UNIVERSIDAD DON BOSCO -DISENO DE REDES DE ACCESO ASIMETRICAS r ALAMBRICAS E INALAMBRICAS POR MEDIO DE SOFTWARE r TRABAJO DE GRADUACION PREPARADO PARA SOYAPANGO LA FACULTAD DE INGENIER.IA PARA OPTAR AL GRADO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA POR JOSÉ GILBERTO HERRERA VÁSQUEZ ABRIL DEL 2001 CENTRO.AMERICA EL SALVADOR UNIVERSIDAD DON BOSCO RECTOR ING. FEDERICO MIGUEL HUGUET SECRETARIO GENERAL LIC. MARIO OLMOS DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA ING. CARLOS BRAN ASESOR DEL TRABAJO DE GRADUACIÓN ING. ROBERTO E. HERNÁNDEZ JURADO EVALUADOR: ING. ROBERTO CARLOS ALVARENGA ING. EDUARDO IV.AN COLOCHO UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA JURADO EVALUADOR DEL TRABAJO DE GRADUACIÓN DISEÑO DE REDES DE ACCESO ASIMÉTRICAS ALAMBRICAS E INALÁMBRICAS POR MEDIO DE SOITWARE EDMUNDO HERNÁNDEZ Asesor AGRADECIMIENTO Se necesita mucho esfuerzo y dedicación para realizar un trabajo de graduación, quiero agradecer en primer lugar a Dios por haberme proporcionado la salud y las fuerzas para llevarlo a cabo, a mi Padre y a mi Madre que siempre estuvieron pendientes, proporcionándome apoyo en todo momento y dándome además los ánimos que necesitaba para seguir adelante. Gracias a William Flores, quien asesoró este trabajo en su mayor parte, por haber dedicado el tiempo necesario en guiarme y transmitirme su valiosa experiencia para lograr una máxima calidad posible, y a Roberto Hemández , quien fue mi asesor al final, por haber compartido sus conocimientos para conseguir concluir esta tesis lo mejor posible. José G. Herrera TABLA DE CONTENIDO Introducción ................................................................................................................................ 1 Capítulo I: INTRODUCCION 1.1. PRESENTACION ....................................................................................... 2 1.2 OBJETNOS DEL PROYECTO ............................................................. 3 1.3 ANTECEDENTES ...................................................................................... 4 1.4 SITUACIÓN ACI1JAL ................................................................................ 6 Capítulo 11: TECNOLOGÍAS DE ACCESO 2.1 ADSL 2.1.1 INTRODUCCION ......................................................................................... 7 2.1.2 CONCEPTOS BÁSICOS DE TRANSMISIÓN ADSL ..................... 7 2.1.3 CARACTERÍSTICAS DE ADSL .............................................................. 9 2.1.4 ARQUITECTURA DE ADSL ................................................................... 13 2.1.5 ESTANDAR.ES ADSL ................................................................................. 19 2.1.6 INTERFASES ADSL ................................................................... ·-·············· 20 2.1.7 FABRICA1\i1ES ADSL ................................................................................ 20 2.2 CABLE MODEM 2.2.1 INIRODUCCION ....................................................................................... 22 2.22 CONCEPTOS BÁSICOS TRANSMISIÓN CABLE MODEM ... 22 2.2.3 CARACTERÍSTICAS DE CABLE MODEM ..................................... 25 2.24 ARQUITECTURA DE CABLE MODEM ............... ---·-········27 2.2.5 ESTAl\i'DAR.ES DE CABLE MODEM .................................................. 31 2.2.6 INTERFASES DE CABLE MODEM ................................... ·-··-······31 2.2.7 FABRICA..mES DE CABLE MODEM ......................... ·---··32 2.3 WIRELESS 2.3.1 I1'1'1RODUCCION ....................................................................................... 33 23.2 CONCEPTOS BÁSICOS TRANSMISIÓN WIRELESS ---······33 2.3.3 CARACTERÍSTICAS DE WIRELESS ································-····-·······36 2.3.4 ARQUITECTURA DE WIRELESS ................................... ·--······41 2.3.5 ESTANDARES DE WIRELESS .............................................................. 43 23.6 INTERFASES DE WIRELESS ................................................................. 43 2.3.7 FABRICANTES DE WIR.ELESS ............................................................. 43 2.4VSAT 2.4.1 INIRODUCCION ....................................................................................... 44 24.2 CONCEPTOS BÁSICOS TRANSMISIÓN VSAT ........................... 44 2.4.3 CARACTERÍSTICAS DE VSAT ............... "" ............................................ 47 2.4.4ARQUffECTURA DE VSAT ................................................................... 52 2.4.6 INTERFASES DE VSAT ........................................................................... 54 2.4.7 FABRICANTES DE VSAT ........................................................................ 55 Capítulo III: APLICACIONES 3.1. VIDEO CONFERENCIAS ·--·············· .. ····· .. ··· ......................... 56 3.2 TELE EDUCACON .................................................................................. 57 3.3 INTERNET .................................................................................................... 58 3.4 RED PRIVADA VIRTUAL ...................................................................... 59 Capítulo IV: ADMINISTRACIÓN DE RED 4.1. INTRODUCCION .................................................................................... 60 4.2 ESTRUCTURA TMN ············---··················································60 4.3 LA INTERFASE ESTA...NDAR ................................................................ 61 4.4 MODEID LÓGICO Tj\fN' ...................................................................... 62 4.5 ADMINISTRACION DE RED ThfN .................................................. 62 4.6 ADMINISTRACION DE RED DE ACCESO .................................. 63 Capítulo V: DISEÑO 5.1 DISEÑO DE SOFTWARE 5.1.1 INTRODUCCION --·········· .. ································· ........................ 64 5.1.2 COMPONENTES DEL PROGRAMA ......................... : ................. 64 5 .. 1.3 FLUJOGRAMA DEL PROGRAMA ................................ ·-·-·········66 5.1.3.1 SUBRUTINA DE AGRUPAMIENTO ............................... 68 5.1.3.2 SUBRUTINA DE CALCULO ADSL--····---······69 5.1.3.3 SUBRUTINA INVERSIÓN Y RECUPERACION ........ 71 5.1.3.4 SUBRUTINA DE CALCULOS WIRELESS ..................... 73 5.1.3.5 SUBRUTINA DE CALCULO CABLE MODEM ........... 75 5.1.3.6 SUBRUTINA DE CALCULO VSAT ................................... 75 5.2 IMPLEMENTACION DELSOFT\VARE 5.2.1 IN1RODUCCION .............................................................................. 76 5.2.2 ACOPLAMIENTO DE MODULOS ............................................ 76 5.3 CARACTERISTICAS TECNICAS 5.3.1 ESPECIFICACIONES DE ARCHIVOS ..................................... 77 5.3.2 AMBIENTE DE 'TRABAJO ............................................................ 78 5.4 FUNCIONAMIENTO 5.4.1 MANUAL DE USUARIO ................................................................. 78 CONCLUSIONES ........................................................................................................ 86 RECOMENDACIONES ............................................................................................ 87 GLOSARIO ..................................................................................................................... 88 BIBLIOGRAFlA ........................................................................................................... 90 ANEXOS ......................................................................................................................... 91 INTRODUCCION Hoy en día con acceso al Internet y aplicaciones que requieren un gran ancho de banda, continuamente se están buscando redes de acceso que permitan el flujo de información a grandes velocidades. Con el acceso asimétrico las velocidades a la que viajan los datos en un sentido u otro es diferente, lo cual representa una gran ventaja para aplicaciones en las que el mayor flujo de datos van desde el proveedor de servicio hacia el usuario final. El viejo hilo de cobre se resiste a desaparecer y sigue jugando un papel clave en algunas de las nuevas propuestas que llegan al mercado. Con técnicas como la dffiominada ADSL (Línea del subscriptor digital asimétrico) es posible, por medio de la red telefónica, conectar ordenadores y permitir ver la televisión a velocidades de hasta 9 Mbps, 300 veces más que lo que se consigue ahora con módems normales. Por medio de VSAT (V ery Small Aperture Terminal) es posible llevar múltiples servicios, en forma asimétrica, a través de satélites, hacia usuarios alejados del proveedor de serv1c10 de telecomunicaciones; de igual forma la tecnología conocida como Cable Modem permite el acceso utilizando infraestructuras de cables de televisión. Además equipos con tecnologías Wireless ofrecen una solución de acceso de forma inalámbrica para usuarios con una separación geográfica no muy grande y que impide llevar los servicios por medio de cables. El software de planificación de redes de acceso asimétricas, desarrollado en esta tesis, consiste en una herramienta con la que el usua1.:io puede interactuar y obtener resultados de diseño de cualquiera de las tecnologías de acceso mencionadas en un principio, lo cual le permitirá hacer una comparación entre los resultados obtenidos bajo diferentes perspectivas. Capítulo/ INTRODUCCION 1.1 PRESENTACION El problema general de la planificación de redes de datos no es distinto al de las redes telefónicas, esto es, la minimización de su relación costo/desempeño, o en otras palabras la minimización de una función gue expresa cierta forma de costo, asegurando un desempeño prefijado (calidad de servicio y facilidades funcionales), y bajo unas condiciones limitadoras específicas. Las compañías de telecomunicaciones del mundo se están esforzando por encontrar nuevas soluciones de acceso (redes de acceso), tanto alámbrica como inalámbrica, para los nuevos servicios de telecomunicaciones, demandados por miles de usuarios. Se cuenta actualmente con una variedad de soluciones para satisfacer la creciente demanda de los usuarios de servicios. Aplicaciones como Internet, Tele Trabajo, Tele Educación, Video en Demanda, Tele Medicina, etc., necesitan de tecnologías asimétricas para el transporte de información, debido a que se requiere mayores velocidades de acceso desde la red hacia el usuario, que desde usuario hacia la red. En el presente documento se concentran los prmc1p10s básicos de las tecnologías asimétricas y sus aplicaciones, no obstante, el objetivo principal, obtener una herramienta de planificación de redes de acceso asimétricas alámbricas e inalámbricas, no está limitado a exponer esos principios fundamentales, sino a ser aplicados mediante un software de diseño de redes de acceso para dichas tecnologías. Este proyecto, comienza con los conceptos fundamentales de cada una de las tecnologías: ADSL, Cable Módem, Wireless y VSAT. Se ha dedicado a estos temas el Capítulo II, gue a la vez se complementa con Capítulo III, dedicado a revisar las aplicaciones y n~os servicios gue los proveedores están ofreciendo hoy en día. En el capítulo IV se habla un poco de las formas y caracteósticas de la administración de red, aplicada a redes de acceso asimétricas. En el ultimo capitulo se habla todo lo referente al desarrollo del software así como su funcionamiento. 2 1.2 OBJETIVOS DEL PROYECTO El impulso y desarrollo de la sociedad de la información, cuyo principal exponente es el fenómeno Internet, requiere la implementación de herramientas que promuevan y faciliten la implantación de soluciones innovadoras, acordes con la evolución tecnológica y con las necesidades del mercado. Se conseguirá como producto final una herramienta que proporcione la configuración óptima de la red de acceso con tecnologías que dependerán de las ubicaciones y necesidades de los clientes en dicha área geográfica. 1.2.1 Objetivo General • Diseñar y llevar a cabo un Software para Planificación de Redes de Acceso, el cual pueda utilizarse para el diseño de redes de acceso asimétricas que soporten múltiples servicios y que al mismo tiempo puedan proveer información acerca de las tecnología ADSL, VSA T, Wireless y Cable Modero. 1.2.2 Objetivos Específicos • Describir la teoría básica y el funcionamiento de las tecnologías ADSL, VSA T, Wireless y Cable Modem. • Describir los conceptos necesarios para el diseño de redes de acceso asimétricas • Contar con toda la información necesaria para poder implementar sistemas de acceso asimétricos. • Elaborar un software que permita realizar diseños de redes de acceso asimétricas, de acuerdo a la distribución geográfica y necesidades de acceso a servicios. • Llevar a cabo diseños de redes acopladas a sistemas de múltiple acceso alámbricos e inalámbricos con aplicaciones específicas, por medio del software obtenido. 1.3 .ANTECEDENTES La mayoría de redes de acceso existentes actualmente, ofrecen transporte de datos en forma simétrica, lo cual no representa gran eficiencia para el proveer servicios, cuando se la transferencia de información es mayor en un sentido que en otro. Canales dedicados son ofrecidos a costos relativamente grandes y para los cuales se desperdicia un cierto ancho de banda en un sentido y que se necesita en el otro, ocasionando congestionamiento en el transporte del sen,icio. El caso mas palpable es el Internet, que sigue creciendo rápidamente en todo el mundo. El cambio de estas tecnología existentes podrá mejorar enormemente la calidad y rapidez de los servicios nuevos y los ya existentes, permitiendo el acceso a bajos costos y al alcance de la mayoría de la población. Sin embargo para lograr esta migración, será necesario implementar herramientas que ayuden al dimensionamiento óptimo de la red de acceso para tecnologías asimétricas. Por otro lado, durante mucho tiempo se ha considerado la red telefónica como inadecuada para la transmisión de datos a altas velocidades. Las redes telefónicas se empezaron a congestionar por la gran demanda y flujo de datos a través de ellas. Entonces, voz y datos en forma de bits( imagen, sonido, vídeo, gráficos en movimiento ... ) comenzaron a compartir una canal que, aunque en principio soportaba esta convivencia, con el desarrollo de las telecomunicaciones y, sobre todo, con su popularización, simplemente se ha saturado. La inmediata consecuencia de esto fue la lentitud con que viajaban estos datos. La tecnología conocida como ADSL (Línea del Subscriptor Digital Asimétrica), comenzó a utilizar la infraestructura de la red de telefonía, siempre y cuando a ambos lados de la línea se colocaran módems ADSL. La diferencia respecto a los módems normales era que no podía comprarse y conectarse directamente a la red telefónica. Era necesario que la compañía telefónica instalara el módem en la central local. Sin embargo salieron al mercado módems de fácil instalación (ADSL Lite), los cuales podían ser instalados y configurados por el cliente mismo. La tecnología ADSL fue conocida en el mercado por primera vez en 1995, en 1997 la Unión Internacional de Telecomunicaciones sector Estandarización (ITU-1) empezó definiendo una serie de recomendaciones para ADSL. Hasta 1998 no se había desarrollo un mercado masivo para esta tecnología. En algunos países muy avanzados se tenían entre 30,000 y 50,000 líneas ADSL 4 para finales de 1998. La falta de crecimiento en esta época provino de la falta de redes de acceso disponibles para los usuarios y no de la tecnología como tal. En forma paralela a los avances en telecomunicaciones, los sistemas de cable fueron originalmente diseñados para transportar eficientemente señales de tele,·isión de un punto a múltiples puntos a los clientes. Para asegurar que los clientes podrían obtener servicios de banda ancha, con el mismo equipo de TV, los proveedores de cable rediseñaron la red existente de cable coaxial. Después de años de práctica, operadores grandes de cable finalmente comenzaron a desarrollar los servicios con tecnologías de Cable Módems a finales de 1996. Se estimó que los operadores de cable estarían ofreciendo servicios de Internet a altas velocidades a mas de 40 millones de hogares en Estados Unidos para diciembre de 1999, con esta tecnología. Debido al crecimiento masivo de demanda para transmisión de datos, se estuvieron desarrollando también por muchos años tecnologías que permitan un acceso local por medio de redes flexibles de banda ancha con transmisión inalámbrica de múltiples servicios. Es así como surgió tecnologías Wireless que permiten transmisiones asimétricas de información, proporcic•~rnndo un gran paso adelante para satisfacer las demandas existentes para clientes con ubicaciones no muy dispersas geográficamente, para los cuales no hay factibilidad de llevar el servicio por medio de cables. Algunos años atrás, los satélites fueron utilizados tradicionalmente para la difusión de TV y telefonía, sin embargo por medio de nuevas tecnologías como VSAT (Terminal de Apertura Muy Pequeña), se hizo posible aprovecharlos como un puente para la transmisión de datos, el acceso al Internet, y la interconexión de redes, de forma asimétrica debido a su amplia cobertura y con costos de transmisión independientes de la distancia. Gracias a la aparición de las tecnologías mencionadas anteriormente, que se han venido dando en el transcurso de los años en el campo de las telecomunicaciones, los clientes, cuya demanda de nuevos servicios crece enormemente, son beneficiados al tener a su disposición ,arias alternativas de acceso y al mismo tiempo los pro-veedores de servicio pueden ofrecer una .mejor calidad de servicio y a un precio competitivo en el mercado. 5 1.4 SITU.ACION .ACTUAL No son muy numerosos los libros publicados sobre planificación de Redes de acceso para las tecnologías asimétricas de hoy en día. El ITU-T (Unión de Telecomunicación Internacional sección Estandares) ha sido la organización mas acti,·a en este sentido, otras organizaciones privadas también tienen publicaciones al respecto. Sin embargo la mayoría de información se encuentra dispersa en las comunicaciones presentadas en forum internacionales, y mas aún en el Internet. Actualmente se estima que se dispone de aproximadamente 600 a 700 millones de líneas telefónicas de cobre en todo el mundo. Esto es lo que ha hecho preservar en la búsqueda de tecnologías que incrementen la capacidad del par de cobre, una de ellas es ADSL. El número de clientes que se conectan a tra..-és de ADSL está creciendo increiblemente, ya que se pueden ofrecer altas velocidades de transmisión a costos muy bajos, comparados con las líneas dedicadas o con ISDN. Compañías internacionales están introduciendo la tecnología de Cable Módem para ofrecer a sus clientes servicios de banda ancha. Con aproximadamente 700,000 cable módems instalados en los Estados Unidos, está actualmente liderando el mercado de los clientes residenciales. En este país las compañías con sucursales ó tiendas dispersas están instalando sistemas Wireles de banda ancha, la cual ofrece un gran potencial de crecimiento. Esta industria ha crecido gi.gantescamente desde finales de los 80s, como resultado de la calidad de servicio ofrecida por la mayoóa de redes de acceso que utilizan esta tecnología. Se estima que habrán mas del 530 millones de clientes Wireless alrededor del mundo a finales de este año. VSAT es una tecnología basada en satélites que está siendo implementada en localidades alejadas a los nodos de acceso o con una situación geográfica accidentada (zonas rurales), que imposibilita la llegada por otros medios. Está siendo actualmente implementada para llevar Internet y para interconectar servidores de las empresas matrices con sus sucursales internacionales dispersas por todo el mundo. Esta es una solución mas de acceso asimétrico con la que actualmente se cuenta en el mundo de las telecomunicaciones. 6 Capítulo// TECNOLOGÍAS DE ACCESO 2.1 ADSL 2.1.1 INTRODUCCION ADSL (Línea del Subscriptor Digital Asimétrica) fue concebida por Joe Lechleider, un investigador de Bellcore. La idea fundamental fue aprovechar las líneas de cobre gue existen entre el abonado y la central telefónica (creada para transmitir voz) para transportar datos a altas velocidades. Hoy en día es una tecnología que permite utilizar el cable de cobre para obtener, además del servicio telefónico, un servicio permanente de transmisión de datos con altas velocidades. Para hacer posible esta tecnología es necesario instalar equipo ADSL en cada e:,...'tremo de la línea de cobre (usuario - central telefónica). Con ADSL es posible hablar por teléfono mientras se transmiten datos, gracias a filtros que distinguen entre ,·oz y datos; se pueden ofrecer a cada subscriptor servicios de altas velocidades de acceso al Internet, Tele-Trabajo, Video en Demanda, y otras aplicaciones. Las características de ancho de banda asimétrico, ofrecidas por esta tecnología, garantiza una excelente actuación de extremo a extremo con las aplicaciones cliente servidor, donde típicamente el cliente recibe mas información del servidor. 2.1.2 CONCEPTOS BÁSICOS DE TRANSMISIÓN CON ADSL. ADSL pertenece a la familia de tecnologías DSL (Digital Subscriber Line), un grupo de técnicas de transmisión que optimizan la utilización de las líneas de cobre. Al conectar un módem xDSL, a cada extremo de una línea, se crea un subscriptor de línea digital DSL es el módem básico para ISDN (Red Digital de Servicios Integrados). U:oa transmisión dúplex, a 128 Kbps en líneas de cobre, de hasta 5.5Km. HDSL (Línea del Subscriptor Digital de Alta Velocidad) es la forma de transmitir e:o Tl ó E1 dúplex sobre una línea de cobre, transmitiendo a 1.544 Mbps ó 2.048 Mbps y se requieren de dos líneas de par de cobre. SDSL (Línea del subscriptor digital de línea simple) simplemente es HDSL pero sobre un solo par de ·1 cobre, capaz de transmitir 1.544 ó 2.048 Mbps en una sola línea telefónica, diseñado para todo tipo de acceso asimétrico en distancias hasta de 3 Km. UADSL (Universal ADSL) es una variante de DSL, que a costo de ser mas lenta, se ha optimizado, simplificando su implementación y reducidos los costos para los clientes residenciales. VDSL (Línea del Subscriptor digital de muy Alta Velocidad) es más rápido que ADSL, pero las líneas deben ser más cortas, cuenta con velocidades desde 13 a 52 Mbps de downstream y de 1.6 a 2.3 Mbps de Upstream, apunta solo a redes con arquitectura A TM y Fibra óptica. El módem es el equipo con el que muchas personas están familiarizadas hoy en día junto con el paradigma que une al Internet vía una conexión "dial-up", como muestra en Figura 2.1. En una conexión dial-up, se conecta la PC del usuario a un módem de banda de voz que marca un número telefónico de la red publica (PSTN) a un Concentrador de Servicio del Acceso Remoto (RAS). El Concentrador RAS consta de varios módems y es responsable de dirigir el tráfico a un router que en su momento, lo direcciona a su destinatario, permitiendo a la PC del usuario y el servidor de Web comunicarse el uno al otro. El módem transmisor transforma datos digitales al requisito de señal analógica. Al otro extremo el módem receptor invierte el proceso, y convertidos los signos analógicos en datos digitales que pueden ser manipulados por el Concentrador RAS. Digital /nelo? ~ Digital / / ~~irewa.11 PC / f Servidor lnteme1 / / Web fÍI!. I / PSTN / Concentrad o r RAS Figura 2.1. Conexión típica Dial-up Router Por consiguiente, conexiones de banda de voz van por múltiple conversiones analógico a digital y digital a analógicas 1 • También, la tecnología del módem está sujeta a limitaciones de ancho de banda de la red de la voz analógica entre el subscriptor y la Oficina Central. Por estas razones el acceso dial-up es lento y con limitaciones de transmisión de datos que requieren un ancho de banda grande. 1 Hoy en día modems de 56 Kbps están disponibles para alcanzar velocidades altas, elinúnando uno de estos pasos de conversión. Sin embargo, todavía se limita a 56 Kbps la máxima alcanzable. 8 Se pueden superar las limitaciones de la tecnología módem tradicional de banda de voz. La tecnología ADSL utiliza la infraestructura ya existente en .la PSTN, ver figura 2.2, y se desarrolló en base a las técnicas de modulación empleadas por los módems comunes, añadiendo detección y corrección de errores. Para la red de acceso ADSL en la entrada de la central se deben instalar Racks de Splitter para separar la voz de los datos, seguido de un equipo denominado DSLAM (grupo de módems) y en local del cliente solamente un módem G.lite (configuración sin splitter), o un módem "full-rate" (altas velocidades) junto con un splitter. Estas configuraciones se explicarán a detalle mas adelante. PC PSTN Full.rate :::ierv1dor Web lnt"iit~ ISJ> Sw tcñ Roa.tet F4,>zira 2.2Diferentes formas de red de acceso ADSL El módem lleva a cabo protocolos que comprenden las funciones de modulación, control de errores y compresión de datos. ADSL utiliza modulación QAM (Modulación por amplitud de cuadratura) para su transmisión. Para la implementación de equipos ADSL se debe de tomar en cuenta muchos factores referentes al medio de transmisión y a la calidad de ésta. Una linea telefónica está expuesta a Yarias fuentes de error como lo son: 1) Ruido de impulso: causado por interferencias eléctricas, como las causadas por tormentas eléctricas, aparatos con swtches on/ off en la casa, así como otras fuentes de ruido mecánico. 2) Ruido blanco (gausiano): está presente siempre en la línea causado por el movimiento de electrones en la linea. En gene~ algunas fuentes de ruido se adicionan juntas causando una interferencia que tiene forma gausiana. 3) Atenuación: Cuando la señal viaja a lo largo de la linea, ésta pierde algo de su fuerza con la distancia. Si la señal llega muy débil, ésta es muy susceptible a errores. 9 4) Crosstalk: ocurre cuando señales de dos líneas cercanas interfieren el una a la otra. 5) Ruido de intermodulación (IMD): debido a la combinación de dos señales que originan una frecuencia fuera del rango permitido. Otra fuente de ruido son las interferencias de radio frecuencia (RFI), estas son impredecibles y pueden darse frecuencias de brinco y varios niveles de potencia. Para mejorar el transporte de datos se utilizan chequeo cíclico de redundancia (CRC) y el chequeo de paridad son técnicas empleadas, con técnicas de corrección de error de dos clases: Forware Error Correction (FEC) y Automatic Repeat Reguest (ARQ). 2.1.3 CARACTERÍSTICAS DEADSL 2.1.3.l Velocidades alcanzadas por ADSL La configuración mínima proporcionada en ADSL es de 1,5 o 2 Mbps en downstream (desde la central hacia el usuario) y 16 Kbps en duplex; otros proporcionan velocidades de 6,1 Mbps y 64 Kbps en duplex. Productos con velocidades de downstream hasta 9 Mbps y velocidades en canal duplex hasta 640 Kbps están disponible también en el mercado. La velocidad downstream depende de varios factores como lo son: la longitud de la línea de cobre, el calibre del alambre, presencia de puentes conectados e interferencias. La atenuación de la línea aumenta con longitud de ésta y con la frecuencia, disminuye cuando el diámetro del cable es mayor. Los Fabricantes de productos garantizan las velocidades dentro de ciertos parámetros, un ejemplo de estos se puede observar en la tabla 2.1. Velocidad Calibre de cable Distancia Diámetro de cable Distancia 1.5 or 2 Mbps 241\WG 18,000 ft 0.5mm 5.5 Km 1.5 or 2 Mbps 261\WG 15,000 ft 0.4mm 4.6 Km 6.1 Mbps 24AWG 12,000 ft 0.5mm 3.7Km 6.1 Mbps 26 _I\WG 9,000 ft 0.4mm 2.7 Km Tabla 2.1. D1stanaas máximas con diferentes cables y velocidades 2 .1.3 .2 Métodos de transporte de datos con ADSL Para el envío y recepción de datos simultáneamente, los módems ADSL usan FDM (Multiplexación por División de Frecuencia) o cancelación de ECO. FDM asigna una banda de frecuencia para los datos en fopstream (desde el cliente hacia la central) y otra para downstream. 10 Algunos módems usan TDM (Multiplexación por División de Tiempo) para dividir estas bandas en múltiples canales para transportar distintos tipos de datos simultáneamente. El sistema basado en cancelación de Eco usa la misma banda para las señales upstream y downstream, y elimina todas las señales extrañas producidas por ecos de la transmisión, utilizando todo el ancho de banda disponible para enviar y recibir en la misma frecuencia. Con el fin de explotar estas frecuencias de buena manera, ADSL usa tecnologías avanzadas de modulación. Actualmente son dos las que se están disputando el derecho a ser el estándar, la primera es DTM (Multi-tono Discreta), y la otra es CAP (Modulación de Amplitud y Fase). QAM_ Modulación por Amplitud de Cuadratura. Fue la primera modulación sugerida para sistemas ADSL, de todas las modulaciones disponibles, QAM era la mas robusta y disponía de la mejor eficiencia del ancho de banda. Esta modulación utiliza diferencias de fase para transmitir múltiples bits por símbolo. Un sistema típico QAM agrupa cuatro bits por símbolo y requiere 21 dB de relación señal a ruido (SNR) en el receptor, para una baja tasa de errores. Sin embargo QAM puede diseñarse con menos y mas bits por símbolos, hasta 15. Por cada bit agregado la SNR debe aumentar 3 dB para lograr el mismo nivel de error. Implementaciones prácticas de QAM logran 8 bits/ simb, que significan por ejemplo, que a 680 Kbaud se pueden transmitir a 5.44 Mbps, pero con una S/N requerida de 33 dB en el receptor. FEC_ Corrección de Errores Adelante y Codigo Reed-Solomon. FEC es el proceso de corrección de errores, en el cual, al llegar una trama de datos al receptor es controlada, y en caso de tener errores éstos pueden ser corregidos por distintos métodos. Estos procedimientos dependen del tipo de información que es enviada y la forma en que es transmitida. Se agregan bits adicionales (redundantes) a la trama de datos para formar un código de detección y/ o corrección de errores. El número de errores detectados y/ o corregidos depende de la cantidad de bits agregados, la regla general dice que mientras mas bits redundantes, mayor es la capacidad de detectar y corregir errores. El código Reed-Solomon opera con palabras codificadas compuestas de n símbolos, con K bits/símbolo. Cada palabra codificada tiene 2t símbolos de chequeo y n-2t símbolos de datos. Reed-Solomon es capaz de corregir hasta t símbolos erróneos en cada palabra codificada. Cuando se detecta un error en un símbolo, este corrige todos los bits en dicho símbolo, cuando encuentra mas de t símbolos erróneos, este simplemente entrega la palabra codificada sin realizar cambios. 11 DMT_ Tono Múltiple Discreto Se basa en dividir en sub-bandas el rango de frecuencias disponibles. En cada banda se utiliza la modulación QAM, simulándose así la función de varios módems QAM tradicionales trabajando en paralelo. DMT está referido al estándar ANSI T1.413 2 • Basado en ADSL, Dl\IT puede ser pensado como muchos mini-modems (usualmente 256), de 4 KHz cada uno, funcionando simultáneamente. DMT usa muchas portadoras creando sub-canales, cada uno de los cuales transporta una fracción de la información total y puede transportar entre O y 15 bits/símbolos/ Hz. Como se puede observar en la Figura 2.1.1 los sub-canales pueden ser dejados sin uso debido a interferencias externas.El ancho de banda upstream es: 25 canales x 15 bits/simolo/Hz/canales x 4 KHz= 1.5 Mbps. El ancho de banda downstream es: 249 channels x 15 bits/symbol/Hz/channel x 4 KHz = 14. 9 Mbps. Espacio= 4.3 KHz Sin oso por condiciones de línea -,.... 7dB \!.\>. ~ - O 4 l p.,tream l)i,,1 n,tn:am Fn:quency (KHz) Figure 2.3. Utilización del espectro de frecuencias para DMT Durante la inicialización Dl\IT monitorea las condiciones de la línea y asigna la capacidad de transporte de bit de cada sub-cana.4 basado en su SNR. Puede, también, en forma dinámica adaptar la velocidad ajustando el número de bis por canal. CAP Transporte AM/PM El CAP tiene una cierta similitud con QAM, ambas usan amplitud y fase para representar una señal binaria. La diferencia está en el diagrama de constelación, CAP emplea dos formas de onda para representar los cambios de amplitud y fase (codificación de bits), en lugar de utilizar para esto la portadora, como en QAM. Los sistemas CAP propuestos implementan 5 velocidades 2 ANSI es el instituto de Estándares Nacional Americano. encargado de la creación estándares de comunicación para diferentes tecnologías. 12 downstream, en baudios, implicadas con 5 constelaciones que van desde 8 a 256 estados QAM, lo que implica que mediante redundancia controlada solo se están usando la mitad de los estados normalmente utilizados, en caso de QAM sin codificar. Al iniciarse una conexión, un módem CAP verifica la calidad de la línea de acceso e implementa la versión codificada de QAM mas adecuada (8 a 256 QAM) para el caso en particular. El algoritmo de CAP proporciona los datos en combinaciones de bits en forma de amphtud y fase, de esta manera crea varios signos a ser enviados por las líneas del par de cobre. A diferencia de DMT, CAP usa la frecuencia entera que va de 26 KHz hasta 1.1 MHz como un canal, ver figura 2.4. CAP es usado hoy en algunas de los standard para módem de comunicación como V.32/ V.32bis. El número de signos que la CAP puede generar depende de la cantidad de pedazos de la información que queremos enviar encima de la línea, por usar algoritmo diferente CAP puede ajustar el tasa de transferencia de una sesión de ADSL en tiempo real. Bajo costo y adaptación de velocidad son las principales Yentajas de CAP. En cambio D.MT se considera una tecnología más fiable y sofisticada y se cree que dominará el mundo de la comunicación futuro. El estándar ITU ADSL define el Dl\ff como el método de modulación a ser usado en equipos de comunicaciones ADSL pero algunos de los fabricantes trabajan en una norma diferente que usará la tecnología de la CAP. O 4 26 1100 Figura 2.4 Espectro de modulación CAP 2.1.4 ARQUITECTURA 2.1.4.1 Modelo de ReferenciaADSL En la actualidad ADSL Forum es la asociación que agrupa a los distintos fabricantes de ADSL y se encarga de la estandarización de esta nue"t"a tecnología. Como se puede observar en la figura 2.5 existe un Modelo Referencia ADSL Forum para redes ADSL, en el cual se pueden ver las componenres de red, así como las interfases utilizadas para su interconexión. 13 En este modelo de referencia se puede observar que la línea telefónica (loop) es delimitada por las interfaces UC (en el lado de la central) y por UR (en el lado del cliente). La línea telefónica puede o no ser utilizada por el servicios POTS 3, si este la usara, en el local del cliente se deberá incluir un "POTS Spliter" que provee la interfase U-R2, y en lado de la central la interfase U-C2. El ADSL en la oficina central es manejado por el A TU-C (unidad terminal ADSL). Las unidades de ATU-C pueden estar individuales, o montadas sobre otros equipos, es decir, integradas en los nodos de acceso. El A TU-C está apareado con una unidad espejo, a un ADSL remoto de la unidad terminal (ATU-R). El ATU-R generalmente es un dispositivo individual, ubicado en el local del cliente, que recibe los datos que provienen de la red de servicio en el canal downstream y envía los datos hacia la red de sen'Ício por el canal duplex. Digital • Broadcast , Broadband : Netv.ork : . Narrowband : Netv«>r1c: Netv.ork Management : ATU-C AlU-C ATU-C ATU-C T-SM : Splitter TU-R T . . ; • T.E. • • • •POTS-C • • • • POTS-R T.E. T.E. PSlN Premises ..------. Distribution Network Figure 2.5 Modelo de Referencia ADSL Forum El ATU-R provee una señal digital a la interfase T-SM para conectarse ya sea un equipo terminal o a un módulo de distribución. Si se ocupara un módulo de distribución en local del cliente la Interfase T se encuentra entre la red de distribución en local del cliente y los módulos de servicios. El enlace ADSL finaliza en el local del cliente con un o varios equipos teorunales TE. Las interfases V pueden contemplar STM (Modo de Transferencia Síncrona), A TM (Modo de transferencia Asíncrona) o ambos, dependiendo del equipo que se utilice. La red de Acceso comprende los equipos en la central (ATU-C, Splitters), la línea local y los equipos en el local del cliente (ATU-R, Splitters). Cada uno de los elementos del modelo de referencia ADSL Forum son descritos en el Anexo A. 3 Cuando se habla de servietos POTS se refiere a los servicios ofrecidos en la red vieja de telefonía, específicamente transmisión de voz por el par de cables tradicional para teléfonos. 14 1.4.2. Especificaciones y funciones del Splitter El POTS Splitter es considerado ser el dispositivo que separa la señal POTS de las señales ADSL, previniendo así interferencias en los datos. Los POTS Splitter pueden ser: • Activo ó Pasivo: Incluyendo la sección del filtro pasa bajos (LPF) y la sección del ftltro pasa altos (HPF) ó incluyendo solo la sección del LPF. • Adyacente a la NID (Network Interface De,·ice) o alojado dentro de la NID • Adyacente a cada teléfono, Adyacente al A TU-R ó integrado al A TU-R. La sección del filtro pasa bajos contiene los circuitos que dejan pasar las frecuencias POTS (desde O a 4 KHz) hacia y desde el equipo telefónico y bloquea la señal ADSL. Los filtros pasa altos son necesarios para prevenir frecuencias bajas, los circuitos pueden ser incluidos y ser parte del ATU-R, o pueden ser incluidos dentro del POTS Splitter. El estándar que especifica las condiciones de la línea sobre las cuales el Splitter y ADSL deberán ser capaces de operar sin causar distorsión significativa en la señal POTS es en ANSI Tl.413-1995. En el mas común de los casos a ser considüados, la instalación de un módem ADSL requiere de la modificación de la línea telefónica con servicios de POTS activos y con teléfonos conectados, insertando un "POTS Spliter'' (ver figura 2.6). En los Estados Unidos un NID (Network Interface Device) establece la demarcación fisica entre la red y el local del cliente. La habilidad de instalar el POTS Spliter antes del ATU-R tiene una apelación particular cuando el ATU-R es dominado e instalado por el usuario y no por el proveedor de la red. NID POT spliien Figura 2.6 ADSL conceptua4 instalación del ATU-R/ Splitter Como se explicará a continuación, en algunas configuraciones no se utilizan Spliter, en su lugar se instalan microfiltros a la entrada de las terminales telefónicas. Sin embargo este tipo de configuraciones limita al mismo tiempo las velocidades que se pudieran obtener, ver tabla 2.2. 15 ·-····--··"·-· ·-··--· .. ,, .. _. .. ., = ===--= ............ ", .. ,.= ·.-.-=-=-"~-"===-·~ .. e:,~c._., .. .-.. ¿c,o ... ,,,. .... ........ ........... .............. " .. ,, .. .. - ... ___ ... .. .. .. .... .. .... ....... . .. ..... . ..... .. ¡<~ í ;f!PO DE CONFIGURACIÓN • rl ________ VE_NT_A_J_AS ________ ~r-·_·-____ º_ESVENT ___ JAS ____ _ • Se asegura una potencia aprorimacl.a • Se reqwere muchas veces A TU-R contiguo al T.E.(equipo terminal) con POTS Spliter separado ATU-R contiguo al T.E y con POTS Splitcr distribuidos A TU-R con POTS Splitcr integrado y contiguo al NID Mayor Flenbilidad de conexión de T.E. nueva inswación debido a que la • Separación máxima de .'\DSL y POTS • Mayor compatibilidad con fabricantes diferentes . • Corto cableado de la interfase T.sm sección ADSL está separada ~ ~! 1! • Se asegura una potencia apro:r:i=da • Todos los teléfonos necesitan ser .... ~ • Mayor Flexibilidad de conexión de T.E. equipados [ • Protección similar a la del Spliter separado. • Problemas cuando se cambia de ~ • Mayor compatibilidad con fabricantes diferentes. topología. t .. • .. • No necesita cadmio del cableado existente. ¡; - ------------------- --.. -_-_-_-_-_-.f!_!'I ___________ _:_ ~ • Las señales ADSL pasan por medios de transmisión no pre-existentes, minimizando los problemas que generan las ins taiaciones anti guas ~ ~ t, f.;: Í; I: ~ ¡¡ ~ • ATü-R --loc_aliz_ .. -ado--s - en- ;;;~~~··¡;;·;os o .... ~ afuera de los locales está e:.-puestos a 11 deterioros por el ambiento . fi • La complejidad de instalación límita el uso ~ ___________________ ________ d_e_algunas __ .. _ .. _re_de_s_de_clistribución locales . ~ i~ i ~ I; ~ r i -------------- __________________ ._~ _______ ----------------····· ..... 1 • Se asegura una potencia aprorimada. • Los teléf= conectados padrían ~ ATU-R con POTS Spliter integrado y contiguo al T.E • El cableado de la interfase T -sm sení corto ó no accidentalmente ser desconectados 1 existente. • Reqwere div= enn.ttamientos de dos ~ • Mayor Flexibilidad de conexión de T.E.. pares de cables para reducir las f interferencias. ¡ Tabla 2.2 Co'!figuracion.e., básicas ATT.J-R/ Sp!.iter 1 .. 1, f t t ~ t t t 2.1.4.3 ADSL G.lite En la figura 2.2, en el capítulo 2.1.2, se ilustró corno un full-rate ADSL y G.lite se ajustan en una arquitectura típica de red de acceso. G.lite es definida corno la operación de un módem ADSL sin un splitter instalado afuera del local del cliente. Hay varias razones por las cuales es posible eliminar el uso de un splitter, corno lo son: • La aplicación original de i\DSL fue VoD, ésta requería un POTS Splitter para satisfacer los senricio requeridos sobre una rango ancho de condiciones y áreas de servicio. Para G.lite, sin embargo el foco es una aplicación al cliente como un mercado masivo para el acceso al Internet. • El servicio i\DSL puede ser habilitado solo después de que la instalación es debidamente completada, por consiguiente el desarrollo es restringido por el personal calificado disponible para llegar al sitio de instalación. ADSL G.lite ha tenido una gran aceptación y crecimiento debido a gue el módem del cliente es de fácil instalación, tiene capacidad para largas distancias de transmisión, flexibilidad de velocidades de datos, existen estándares globales e interpolaridad, es compatible con ADSL full-rat~ y está orientado principalmente al servicio de rápido acceso al Internet. 2.1.4.4 Configuraciones básicas A TU-C Como lo muestra la Figura 2.7, los módems localizados en cada Oficina Central (CO), son conectados muchas veces para un enrutamiento IP (Protocolo de Internet) a traYés de un Hub Ethernet ó un switch. El concentrador habilita a gran números de usuarios para usar la red gue estaría implicada por el número de puertos de enrutamiento. Un separado enlace ethernet se conecta a cada módem hacia el switch o hub, el cual es conectado a un router que realiza un enrutamiento IP hacia el backbone del proveedor del servicio. ROU1ER OFICINA CENTRAL (CO) E!!Em,t Figura 2. 7 Red de acceso basada en Routers A1U-R 17 El inconveniente de la arquitectura basada en Routers es que no puede ser escalable a los incrementos de ancho de banda para el mercado residencial, y ésta no puede ser migrado fácilmente para la mezcla de servicios y conmutarlos. Multiples servicios por usuarios requieren separados router por cada servicio. A consecuencia de este problema, NSPs ahora desarrolla redes casi exclusivamente con conmutación A TM nivel 2. Los NSPs ofrecen ahora redes ADSL con Circuitos Permanentes Virtuales (PVCs), un camino basado en ATM entre una terminal de usuario y el ISP ó el gateway corporativo de una LAN. Un PVC no puede ser alterado por el usuario y es asignado por la administración de red siguiendo un orden específico. El plan original de redes de acceso A TM ambicionó la introducción de Circuitos Virtuales Conmutados (SVCs) para redes creciendo en tamaños y capacidades. Una conexión SVC es establecida en tiempo real en respuesta a mensajes de señalización del cliente. La figura 2.8 muestra un modelo simple de red de acceso ATM. Esto empieza con la asunción que todo el tráfico es conmutado a través de un backbone A TM. Esto da alta flexibilidad de conexión a múltiples servicios y prmreer el mejor compromiso entre paquetes y perfiles de trafico video/audio. Con un DSLAM se consigue un grupo de módems integrados en un soln equipo, los cuales son capaces de dar servicio a un determinado número de usuarios. La nube A TM se encuentra entre la red de acceso y el proveedor de acceso ADSL, y permite conmutar una gran variedad de sen-icio de banda ancha demandados por los clientes. La mayoría de equipos DSLAM poseen una interfase A TM para conectarse con los servidores proveedores de servicios. '--l. ATM ._ : ATIJ-C OFICINA .__ _ _, r.F.NT"RAT. Figura 2.8 Red de Acceso A TM ' . ATIJ-R 1V 2 .1.5 EST ANDARES Para proveer un significado acerca de la implementación de equipos en modo-duplex, el ITU ha definido G.994.1 (handshake) para la capacidad de intercambio entre el módem y la tarjeta del equipo terminal. El esquema es similar al de V.8bis e incluye un mecanismo de escape por caídas especificada por ANSI Tl.413, en caso que el handshake falle. La información intercambiada durante el handshake incluye identificación del fabricante e información no de estándares, la cual puede ser usada para funciones propietarias. Como con los sistemas de transmisión tradicional, ADSL usa un canal de operación compartido para manejar los ni·veles fisicos entre el intercambio local y el módem en las localidades del cliente. El canal provee acceso a varios registros de niveles bajos que pueden ser leídos desde cualquier sitio. El ITU-T ha definido un nuevo tipo de nivel fisico desarrollado para ADSL G.997.1. Este esquema consiste en el simple protocolo de supervisión de red (SNMP) sobre un nivel alto de enlace de datos (HDLq comunicando canales multiplexados en el flujo de bits con una supervisión de base de información (MIB) en cada lado. La administración de redes de acceso se explicará con detalles en el capítulo IV. El protocolo de transporte especificado para ADSL G.lite es: modo de transferencia asíncrono (ATM), el cual también es especificado para ADSL full-rate. A continuación, tabla 2.3, se presentan los estándares utilizados: Estándares Contenido ANSI, TL413- 1995/1998 Red e instalación de cliente, interfases ADSL. (Especificación original) ETSI, ETR- 328 Requerimientos y desempeño para ADSL (Este estándar especifica las redes Europeas y fuentes de ruido. Para tecnología de transmisión este apunta a Tl.413) ITIJ-T recomendación para ADSL G.992.1 (G.dmt) G.992.2 (G.lite) G.994.1 (G.hs) G.995.1 (G.ref) G.996.1 (G.test) G.997.1 (G.ploam) Transeptores ADSL Transeptores _i\DSL sin splitter Procedimientos handsake para transeptores DSL. Visión general de transeptores ADSL Procedimientos de prueba para transeptores DSL Supervisión de nivel fisico para (DSL). Tabla 2.3 Estándares utilizados 19 2 .1. 6. INTERFASES ADSL 2.1.6.1 Consideraciones del Cable. La calidad del cableado existente varía mucho, lo cual hace la transmisión de ADSL susceptible a fallas, el nueYo cableado es la excepción a la regla. Sin embargo, algunas de las configuraciones expuestas en la tabla 2.2 usan los cables ya existentes. Si se realiza una instalación con cable nuevo, este debería de ser categoría 5 como el especificado en EIA/TIA 570. El funcionamiento de señales ADSL y POTS juntas a través de un simple cable, ocasiona ruido de "cross'couples" generados por las señales de "ringin", discado y el establecimiento de la llamada conmutada dentro de los niveles bajos de las señales de ADSL recibidas. Este problema podría reducirse con el empleo de un filtro pasa altos en el ATU-R. 2.1.5.2 Interfases de Equipos en Local del Cliente Las interfases U-R, U-R2 y POTS-R utilizan un puerto RJ11. El cable y las especificaciones de pines se presentan en la Figura 2.9. P1r 1 ¡ ~--•:::-::-:::::=.l'-- ,- , ~-:-.:: .. :~·.:.:'.~:'::::{ ~ i ,..___-=.=-- --·---~ Pin Señal 3--Ring 4 -- Tip ¡::_-"- , __ .--- _::, · ), -------------~ '1~ ·•-v ____ _ ~-.;.-o Figura 2.9 Especificaciones de interfases C-R, U-R2 y POTS-R La interfase T-sm puede ser una interfase A TM o Ethernet. Ambas con conectores RJ45, se especifican en la Figura 2.1 O -. -Y /" :-- ;- - ~ - 1--:--- . - --:~-- ---;--- , . . . . .. . : .. ·: : .. · ~--~.::::_-_-_--~~ -mq Ethernet r·-··1 Pin Seño.1 Y-~ 1 --TXO+ ¡· ·¡ 2 -TXD- --. ¡ 3 --- -RXD+ - 6 --RXD- \.._ j G3ble ATM Pin Señal 7--TXD+ B--TXD- 1 --RXD+ 3--RXD- Figura 2.10 Especificaciones de interfases T-sm 20 La mayoóa de equipos además cuentan con una interfase para supervisión la cual se establece a través de un conector TJ45. Estas especificaciones se muestran en la figura 2.11. ~~~¡·\ P;n SeñBI ~'-( : =Gr~d l,....----.... 1 6 - TX ,··, '/ 'i ' bJ cable Figura 2.11 Especificaciones de interfases T-sm 2.1.5.3 Interfases de Equipos en Oficina Central Los equipos ADSL en la Oficina Central normalmente están integrados en un solo módulo, así se pueden encontrar DSLAM con Splitter, módems y nodo de acceso incluidos. Por lo tanto no está definida una interfase estándar para equipos con módems y splitter separados. La interfase entre el nodo de acceso y la red de transporte podría ser A TM o STM ó una conexión de línea dedicada. 2.1.7. FABRICANTES ADSL Existen en el mercado muchos fabricantes de elementos, tarjetas, módems, routers, splitters, filtros y DSLAMs que ofrecen una gran variedad de opciones y configuraciones, ofreciendo a los clientes una gran gama de productos. Entre las compañías más conocidas con soluciones ADSL están las siguientes: • CISCO • ANALOG DEVICES • TEXAS INSTRUMENT • INTEL • SIEMENS • MOTOROLA • ALCATEL • 3COM • NORTEL • ERICSSON 21 2.2 CABLE MODEM 2.2.1 INTRODUCCIÓN Cable Módem es una tecnología que permite acceso de altas velocidades al Internet y otros servicios vía red de cable de televisión (CA TV). Aun siendo similar en algunos aspectos al módem análogo tradicional, es significativamente mas poderoso y capaz de transportar datos aproximadamente 500 veces mas rápido. Una red CA TV es diseñada y utilizada para la distribución de televisión por cable. Con una actualización en el sistema, es posible permitir señales que fluyen en ambas direcciones utilizando altas frecuencias hacia el subscriptor y bajas frecuencias en la otra dirección. En un esquema de Cable Módem se habla de asimetría, los canales downstream tienen mucho mas ancho de band;:i. que los upstream, por lo cual se convierte en un acceso perfecto para el Internet y aplicaciones que demandan asimetría en sus transmisiones. Además un cliente puede continuar recibiendo el servicio de tele,isión mientras simultáneamente está recibiendo dato en el cable módem para ser distribuido a una PC. 2.2.2 CONCEPTOS BÁSICOS DE TRANSMISIÓN CABLE MODEM La estructura o topología de la existente red de cable de TV consiste en estructura de árbol y arquitectura de ramificaciones, como lo muestra la figura 2.12. En cada comunidad una Central (punto original de señal de TV) es instalada para recibir señales de satélite ó la tradicional señales de televisión y luego distribuirla a traYés de la red montada. Este servicio llega a las residencias de los clientes a través de un cable coaxial. Cada canal de TV, es transmitido en forma análoga sobre 6 l\1Hz del espectro disponible en el cable. Múltiples canales son enviados sobre el mismo cable utilizando FDM (Multiplexación ' por División de Frecuencia). Debido a que diferentes canales son enviados a diferentes frecuencias desplazadas (ej. 54-60 MHz, 60-66 MHz, etc.), esta forma de transmisión es referida a la banda ancha. 22 La velocidad de este acceso depende de los equipos utilizados para modular la información digital en los canales análogos del cable de TV. Tales equipos proporcionan anchos de banda entre 500 Kbps y hasta 1 O Mbps. Chenie ---~ CENTRAL T:m Figura 2.12 Topología cable coaxial arbol y ramificaciones Para alcanzar geográficamente cobertura de la comunidad, los cables que vienen de la Central son divididos ó ramificados en múltiples cables. Cuando el cable es fisicamente &vidido, una porción de potencia de la señal es dividida para repartirse en las ramas. El contenido de la señal, sin embargo, no es dividido: los mismos canales de TV llegan a cada cliente en la comunidad. La red, por lo tanto, sigue una arquitectura lógica de bus, como se muestra en la figura 2.12. Con esta arquitectura todos los canales llegan a cada cliente todo el tiempo, aunque el cliente tenga ó no tenga encendida la TV. Debido a la atenuación de la señal con la distancia, ya que viaja ·varias millas a través del cable hacia la casa del cliente, se utilizan amplificadores a lo largo del camino. El desarrollo de la tecnología de transmisión a través de fibra óptica ha conducido al perfeccionamiento de las redes de cable, para cambiar de la arquitectura de coaxial en árbol y ramas, hacia un aprovechamiento referido a la red HFC (b.i'brida fibra-coaxial). Estas redes HFC forman la base para servicios digitales de alta velocidad, incluyendo el Internet sobre cable. La transmisión sobre Fibra Óptica tiene dos principales ventajas: Un amplio rango de frecuencias pueden ser enviadas y las señales pueden ser transmitidas a grandes distancias sin la necesidad de amplificadores. La mayor des·venraja de la fibra es que los componentes ópticos que se requieren para em·iar y recibir datos son caros. Debido a que son aún muy caros de desarrollar para cada cliente, el funcionamiento de la red ha adoptado una intermediaria fibra (FTTN) para el aprovechamiento de la comunidad. 23 La Figura 2.13 muestra la arquitectura FTTN. Varias localidades a lo largo del existente cable son seleccionadas en sitios para nodos comunitarios. Uno ó mas cables de Fibra óptica son instalados de la Central hasta cada nodo de la comunidad. En la Central la señal es convertida de eléctrica a óptica formando una transmisión vía láser a través de la Fibra En el nodo de la comunidad la señal es recibida vía láser, luego convertida de óptica a forma eléctrica y transmitida al vecindario sobre el coa.xial. Re ceptor-T ransm.isor Laser Figura 2.13 Arquirectura F1TN Red interna de Cliente Este reemplazo incrementa el ancho de banda que la planta es capas de transportar. Esto también reduce el número toral de amplificadores necesarios entre la central y los clientes. El número total de amplificadores es una componente económica importante, porque cada amplificador deberá ser actualizado ó reemplazado para soportar el ancho de bando que la fibra puede transportar. El número de amplificadores en cascada es importante para la calidad del servicio. La migración hacia F1TN también crea una arquitectura "celular'' en la que un separado espectro de canales de cable puede ser desarrollado por cada vecindario. Verdaderamente, creando mas canales, esta arquitectura facilita la adición de transmisiones de se1Yicios personales, en el que diferentes servicios pueden ser ofrecidos a diferentes clientes simultáneamente. Muchos de estos servicios de punta, son basados en contenidos digitales, como videos comprimidos en demanda ó páginas de catálogos iterativos para compras. 2.2.3 CARACTERISTICAS DE CABLE MODEM 2.2.3.1 Velocidades alcazadas por Cable Módem Un simple canal downstream de televisión puede soportar hasta 27 Mbps para datos en downstream, utilizando tecnología de transmisión 64 QAl\L Se pueden conseguir Yelocidades de 36 Mbps utilizando 256 QAM. Los canales downstream pueden desarrollar de 500 Kbps hasta 10 Mbps desde el cliente, usando técnicas de modulación 16 QAM o QPSK, dependiendo de la cantidad de espectro disponible para el servicio. Ambos anchos de banda son compartidos por los clientes de datos conectados, que son típicamente de 500 a 2,000 casas en una moderna red HFC. Así por ejemplo si se cuenta con 200 usuarios de cable compartiendo una conexión de 27 Mbps, cada uno podría aproximadamente conseguir una Yelocidad de 135 Kbps. Cable Módem no ocupa una cantidad fija de ancho de banda durante su cesión, a diferencia de éste, se comparte la red con otros usuarios activos, los cuales hacen uso de los recursos solo cuando enYÍan o reciben datos en ráfagas muy rápidas. Por lo tanto, los usuarios activos pueden agarrar todo el ancho de banda disponible durante los milisegundos que se necesiten bajar datos desde la red hasta muchos Mbps. 2.2.3.2 Utilización del Ancho del Banda La mayoría de Cable Módems en Europa trabajan con especificaciones diferentes a las adoptadas en Estados Unidos. Estas se muestran en la tabla 2.4 que se muestra a continuación: ::~ ................... _ .... ............................................. -;·,•· ........ ~u-----··.···· .. ~~-· ... ,·-... ~-;::::% ....... .. . . ~ ~ : ___ F __ i= ______ \lell_ •. ~_-· ._ ... _ .... _ ... _ .... _ .. _ ... _ .... _. ·-~'. _42_-8 __ 5._~ __ 1'IBz ______ en_U_S_A_) ' ___ 6_5_-8=50_MHz _ __ en_ .... _.~ur __ _ opa _______ ! ~; ; __ A.:n~ho de Bwx!a _______ : _ 6 MHz en_ USA y 8 MHz en Europa ... .............. _____ .. ..... _ . .. . _ ~ : • Modulación i 64 QAM con 6 bits por símbolo lnormal) f :. · ¡ ~t¡~ oon ~-~ ~ _símbolo (mas rápido pero mas sensible a 1 Tabla 2.4 E.rpecijicaciones athpt.adas e11 USA y Europa Los datos en el canal upstream se transmiten en ráfagas, por eso muchos módems pueden transmitir sobre la misma frecuencia La modulación utilizada puede ser QPSK o 16 QAM. Cada módem transmite ráfagas en raow:as de tiempo, que deberán ser marcadas y reservadas. La velocidad de downstream depende de la modulación y del ancho de banda, canales de 8MHz proporciona velocidades de 41.4 Mbps con 64 QAM y 55.2 Mbps con 256 QAM. Para canales de 6 MHz se proveen 31.2 Mbps con 64 QAM y 41.6 Mbps con 256 QAM. 25 En la figura 2.14 se puede apreciar el espectro de frecuencia de las señales upstream y downstream en las transmisiones vía Cable Módem, bajo normas Europeas. s­ ~ ,a Upstream is:: 2MHz ~ 5 65 D ow nstr'e2lll 8MHz 850 MHz Figura 2.14 Uso del espectro para señales Cable Módem 2.2.3.3 Métodos de transporte de datos por Cable MODEM Para mejorar el balance en los requerimientos de transporte, un canal downstream es normalmente apareado con un numero de canales upstream. Cada Cable .i\fódem transmite ráfagas en ranuras de tiempo, que deberán ser marcadas como reservadas, disputadas u oscilación. Una ranura reservada es la reservada para un particular cable Módem para transmitir. Si dos deciden transmitir en la misma ranura, los paquetes colisionaran y los datos se perderán. El Sistema Terminal Cable Módem (CMTS), ubica las ranuras de tiempo de varios Cable Modems a través de un algoritmo de ubicación de ancho de banda (específico de cada fabricante). Las ranuras de tiempo marcadas como disputadas, son abiertas para todos los Cable .Módems para transmitir en ellas. Si hubiera colisión de paquetes, el CMTS señalará después que no fueron recibidos datos, para hacer que el Cable Módem trate de nuevo en otra ranura de tiempo. Este tipo de ranuras son muy utilizadas para transmisiones de datos muy cortas. Debido a la distancia fisica entre el CMTS y el Cable Módem, el retardo de tiempo ,aria mucho y puede ser del rango de milisegundos. Para compensar esto, todos los Cable Módems utilizan un protocolo de oscilación, que mueve efectivamente el "dock" de un Cable Modero individual, adelantando o retrocediendo para compensar el retraso. Para hacer esto, un número (normalmen~e 3) de ranuras de timpo consecutivas son configuradas aparte 26 2.2.4 ARQfilTECTURA DE CABLE MODEM 2.2.4.1 Elementos que componen el Cable Módem Como los módem de banda de voz, CM modula y demodula las señales de datos. Sin embargo incorpora mas funciones satisfactorias para el seiTicio de Internet a altas velocidades hoy en día. Hay diferentes tipos de Cable Modems, pero la arquitectura básica es como la que se muestra a continuación (ver figura 2.15). 1 ---------------------------------------------' Figura 2.15 Elementos de una Cable Modem • TUNER RF : Conecta directamente al CA TV, debe ser de la suficiente calidad para poder recibir la señal modulada digital QAM. Compañías como ALPS, Sharp, Temic y Panasonic son fuertes proveedores de este. • DEMODULADOR: En la dirección de llegada, la señal es introducida al demodulador, el cual consiste en un convertidor A/D, demodulador QAM-64/256, sincronizador de trama MEG, corrector de error Reed Solomon. El líder fabricante es Broadcom, con un simple integrado demoduldor. Otras compañías son Stanford T elecom • MODULADOR: En la dirección de transmisión la señal modulada a la salida de este módulo alimenta en Tuner, modula QPSK/QAM16 en la frecuencia seleccionada y convierte la señal de digital a análoga. La señal de salida tiene un nivel de salida variable, los niveles pueden ser ajustados para compensar las perdidas desconocidas del cable. • MAC : Consiste en un mecanismo de control de acceso a medios de comunicación (Media Access Control) entre los caminos del receptor y transmisor. Este puede ser implementado en hardware ó ser dividido en hardware u software. Broadcom, ibit (ahora Texas Insttuments); Connexant y otros son compañías que trabajan en este mercado. • INTERFASE : El dato que pas a través de MAC van por la interfase de la computadora Cable Modero, siendo esta Ethemet,, USB ó de bus PCI. 27 2.2.4.2 Arquitectura de red de Acceso para cable módem En la central, los datos de usuarios individuales son filtrados por demoduladores upstream, para ser procesado después por el CMTS. Un CMTS es un sistema de conmutación de datos especialmente diseñado para enrutar datos de muchos usuarios de cable modem sobre una interfase de red multiplexada. Al mismo tiempo, un CMTS recibe datos del Internet y provee la conmutación de datos necesaria para enrutar datos para el usuario del cable módem. El resultado es datos de usuario dentro de canales de 6 MHz, el cual es alojado en el espectro de un canal de cable de televisión para la distribución a todos los usuarios, ,·er Figura 2.16. Datos . i i i V ideo Aucio Programe. Local Internet & World Wide Web 1 Canal O Canal upst:eam Figura 2.16 Sistema Terminal de Cable Modem En la central principal se combinan los canales downstream con el video, audio y programa local, esta combinación es después transmitida a través de al red de cable. En el local del cliente, la televisión es recibida por una caja set-top, mientras los datos de usuario son separadamente recibidos por un cable módem y enviados a la PC. El número de canales de upstream y downstream en un CMTS dado, puede ser diseñado en base al área de setTicio, número de usuarios, velocidades ofrecidas para cada usuario y espectro disponible. Otro elemento importante en la operación de sistemas cable módems es un sistema de administración (EMS), que se encarga de todas las tareas de 8droioístración de los serv1C1os hacia los usuarios. La arquitectura de red de cable módem es similar a la de una LAN de oficina. Un CMT provee una red Ethernet extendida sobre una WAN con un alcance geográfico hasta de 100milla. La red de cable de datos puede ser totalmente administrada por una unidad de operación de cable local. Altemativameote todas las operaciones pueden ser agregadas en un centro de datos regional. 28 Dada la geografía ó región metropolitana, puede unas pocas centrales de cable de televisión conectadas juntas por enlaces de fibra óptica. Una red de cable módem, como se puede ver en la figura 2.17, puede llegar a ser una gran plataforma de comercialización, cuyo centro de operación es una Central Regional de Cable, típicamente sirviendo de 200,000 a 400,000 residencia; con alimentadores con Hubs de Distribución a través de un anillo de fibra metropolitano (cada uno sirviendo de 20,000 a 40,000 residencias). En los Hubs de Distribución las señales son moduladas en transporte análogo y después enviadas sobre líneas de fibra óptica a los nodos (sirviendo de 500 a 1,000 residencias). Del nodo, estas señales son transportadas vía cable coaxial al negocio o residencia de los clientes. :--- 9------------------------------------: TJa.mpamq:or Fibra Oplica , INTERNET 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ~-- 1 ·----------------------------------------------------' FJ,,,o-w:a 2.17 Distribución de HUBS ~ Cable, Coaxial ~ 1 1 1 1 1 1 1 • 1 1 1 El Hub es el punto de intercambio entre la fibra óptica regional y la planta de cable, el CMTS cubre datos de protocolo WAN, en señales digitales que son moduladas para la transmisión sobre HFc, y después demoduladas por el cable módem en el negocio o residencia. 2.2.4.3 Configuración Cable Modem. Externo. Consiste en una pequeña caja externa que conecta a la computadora normalmente a través de una conexión ethemet. Se necesita adicionar una tarjeta Etheroeth a la computadora antes de conectar el Cable Modem, sin embargo se pueden conectar varias PC's. También el CM trabaja con muchos sistemas operativos y plataformas de hardward, incluyendo .MAC, UNÍX, laptop 29 computer, etc. Otra interfase para Cable modero externo es USB, con la ventaja de fácil instalación y con el inconveniente que solo se puede conectar una PC. 2.2.4.4 Cable Modem Interno. Consta de una tarjeta electrónica que se adiciona a la PC. Podría ser la implementación mas barata pero tiene varios incovenientes. El primer problema es que este solo puede ser usado en Desktop PC 's. Para Mac 's y laptop 's es posible pero requieren de un diseño especial. El segundo inconveniente es que el cable conector no es galvánico, lo cual ocasiona ciertos problemas en algunas redes de CA TV, requiriendo actualizaciones mas caras de la red de instalación. Algunas redes en algunos países no son aptas para usar modem internos debido a restricciones técnicas. 2.2.4.5 Configuración Caja Iterativa Set/Top. L:.1 principal función de la caja iterati,Ta es proveer mas canales en el rr0 smo limitado numero de frecuencias. Esto es posible con el uso de televisión con codificación digital (DVB). Una caja iterativa set/top provee un canal de retomo, a menudo a través del ordinario POTS, permitiendo al usuario el acceso al Web-Browsing, Email, etc., directamente en la pantalla de la TV (Y er figura 2.18). Figura 2.18 Configuración Caja Iterativa Set/Top 2.2.4.6 lnstalación típica Cuando se instala un Cable Modem, son requeridos un Spliter y un nuevo cable. El Spliter divide la señal de la vieja instalación y del nuevo segmento que contiene el Cable Modem. La señal transmitida del Cable Modem puede ser fuerte, que podria dañar algunos televisores. El aislamiento que proporciona el Spliter podría no ser suficiente, entonces un extra-filtro pasa altos puede ser necesario en el conector que va hacía el TV. El filtro pasa 30 altos permite que solo la frecuencia del canal de TV pase. La otra razon de usar filtros es para bloquear el ingreso de bajas· frecuencias de las instalaciones del local, ver figura 2.19. P iTV ¡, Cable . ~ a~~-g PC 2.2.5 ESTANDARES Cable Modom Figura 2.19 Instalación típica de Cable Modem Para Cable Módem existen tres estándares principales. La primera generación de Cable Módems utiliza sistemas de protocolos propietarios, haciendo imposible para los operadores de red utilizar multiservicios en el mismo sistema. DA VIC/DVB, fue el primer estándar europeo, MCSN es un estándar estadounidense (DOCSIS) y IEEE con 802.14. Este último es referido al uso de A TM sobre redes de cables para facilitar múltiples servicios incluyendo telefonía, datos, y video. Actualmente estándares Cable Módems incorporan Ethernet sobre Cable Módem. 2.2.6 INTERFASES 2.2.6.1 Ethem.et En la mayoria de módems, la interfase data-point es 1 O Mbps Ethernet. Algunos argumenta que se necesitan 100 Mbps Ethernet para poder trabajar con la máximas velocidades 27-56 Mbps (downstream) del CM, pero eso no es cierto. Aun en una buena instalación un CM no puede trabajar un 1 O Mbps Ethernet, dado que el downstream es compartido por muchos usuanos. 2.2.6.2 USB (Universal serial Bus) Iotel, recientemente anunció que están trabajando con Broadcom en Cable l\fodem coninterfase USB. Este especula bajar los costos de instalación para algunos usuarios con menos habilidades en computadoras. vl Obviamente no se necesita abrir la caja para instalar una tarjeta Ethernet, si la computadora tiene una interfase USB. Si la computadora no tiene una interface USB, se necesitará instalar ésta. 2.52.6.3 MODELOS DISPONIBLES EN EL MERCADO Básicamente Cable Modem está disponible para personas comunes, así como los modem análogos e ISDN. Dos modelos diferentes existen para la compra/venta actual. En ambos casos el operador CA TV vende la subscripción del acceso a Cable Modem, y toma el papel como Proveedor de Servicio de Internet (ISP). Modelo 1. El primer modelo consiste en que el vendedor normalmente provee tanto el CMTS como el Cable Modem para el sistema integrado. El subscriptor arrenda (ó compra) el cable mode al operador CATV, como mucho el modelo normalmente usado como caja set/up. Modelo 2. El segundo modelo es el ideal desde muchos puntos de vista, pero no puede ser implementado antes de que estándares de Cable Modems sean firmado, suficiente par garantizar Cable Momen de varios fabricantes trabajar juntos en el mismo sistema. La diferencia aquí es que el subscriptor compra el Cable modero en una tienda de computadoras como si comprara otro modero. El CA TV solo provee el servicio de Cable Modero. Cable Modem de ,·enta en tiendas de distribuidores es ahora una realidad, en algunos lugares. 2. 2. 7. Fabricantes Cable Módems Las compañías vendedoras mas importantes, certificadas por DOCSIS modems, ofrecen a los clientes productos certificados, a continuación se encuentra un listado: • TOSHIVA • SAMSUNG • 3COM • SONYCORP • GENERAL NSTRUMENT • ARRIS INTERACTIVE • CISCO SYSTEM • ASKEY COMPUTER CORP • PHILIPS ELECTRONICS Otras compañías son cono sidas por tener un certificado conforme los estándares DVD /DA VI C, a continuación se listan las mas importantes: • COM21 • DOCOM • ZENITH • DELTAKABEL • LANCITY/BAY NETWORK • CADANT 32 2.3 WIRELESS 2.3.l INTRODUCCIÓN Tecnologías Wireless son utilizadas hoy en día, para interconectar computadoras o LANs y para el acceso al Internet, utilizando señales de radio frecuencia (RF). Estas tecnologías tienen muchas ventajas sobre los sistemas alámbricos como lo son: rápido desarrollo, altas velocidades de datos y la habilidad de dar servicio a clientes independientemente de la infraestructura de red de acceso disponible. Los módems Wireless de banda ancha desarrollan su función utilizando anchos de banda del orden de los MHz, lo cual permite transportar datos a muy altas velocidades. Es importante notar que, a diferencia de celular, PCS (SerYicio de Comunicación Personal) o GSM (Sistema Global par Comunicación Mobil), las redes Wireless de banda ancha son consideradas como servicios de aplicaciones de acceso fijo. La movilidad no se toma en cuenta en esta tecnología. En el presente capitulo se describen las diferentes tecnologías Wireless utilizadas en redes de acceso asimétrico que proveen una combinación de servicios incluyendo voz, datos, multimedia iterativa, video conferencias, acceso al Internet, video bajo demanda, educación a distancia y telemedicina. La tecnología Wireless que ofrece altas velocidades de acceso al Internet, es conocida como LDMS (Sistema de Distribución Local Multipunto). 2.3.2 CONCEPTOS BÁSICOS DE ACCESO WIRELESS 2.3.2.1 Elementos básicos que componen una red Wireless En los sistemas con tecnologías Wireless de banda ancha, la distribución de señales a clientes remotos requiere de tres elementos esenciales: una estación base, un equipo en las instalaciones del cliente (CPE), y un sistema de admmistración de :red (NMS), ver figura 2.19. La estación base es la localidad centta.l que colecta todo el tráfico para y de los clientes dentro de una celda determinada.. La estación base incluye tanto los equipos interiores como los exteriores. El equipo interior provee una interfase hacia las líneas fijas ó hacia el backbone wireless. vv El equipo exterior consiste en un transmisor y un receptor, y es generalmente es localizado en una torre ó en muchos techos de edificaiones. Este entrega y colecta el tráfico para y desde los subscriptores dentro de una celda o sector. PSTN NMS Eriadm.:S- ~ ¡ _____ y _______ ~,-~ 1 , , 1 1 1 ) : J 1 J 1 : Switch : : Multiarvic:io : 1 ---------- -------' Trammis or y 12ceptcr con anteminu,g:a.da ,---------------------------- -, : Tra%1!ceptorcon ' : anienainieg:rada • M-g : Urudad ¿e rwi : ~R~ . , ---------- ------- -------- ----- Eqq,o en1a lnsialadanea del emite Figura 2.19 Elementos principales de red de acceso Wireless El equipo en las instalaciones del cliente refleja la funcionabilidad de la estación base con alguna capacidad. En las instalaciones del cliente el transmisor, receptor y una antena son idealmente alojados en un unidad compacta que es altamente direccionable. El Sistema de administración de Red gobierna tanto los componentes de red como los servicios que están siendo proveídos. El NMS provee una funcinabilidad "end to end" a través de los elementos alámbricos e inalámbricos de la red, incluyendo al backbone y al lugar del cliente. 2.3.2.2 Metodos de Acceso Los diseños Wireless son construidos alrededor de 3 métodos de acceso primario: IDMA, FDMA y CDMA. La mayoóa de operadores de sistemas y actividades estándares apuntan a IDMA y FDMA como apropiadas. En la dirección de downstream, la mayoria de compañías, proporcionan TDM (time división multiplexed) tanto para un usuario especific~ (punto a punto) como para varios sitios de usuarios (diseño de sistemas punto a mulcipunto). La figura 220a ilustra un esquema de FDMA con el cual múltiples clientes comparten la conexión de downstream . Frecuencias separadas son usadas por cada local del cliente hacia la estación base. 34 ESTACION BASE ~] ~ a.) TDM b) Figura 2.20 Acceso a) FD:t\l-\ y b) TDivlA La Figura 2.206 ilustra un esquema TDMA, con el cual múltiples clientes comparten tanto los canales downstream como los upstream. Estos dos métodos de acceso proveerán la mayoría de enlaces de acceso para sistemas LMDS, escoger entre ellos es directamente dependiente del sistema operador, de la estrategia de servicio y del objetivo de mercadeo. Para clientes que requieren de un simple puerto 10 base T para el acceso al Internet, requieren de un muy bajo requerimiento de upstream y un alto requerimiento de downstream. En este caso, acceso TDMA ofrece grandes ventajas, permitiendo múltiples ,:'elocidad de datos bajas compartiendo un simple canal. En adición, la estación base termina en un solo módem, permitiendo que múltiples clientes lo compartan en la estación base. Existen otros aspectos importantes que son tomados en cuenta para la elección del método de acceso, ver tabla 2.6. ---------- --------------------------------- ¡: ASPECTO TDMA FDMA ~ Eficiencia asimétrico para tráfico en Control del medio de acceso inalámbrico (MAC) TD.\L ",. permite respuestas en ráfagas y no demanda espacios a menos que fuera necesario . 65-90% de rango de eficiencia .\ll\C o mas alta dependiendo de las características de la demanda de el • usuario y del diseño del MAC. ~ FDM.I\ está s~re enlazado, ~· indiferentemente que el susuacio envíe o no ~~­ datos. ~ La eficiencia es est:imacb al 100"-'o, sin MAC. ~- " ---,-------- ---,---.,.------,=-----=··-··•···•··········-······· ··· ·· .............. _ ................................... .............. . Ambos, los sistemas FDM.A. : TDMA permite .'u:nbos sistemas multiplexan diversos flujos 1 ~ E Eficiencia del canal Porcentaje FEC Márima velocidad de datos usuarios de alta prioridad a ser en-ruidos primero. a través de la misrru, tuberia inalámbrica. li ~ ••-•-•••••n••••--- Eficiencia estimada en un 88%. Eficiencia es del 100%. 75 a 85 % TDJ\L ",. permite cifagas para urui má:rima velocidad del canal, basa.da en algoritmos de limpieza para MAC inalámbi:icas y multiplexores del cliente . . ~¡'. 91 ~lo ····· ··--·-·····-············--····--··· ~; .. FDMA provee urui consumte tuberia, c¿;;;-· i cifagas basadas en algoritmos de limpieza en [ el multiplexor del cliente. ~ 1tte:::t:w-er~~~""ft'W,_.,,,,,...,.=_.,•"""====="""'""""'°""""""""'= ,:;m....,.,..;,nrnimr~ Tabla 2.6 Aspectos importantes de sistemas TDl'vl.A y FDMA .. Múltiple Acceso por división de códigos "CDMA", es una nueva técnica mm- utilizada en las comunicaciones móviles, la cual no es dividida en frecuencia ni tampoco en slot de tiempos y todos los usuarios son capaces de transmitir sobre la misma banda de frecuencia. Son utilizados canales de trafico separados, a todos los usuarios se les asigna un código único. Cuando el usuario desea transmitir una trama de bits, se reemplaza por un código o uno de los códigos de complemento (por ceros). 2 .3 .3 CARACTERISTIC.AS 2.3.3.1 Velocidades alcanzadas a través de MMDS Servicio de Distribución Multicanal Multipunto "MMDS", utiliza en la mayoóa de países, un rango de frecuencias entre 2 y 3 GHz. Con una eficiencia espectral de compresión de video digital, pocos canales RF por sistemas MMDS pueden ser dedicados para proveer anchos de banda mayores que 10 Mbps, altas velocidades para usuarios de servicio de intemet y proveer adicionales ganancias para los operadores de red. Un simple canal RF de 6 MHz puede desarrollar una velocidad de datos de 30 Mbps o 27 Mbps, detrás de FEC. MMDS due originalmente intentado para proveer torres simples de covertura sobre áreas de 30-35 millas de radio en modelos de TV broadcast en cambio LMDS solo cubre 2 milas. 2.3.3.2 Metodos de Transporte Wireless La capacidad del sistema L1IDS puede ser desarrollada en términos de ,·elocidad de datos y máximo número de clientes en servicio. Para los cálculos de velocidad de datos, la capacidad de sistemas LMDS es igual al número de celdas instaladas en un sistema multiplicado por la capacidad de cada celda. La capacidad de celda es igual al número de sectores en la celda. Para cada modulación empleada existe una eficiencia espectral, ver la tabla 2. 7 . . -----------~---------- 1 : l M~~~ción ¡ Efi~e1:1~.-~.8P~~-· ! ....----------......-----------, ' i 4-QAM ! 1.5 b/s/Hz • ;: =I 1=6=-=Q=_AM-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-! 3.5 b/s/H~ 1 · 1.~.:::: Qt.i::-rv~ ... ....... . .......... ......... ... .. : 5'.~ ~.!s.!~..... ..... . .. ........ ~ ~ !111!',k_O"Jij@_,..,..'!!! .....,.,,,_.....,...,R'lli!riilílllni!!l~..-.ii-1 .................. , .................... if;Hli .............. Jii!Ml!llitlli!illlQ'timM tijlillliti~ Tabla 2. 7 Eficiencia Espectral de diferentes modulaciones La eficiencia espectral es dada en bits por segundos por Hz y es una característica de merito para diferentes esquemas de modulación. Por ejemplo, usando esta eficiencia espectral, y asumiendo 1,000 MHz de uso del espectro con una reutilización de frecuencia de 2, el sistema LMDS provee 500 MHz de espectro usado por sector. Asumiendo 1,000 MHz de espectro disponible y frecuencia de reuso de 2, el sistema LMDS proporciona 500 MHz de utilización del espectro por sector. Asumiendo transmisión simétrica, hay 250 MHz in cada dirección por sector. La capacidad por sector es mostrada a continuación: Ejemplo 1: Si cada instalación de cliente usa enlace de 5 Mhz FDMA con modulación QAM-4, esto provee 5 x 1.5 = 7.5 Mbps por cada sirio del cliente. 36 Hay (250/5) =50 de estos enlaces, proporcionando un total de 375 Mbps para upstream. El enlace de downstream también usa modulación 4-QAM, proporcionando 375 .Mbps. Ejemplo 2: Si en cada sitio del cliente se utiliza enlaces de 5 MHz FDMA con modulación 64-QAM, proporciona en total 1250 Mbps. En los calculos previos fue los 5MHz FDi\fA. Utilizando esta asunción para calcular el número total de usuarios, hay 250 MHz/5 MHz= 50 sitios de clientes por sector y el número de sectores dicta el número total de sitios de clientes por cada celda .. El sitio del cliente puede ser una gran empresa con muchas oficinas, todas conectadas a la estación base a través del mismo canal de 5 Mhz. Para sistemas TDMA se reduce la capacidad de velocidad comparada con los sistemas FDMA en el rango del 80%. También, los sistemas TDi\fA no usan modulación 64-QAM. Sin embargo modulación 64-QAM es usada solo en enlaces cortos como resultado de el incremento de niveles de señal requeridos para su operación. Los sistemas TDMA son la mejor alternativa cuando muchos usuarios de velocidades bajas serán servidos. Por Ejemplo: cada canal de 5 MHz TDMA puede proporcionar aproximadamente 80 DS-0 conexiones simultáneamente. El número total de usuarios en TDMA por sector seria: 80 DS-0 por canal x (250/5) = 4,000. Si ,·alores típicos de concentración sobre el sector entero y celdas son asumidos estar en el rango 5:1, este sistema TDMA permite un total de 20,000 DS-0 conexiones por sector. Sin embargo 20,000 conexiones por sector son demasiado con respecto al área de cobertura de estos sistemas LMDS ya que si 1 O sectores fueran utilizados esto implicaría que 200,000 líneas DS-0 podóan ser soportadas. La típica distancia de cobertura de los sistemas Li\1DS están en un rango entre 3Km y 5Km por servicio del 99. 99% en regiones de lluvia, así que 200,000 líneas es demasiado. Basado en estos números es importante mirar el efecto de combinación de métodos de accesos TD1fA y FDMA para dar toda la velocidad y requerimientos de los clientes . .2.3.3.3 Características de tecnología LDMS. El LMDS (Local Multipoint Distribution System) es un sistema de comurucac1on de punto a multipunto que utiliza ondas radioeléctricas a altas frecuencias, en torno a 28 ó 40 GHz, en las que existen bandas de frecuencia de unos 2 GHz con atenuación mloiroa (conocidas como "ventanas espectrales") ante los agentes atmosféricos. 37 El abonado al sistema recibe la señal mediante una de tres vías (ver figura 2.21): desde el emisor principal de la célula, si existe visibilidad directa entre éste y el receptor; desde un repetidor, en zonas de sombra; mediante un rayo reflejado en alguna superficie plana (paredes de edificios, reflectores / repetidores pasivos, etc.). Figura 2.21 Diferentes vías de para el transporte de la señal El territorio a cubrir se divide en células de varios kilómetros de radio (3-9 Km en la banda de 28 GHz, 1-3 Km en la banda de 40 GHz). Las principales claves técnicas del sistema son tres: el teorema de Shannon de equivalencia entre ancho de banda y potenc~ la recepción de rayos muy estrechos y con polarización estable, y la reutilización de frecuencias. Por el teorema de Shannon de equivalencia exponencial entre potencia y ancho de banda, si se duplica el ancho de banda utilizado, sólo es necesario emitir la raíz cuadrada de la potencia para lograr la misma relación señal a ruido en recepción. En LMDS, como el ancho de banda espectral es un recurso menos escaso (se dispone de 1 , 2 o 3 GHz), se utilizan sistemas de modulación en banda ancha para transmitir la señal (por ejemplo, modulación Frvf). Esto permite utilizar potencias mucho más bajas que en sistemas como la 1V herciana convencional o el MMDS, que dispone de "sólo" 200 .MHz de ancho de banda), que emplean modulación AM. En la Tabla 2.8 se resume las principales características de LMDS . ................ -:-r. ..... ·· ......................... • ....... zz~-~-"1~.:-t .... .: ...... -.~-~ • .;; .... , ............ • ..... .: .. :.~· ................................. • .. j Caracteristicu ! ,~~----c-=--:-:--------¡ Red de_ tr.an5porte __ . . .... . L ~sa<:k> ~ .:'\T.M ó !f.'. _ ···- ···· -------,,--------: Frecuencias ¡ 28_ - . 43 GHz _T_e_m-añ_o_ti __ p.,....ico_de_ce-,-,ld-as ___ '. 2-4 Km ' Velocidades típicas , downstream: 15-40 Mbps y upstream : I - 8 J\.fups ---------- : Sectorización de celdas , Tipicameme 4 sectores/base, 2 reuso de frecuencia Tabla 2.8 Características principales del LMDS 38 2.3.3.4 Modulación y optimización del espectro en LMDS En bajas frecuencias, el espectro es un recurso particularmente escaso que se ha ido saturando a medida que han surgido nuevos servicios de telecomunicación, por lo que se debía recurrir a emisiones de alta potencia para compensar la limitación de ancho de banda. En LMDS se utiliza la táctica siguiente: como el ancho de banda espectral es un recurso menos escaso (se dispone de 1 , 2 o 3 GHz), se utilizan sistemas de modulación en banda ancha para transmitir la señal (por ejemplo, modulación FM). Esto permite utilizar potencias mucho más bajas que en sistemas como la TV herciana convencional o el MMDS, que dispone de "sólo" 200 MHz de ancho de banda) y que emplean modulación AM. Para enlaces FDMA, anchos de bandas son definidos en la instalación del cliente, el cual es constante en el tiempo o varía poco en el tiempo. Los canales en TDMA es del 88% en cambio en FDMA es del 100%. Los métodos de modulación para enlaces TDiv1A típicamente no incluyen 64 QAM, métodos para FDMA son listados en la Tabla 2.9, son considerados en una escala para la cantidad de ancho de banda que requiere una conexión de 2Mbps CBR (Velocidad de datos constante) . .. ~~'::c;~: ':';··'····''•'''·:c.. -~~:~~:~-=~~;:: .... __ •·,,.~o·:,·,"-~r·~ ·~~~-~~;--·r ( .... _________ ._ .. _ .. _._ .. _. _._ .. _. _____ ....... ! ..... MbpsdeCBR_.. ~ ........ BPSK - Desplazamiento de fase binario · ._ ........ l ·-·-· 2.8. 1'&fz ~ ----------------DQ P S K _ ... .. QPSK diferencial .. 1.4MHz QPSK .. Desplazamiento.de fase cuaternario 1.4MHz 8 PSK Desplazamiento de fase octal 0.8MHz 4-QAM . •. Modulación de amp~tud en cuadratura, 4 estados 1 1.4MHz ; :M:odula_ción de 8.IIlp!ittJd en cuadratura, 16 estade>s .. . .... [ . 0.6MHz . J 6~Afyf 64-QAM -------- 0.4MHz Tabla 2.9 :'.\íétodos de modulación de acceso FDMA 2.3.3.5. Diseño de las celdas. Cuando se hace una plao.ificación de las celdas para redes LMDS, es muy importante tomar en cuenta los siguientes puntos: • Penetración de clientes - El porcentaje de clientes que tienen suficiente nivel de señal para alcanzar excelente calidad de servicio • Calidad de Servicio(QoS) - QoS puede ser afectada por vanos factores, incluyendo obstrucciones en los caminos de transmisión, traslape de celdas adyacentes (15% es normal), y sistema de redundancia. 39 • Presupuesto de enlace - Es usado para estimar la máxima distancia a la gue el cliente puede estar localizado de la celda mientras aún alcanza una servicio aceptable. El presupuesto de todo el sistema gana y pierde a través de varios tipos de eguipos. • Selección del tamaño de la celda - El máximo tamaño de la celda para el área de servicio es relativo al nivel de fiabilidad deseada. El tamaño puede variar en un área de cobertura dado el tipo de antena, su altura y las perdidas de señal. La selección afecta el costo de inversión total para un área de cobertura reguerida • Modelo de Costo de Inversión - El modelo de costo de inversión es usado para estimar los reguerimientos de inversión de la red. El modelo reguerido abarca consideraciones de diseño como presupuesto del enlace, tamaño de la celda, traslape de celdas, número de celdas, capacidad de tráfico, número de sectores, costo de inversión por celda, y total del costo de im·ersión. Las siguientes técnicas son utilizadas para la optimización de la frecuencia de rehúso para redes LMDS: • Maximización de la direccionabilidad de las antenas de celdas sectorizando el sistema de distribución; en el lugar de la celda eguipos microondas son generalmente configurados con múltiples sectores, antenas, transmisores y receprores. Una configuración típica es una celda con cuatro sectores, usando antenas de 90 grados de ancho de emisión. Figura 2.20 Reuso polarización H y V • Maximización del aislamiento entre sectores adyacentes por medio de la polarización; Horizontal (H) y Vertical (V) puede ser desarrollada a través de sistemas en un modelo alternado entre sectores, como se muestra en la figura 2.20. 40 2.3.4 ARQUITECTURA DE RED LMDS Varias arquitecturas de red son posibles en diseño de sistemas LI\illS. La mayoría de operadores del sistema utilizan diseño de acceso wireless punto- multipunto así como punto a punto, especulando que los servicios de LMDS serán una combinación de voz, datos y video. Por consiguiente, ambos métodos de transporte A TI\1 e IP son prácticos, vistos desde un gran sistema de infraestructura de telecomunicaciones de una nación. La arquitectura de red LMDS está compuesta de cuatro partes principales: Centro Operador de Red (NOC), Infraestructura con fibra de base, Estación base, y Equipo en el local del cliente. 2.3.4.1 Equipo en la Central Telefónica El NOC, como se puede apreciar en la Figura 2.21, contiene el eqU1po del sistema administrador de red (NMS), que administra todo el sistema. Es posible interconectar multiples NOCs . La infraestructura basada en fibra consiste en una red óptica síncrona (SONE1) de enlaces de transp-,rte óptico (OC)-12, OC-48; equipo de oficina central (CO); sistema, de conmutación ATM e IP; e interconexión con el Intemete y la PSTN. Intamet Telefuma.IP Admiris badcr de :ied Sistema. de soporte de opeiación Canw.rlidor de sabida T:ransc;!p1or Ccaemnlc.cal y semdcxret de aplicaciótn ···-~···.~-,: Figura 2.21 Conexiones de equipo en la CO La estación base es donde ocurre la conversión de infraestructura de fibra hacia infraestructura de wireless. El equipo de la estación base incluye la interfase de red para la terminal de fibra, funciones de modulación y demodulación, y equipo de transmisión y recepción de microondas, típicamente localizado en el techo de un edificio ó en un lugar alto. El Sistema T ermmal Cable Modem (CMTS) wiereless gue convierte los daros de protocolos W AN en una señal digital que es 41 modulada para una transmisión sobre Wireless. Estas señales son después convertidas en frecuencias de microondas por medio de un transceptor y en broadcast por medio de una antena a la instalación residencial u oficinas de negocios. SerYidores de aplicación son típicamente ubicados en la estación base así como administradores de red y sistemas de soporte de operación. Así para el transporte donde se ofrece telefonía sobre IP, las llamadas de voz serían direccionadas por el router al gateway de telefonía IP, y después en la PSTN. 2.3.4.2 Equipo en el Local del Cliente Como se puede observar en la Figura 2.22a una antena y un transceptor en casa reciben la señal de datos de entrada y transmiten ésta sobre la línea de cable coaxial al modem de banda ancha. El módem conecta a una tarjeta Ethernet en la PC con un cable de categoría 5 y un conector RJ45 ó una interfase serie universal (USB). Configuración para empresas : Como se puede obse1Tar en la Figura 2.22b en una configuración de negocio, una antena y el transceptor reciben la señal de datos entrante y transmiten esta sobre líneas de cable coaxial hacia el modem de banda ancha, a través de un Hub Ethernet hace interfase con la LAN, ó por medio de un switch ó router proporcionando acceso a múltiples usuarios. Mo:iemde Banda.An::ha a) IOMbps Ettenet Hub, swit::.h ó Rcnter larlOOMbps Ettermt PC PC Wmksta:tio:n War:krla:tio:n PC Wmksta:tio:n Antera Wmless b) Figura 2.22. Configuraciones Típicas L.MDS: a) configuración residencial, b) configuración empresarial 42 2.3.5 ESTANDARES PARA LMDS A medida sistemas de acceso LMDS evolucionan, aparecerán estándares cada vez mas importantes. Actualmente la IEEE 802.16 Working Group se encuentra trabajando en los estandares de acceso para Wireless de Banda Ancha, así como el Instituto de Estandares de Telecomunicaciones Europeas (ETSI) y la Unión de Telecomunicaciones Internacional (ITU). La mayoría de estos métodos usan celdas A TM como mecanismo de transporte primario. 2. 3. 6 INTERFASES WIRELESS Debido a que se no se cuenta con interfases estandarizadas para estas tecnologías, los fabricantes de equipos generalmente utilizan interfases de las cuales son propietarios. La mayoría de los equipos en la Base central cuentan con una interfase ATM para conectarse al backbone de transporte y poder proveer múltiples servicios. En el sitio del cliente normalmente se utiliza interfases 1 O baseT Ethernet para conectar los equipos terminales. 2.3.7. FABRICANTES WIRELESS Las compañías vendedoras mas importantes, que fabrican y comercializan los equipos para transmisión LMDS, se listan a continuación: • NEWBRIDGE • NORTEL • ERICSSON 43 2.4 VSAT 2.4.1 INTRODVJCCION Las redes VSAT (Yery Small Aperture Terminals), son redes privadas de comunicación de datos vía satélite para intercambio de información punto-punto, punto-multipunto (broadcasting) ó en forma interactiva. Debido a la gran variedad de configuraciones que puede adoptar una red VSA T, estas se pueden adaptar a las necesidades propias de cada compañía. Los enlaces asimétricos VSATs se adaptan muy bien a los requerimientos de transferencia de datos entre una estación central, que transmite mucha información, a estaciones lejanas que responden con poca información (si es que responden). Las redes VSAT tienen gran facilidad de reconfiguración y de ampliación en la configuración original. El uso de un 1:atélite hace posible que se pueda establecer contacto con cualquier punto dentro de su área de cobertura, con lo que los receptores pueden cambiar de ubicación sin más cambio que la reorientación de su antena. Del mismo modo, la introducción de un nuevo terminal no afecta al funcionamiento de los demás. 2.4.2 CONCEPTOS BÁSICOS DE TRANASMISIÓN VSAT Un satélite de comunicación funciona como una estación de repetidor sin hilos, que proporciona un puente de comunicaciones de microondas entre dos sitios geográficamente alejados. Cada satélite se equipa de varios "transceptores", que consisten en transmisores / receptores y una antena. Para VSAT se hace referencia al termino Inbound (transferencia de información desde un VSAT al HUB) y Outbound (transferencia de información desde el HUB a un VSA 1). 2.4.2.l Conexiones con Satélites Las conexiones basadas en satélites pueden funcionar en diversas bandas de frecuencias portadoras separadas para inbound y outbound. La tendencia actual está hacia las frecuencias dentro de la banda Ku (Inbound: 11 GHz, outbound: 20GHz) y la banda Ka (mbound: 20GHz, outbound: 30GHz). 44 Los satélites se pueden colocarse en órbitas con diversas alturas y dimensión de una variable (circular o elíptica). De acuerdo con el radio orbital, todos los satélites caen en una de las tres categorías siguientes: 1. LEO: Orbita Baja de la tierra, 2. MEO: Orbita Mediana de la Tierra y 3. GEO: Orbita Geoestacionaria de la Tierra. Estas componentes se explicarán a detalle mas adelante. Como se puede apreciar en la figura 2.23, en la red \7SAT se distinguen tres componentes principales: Estación Maestra (HUB), Estación VSAT y Un satélite en órbita. lillB Figwa 2.23 Elementos de una red VSAT En el transporte de las señales, la eliminación de los errores a ni,·el fisico es imposible totalmente, y deberá ser el nivel de enlace de datos el encargado de asegurar una transmisión libre de errores, por medio de los protocolos adecuados. El BER (Bit Error Rate), depende de: Tipo de modulación, Tipo de codificación, Relación portadora a ruido Los métodos básicos de acceso que actualmente se utiliza VSA T, son los siguientes: FDMA: Acceso múltiple por di,·isión en el frecuencia. Se divide la banda de paso en subandas o canales gue se asignan dinámicamente. TDMA: Acceso múltiple por di-visión en el tiempo. El tiempo se divide en slots que gastan la totalidad del ancho de banda Un inconveniente es gue requiere sincronismo entre todos los terminales conectados a la red. CDMA: Acceso múltiple por di,isión de código. Se emplea la ténica del espectro ensanchado mediante la utilización de uo código. Uoo de los problemas principales de este sistema es el desperdicio de ancho de banda pero a cambio protege contra interferencias. Una comunicación entre varias VSATs, podría establecerse utilizando N portadoras en el enlace de subida, procedentes cada una de ellas de una es ración VSA T, ·ver figura 2.24. Estas portadoras 45 son retransmitidas por el satélite hacia la estación HUB, en donde se modula TDM a una única portadora, que se manda de nuevo al satélite, el cual la reemite a los distintos VSA T en recepción. N portadora, en el enlace de subida VSA.Ts S...ililiE en oibita -~ d.t:~ HUB VSATs Figura 2.24 Ejemplo de N portadoras en enlaces VSAT 2.4.2.2 Fuentes de Ruido La portadora se podría ver contaminada por diversas fuentes de ruido: Ruido Térmico, Ruido de Interferencias y Ruido de Intermodulación. El ruido total a tener en cuenta en el enlace será debido a la suma de la contribución de cada una de las fuentes de ruido por separado. Ruido térmico. Tenemos dentro de este grupo diversas fuentes de ruido de gran importancia: La tierra para las antenas del satélite, el cielo para las antenas de las estaciones terrenas, así como los propios componentes de los receptores. Los dos primeros vienen caracterizados, a la hora de hacer los cálculos por las Temperaturas de Ruido de las antenas. Ruido de interferencias. El ruido debido a las interferencias tiene su origen en comunicaciones ajenas a las de la red que usan las mismas bandas de frecuencias. En el enlace de subida son fuentes de ruido las estaciones terrenas pertenecientes a otros sistemas geoestacionarios y las transmisiones terrestres por microondas. En el enlace de bajada son fuentes de_ruido los satélites adyacentes al propio y también las transmisiones terrestres por microondas. Ha de destacarse que este tipo de interferencias pueden ser producidas por antenas pertenecientes a redes ajena