Medios (MG, Media Gateway)

III. Puerta de Enlace de Señalización (SG, Signaling Gateway)

Figura 16. Diagrama a bloques de la Puerta de Enlace con la RTPC en

PacketCable®

El MGC recibe y actúa como mediador de la información de señalización

de llamadas entre la red PacketCable® y la RTPC; controla a los otros dos

elementos y se encarga del progreso de las llamadas que atraviesan esta

frontera. En ocasiones se encuentra lógicamente integrado en el CMS.

La MG establece la comunicación entre la red PacketCable® y la RTPC,

con base en las indicaciones que le hace el MGC para establecer y controlar

conexiones entre clientes o puntos extremos. Su función principal es la

conversión de la voz sobre IP a una señal apropiada para la RTPC; también

detecta eventos en la RTPC, realiza la cancelación de eco, administra el tráfico

LCM


de voz para colocarlo en las troncales telefónicas respectivas y genera reportes

al MGC sobre el estatus de sus funciones.

Finalmente, la SG se encuentra en la red PacketCable® y se encarga de

administrar la señalización con la RTPC. Es justamente el elemento en el que

se realiza la conversión de la señalización entre estas dos redes, y de ella

depende en gran parte el óptimo funcionamiento del servicio telefónico en la red

de cable.

Los servidores de “Back-office”, también conocidos como Sistema de

Soporte Operativo (OSS, Operational Support Systems),consisten en un amplio

conjunto de elementos de soporte que realizan funciones como el

aprovisionamiento de clientes, generan registros de eventos para la facturación

del servicio, seguridad, desempeño de la red, histórico de eventos en la red,

configuración, etc. En general, estos servidores se encargan de dar soporte a

todos los procesos involucrados en el óptimo desempeño de la administración

del negocio.

Los servidores “Back-office” determinados en la arquitectura PacketCable®,

son los siguientes:

Servidores de Aprovisionamiento

o Servidor DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)

o Servidor DNS (Domain Name Server)

o Servidores TFTP (Trivial File Transfer Protocol)

Servidor Syslog

Servidor de Almacenamiento de Registros (RKS, Record Keeping

Server)

LCM


Figura 17. Servidores de “Back-office” y de aplicaciones en PacketCable®

El servidor DHCP se utiliza durante el aprovisionamiento de los MTA y

cablemódems para asignarles direcciones IP de manera automática; de lo

contrario, sería necesario asignar manualmente una dirección IP a cada

dispositivo que se diera de alta en la red o que cambiara de ubicación física. El

servidor DHCP permite la administración, supervisión y distribución centralizada

de las direcciones IP en la red.

El servidor DNS es una base de datos distribuida y jerárquica que

almacena información sobre nombres de dominio en Internet. La asignación de

nombres a direcciones IP, es su función más conocida, aunque también puede

asociar distintos tipos de información a cada nombre.

El servidor TFTP es indispensable para transferir los archivos de

configuración y actualización a los dispositivos de acceso por parte del CMTS.

Sin esta funcionalidad, no sería posible habilitar, cancelar o actualizar

información útil en el MTA y el cablemodem.

El servidor Syslog se utiliza para registrar eventos en la red IP y

posibles fallas en el MTA, sobre todo relacionados con temas de seguridad del

LCM


sistema; cada registro incluye la fecha y hora del evento para generar los

respectivos reportes.

Finalmente, el Servidor de Almacenamiento de Registros (RKS)

recibe mensajes de eventos del CMS, CMTS y MGC, los ordena en registros

coherentes que posteriormente hace disponibles a otros servidores de

facturación, de detección de fraudes y otros sistemas, para su respectivo uso.

Seguridad en la red PacketCable®

El tema de la seguridad en la red PacketCable® es ciertamente complejo. Como

se muestra en la Figura siguiente, la red de cable es un medio compartido en la

cual los suscriptores deben contar con la seguridad de que sus transmisiones

de voz y datos no puedan ser interceptadas, y los operadores deben prepararse

para responder a robos de servicio, ataques de ‘negación de servicio’, ‘hackers’

y clonación de dispositivos, entre otros.

El robo del servicio no tiene efecto alguno en la operación de la red, únicamente

consiste en recibir el servicio y no pagarlo. Sin embargo, el exceso de llamadas

telefónicas consume ancho de banda de la red, sobre todo en el enlace

ascendente, que pudiera ocasionar su baja disponibilidad en determinados

momentos. En cuanto a la negación de servicio, este ataque se hace en contra

de un usuario específico o de un grupo de usuarios y las formas de realizarlo

son tan variadas, que la única forma de controlarlo es hacer revisiones

periódicas al sistema para analizar su comportamiento y desempeño.

A pesar de que la seguridad está presente en cada componente e interfaz de la

arquitectura PacketCable®, la clonación de cablemódems para presentarse en

la red como un usuario con determinados privilegios, fue una práctica común

LCM


que se contrarrestó con la encriptación del tráfico entre el cablemodem y el

CMTS, así como mediante la autenticación de certificados digitales en el

cablemodem para controlar la disponibilidad de servicios al suscriptor. Todo

esto se logró con la introducción de BPI+ (Basic Privacy Plus) en DOCSIS 1.1

para ofrecer privacidad de datos en la red de cable y protección contra el robo

de servicios mediante la encriptación de paquetes de datos.

Figura 18. Elementos de seguridad en la red PacketCable®

El uso de ‘firewalls’ cobró especial importancia en la administración de

servicios de datos para filtrar tráfico no deseado en las redes de cable.

Generalmente se utilizan para evitar que usuarios externos no autorizados

accedan a redes privadas conectadas a Internet; todos los mensajes que entran

y salen a la red privada deberán atravesar el firewall para su respectivo análisis.

LCM


En la sección de servidores de “Back-office” y aplicaciones, también se introdujo

un servidor KDC (Key Distribution Center) que se emplea como servidor

Kerberos para realizar la autenticación, intercambio de llaves y encriptación.

Este protocolo permite establecer comunicaciones individuales sobre redes

inseguras mediante autenticación mutua tanto de los usuarios como de los

servicios solicitados, en un modelo cliente-servidor. Kerberos utiliza al KDC

como un tercer elemento que consiste de dos secciones lógicamente

independientes: un Servidor de Autenticación (AS, Authentication Server) y un

Servidor Emisor de Tickets (TGS, Ticket Granting Server). A través de la

emisión de ‘tickets’ se realiza la identificación y autenticación de usuarios.

Asimismo, Kerberos mantiene una base de datos con llaves secretas

únicamente conocida por una entidad de la red y el propio servidor

teoria catv

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