Teoria CATV

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

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Redes de acceso HFC Motivacin original y evolucin El origen de las actuales redes HFC (Hbrido Fibra Coaxial) fueron las redes de CATV (Community Antenna TV), que se desarrollaron a partir de la dcada de los 60 en EEUU. Se utilizaban para la transmisin de seales de televisin analgica (TV), usando como soporte el cable coaxial con suficiente ancho de banda para poder distribuir varios canales analgicos

simultneamente. Su topologa es en rbol, en donde a partir de un nodo cabecera se recopilan todos los canales de los enlaces terrestres o produccin propia, para ser transmitidos por la red. La Red de Distribucin se encarga del transporte de la seal desde la cabecera hasta los puntos de distribucin conectados a los diferentes abonados. Ver figura 1

Figura 1. Estructura Bsica de las Redes CATV

Aunque originalmente este tipo de redes de cable se desarrollaron para distribucin de seales analgicas de TV, en la actualidad son sistemas avanzados de transmisin de seales de voz, datos e imgenes con un gran ancho de banda, soportados fundamentalmente por cables de fibra ptica y en menor medida cables coaxiales.


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Figura 2. Red de servicios integrada

La evolucin de la tecnologa ha permitido que el mbito de las redes CATV se extienda a reas metropolitanas cada vez ms extensas e interconectadas. Estructura y elementos de red En la actualidad se utiliza una topologa de red basada en: 1) Cabecera (Head-End) Es el rgano central desde donde se gobierna todo el sistema. Suele disponer de una serie de antenas que reciben los canales de TV y radio de diferentes sistemas de distribucin (satlite, microondas, etc.), as como de enlaces con otras cabeceras o estudios de televisin y con redes de otro tipo que aporten informacin susceptible de ser distribuida a los abonados a travs del sistema de cable. Las redes de CATV originalmente fueron diseadas para la distribucin unidireccional de seales de TV, por lo que la cabecera era


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simplemente un centro que recoga las seales de TV y las adaptaba a su transmisin por el medio cable. Actualmente, las cabeceras han aumentado considerablemente en complejidad para satisfacer las nuevas demandas de servicios interactivos y de datos a alta velocidad. La cabecera tambin se encarga de monitorizar la red y supervisar el funcionamiento. El monitorizado se esta convirtiendo en un requerimiento bsico de las redes de cable, a causa de la complejidad de las nuevas arquitecturas y a la sofisticacin de los nuevos servicios que transportan, que exigen de la red una fiabilidad muy alta. Otras de las funciones que se realizan en la cabecera se relacionan con la tarifacin y control de los servicios prestado a los abonados 2) Red troncal Es la encargada de repartir la seal compuesta generada por la cabecera a todas las zonas de distribucin que abarca la red de cable. El primer paso en la evolucin de las redes clsicas todo-coaxial de CATV hacia las redes de telecomunicaciones por cable HFC consisti en sustituir las largas cascadas de amplificadores y el cable coaxial de la red troncal por enlaces punto a punto de fibra ptica. La red troncal suele presentar una estructura en forma de anillos redundantes de fibra ptica que une a un conjunto de nodos primarios. Esta estructura emplea frecuentemente tecnologa PDH o SDH (Jerarqua Digital Plesicrona y Jerarqua Digital Sncrona) que permite construir redes basadas en ATM (Modo de Transferencia Asncrono). Los nodos primarios alimentan a otros nodos (secundarios) mediante enlaces punto a punto o mediante anillos. En estos nodos secundarios es donde las seales descendentes (de la cabecera a usuario) pasan de ptico a elctrico para continuar su camino hacia el hogar del abonado a travs de la red de distribucin de coaxial. En los sistemas bidireccionales, los nodos pticos tambin se encargan de recibir las


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seales del canal de retorno o ascendentes (del abonado a la cabecera) para convertirlas en seales pticas y transmitirlas a la cabecera. 3) Red de distribucin Est compuesta por una estructura tipo bus de coaxial que lleva las seales descendentes hasta la ltima derivacin antes del hogar del abonado y tiene por misin multiplexar la informacin ya sea proveniente de distintos proveedores de servicios o distintos usuarios, y adaptar el sistema de transporte a las caractersticas especficas de bucle de abonado. En el caso de la red HFC generalmente el sistema de distribucin enlaza los grandes nodos de conmutacin con los nodos de distribucin que son los responsables de recolectar o distribuir la informacin de los usuarios. Los nodos de distribucin se sitan fsicamente en las manzanas de las grandes ciudades ofreciendo aproximadamente servicios a un millar de usuarios. El medio fsico de transporte que une los nodos de conmutacin con los de distribucin contina siendo la fibra ptica. 4) La acometida (DROPS) El bucle de abonado interconecta los dispositivos del abonado o cliente con la cabecera. Desde el punto de vista topolgico existen diversas posibilidades de interconexin de los usuarios con la cabecera de red, topologas en estrella, bus, rbol, etc. La ms usual es la de rbol y ramas ya que mantiene la antigua topologa de la red de TV por cable. La interconexin cabecera-cliente se puede realizar con diversos medios fsicos, que atendiendo a la sealizacin de lnea o modulacin empleada, permiten la sincronizacin y reparto del ancho de banda.

En la actualidad las redes han pasado del cable coaxial a redes hbridas de fibra ptica y cable coaxial HFC. Ver figura 3.


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Figura 3. Estructura general de una red HFC

Cada canal de TV analgica ocupa 8 MHz (6 MHz en el estndar americano). Los sistemas de cable suelen distribuir entre 20 y 100 canales. Estas elevadas exigencias han obligado a los operadores a construir redes de gran capacidad que utilizan un espectro entre 50 MHz y 860 MHz para el canal descendente. Equipando la red con amplificadores de retorno se puede utilizar el espectro entre 5 y 45 Mhz para transportar las seales que los usuarios envan hacia la cabecera, canal ascendente o de retorno, conformando as una red bidireccional. Ver figura 4.


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Figura 4. Acceso Bidireccional a la red HFC

Mediante el reparto dinmico de toda esta capacidad entre los usuarios que en cada instante lo soliciten, se obtiene un sistema flexible que hace un aprovechamiento intensivo de los recursos. Adems, la redes HFC son altamente escalables, puesto que a medida que aumenta la demanda de servicios bidireccionales e interactivos es posible sustituir paulatinamente los tramos de cable coaxial por fibra ptica, consiguiendo con ello redes de cable con Fibra Directa que tienen una altsima capacidad.

Desde la cabecera se parte con varias ramas de fibra ptica en estrella. Cada una de ellas termina en un nodo ptico, donde la seal ptica se convierte en elctrica y comienza a hacerse la distribucin por coaxial. Ver figura 5. Se estima que puede haber un nodo ptico por cada grupo de entre 500 y 2.000 viviendas, para asegurar un nivel de ruido y distorsin aceptables. Si sacamos del nodo ptico varias ramas de coaxial, podremos tener un buen canal de retorno con no ms de 200 abonados por rama, ni ms de dos amplificadores en cascada.


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Figura 5. Estructura de distribucin de una red HFC

En el sentido descendente la misma seal se propaga por todas las ramas de coaxial. En el canal ascendente o de retorno puede haber dos opciones: 1) Los canales de retorno provenientes de cada rama de coaxial se superponen al llegar al nodo ptico, resultando un solo canal que llega hasta la cabecera. En este caso se estarn compartiendo los 40 MHz del retorno (5-45Mhz) entre todos los usuarios (800 en la figura 6) y el ruido proveniente de todos ellos tambin se estar sumando en esta nica va. 2) Los canales de retorno (4 en la figura) son multiplexados en frecuencia en el nodo ptico, lo que significa que cada uno de los canales se situar en una frecuencia distinta para que puedan viajar todos por la misma fibra de retorno hasta la cabecera. De esta forma los 40 MHz del retorno son compartidos solamente entre los 200 usuarios de la rama de coaxial. Ver figura 6.


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Figura 6. Acceso de los usuarios a la red HFC

La divisin entre el espectro ascendente (5-45Mhz) y descendente (50850Mhz) se suele situar en 50 MHz (este valor vara segn los fabricantes) por un splitter (separador). En la prctica la zona entre 5 y 15 Mhz es muy ruidosa y por tanto no suele usarse para el retorno.

Figura 7. Divisin del espectro de frecuencias


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DOCSIS La especificacin DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) es un conjunto de estndares aprobado por CableLabs1 que garantiza la interoperabilidad de la tecnologa empleada en la transmisin de datos a alta velocidad en una red de cable. El proceso de desarrollo comenz a mediados de la dcada de los 90; en marzo de 1997 se public la primera versin, dos aos despus se certific el primer equipo que cumpla con la especificacin modificada (versin 1.1) y en diciembre de 2001 se public la versin 2.0 que an se encuentra vigente. Desde entonces, DOCSIS se convirti en el estndar sobre el cual se desarrolla la mayora de las innovaciones tecnolgicas de la industria de cable.

DOCSIS 1.0 fue la primera versin del estndar de interoperabilidad que bsicamente establece las caractersticas del equipo de cabecera y de suscriptor, as como el protocolo de la transmisin de datos. Sus componentes, adems de la red de cable acondicionada segn recomendaciones de la misma especificacin, son el Sistema de Terminacin de Cablemdems (CMTS, por sus siglas en ingls), el cablemodem (CM, por sus siglas en ingls) y servidores 'back office'. Como se muestra en la Figura 8, el CMTS es el componente de cabecera que administra los cablemdems de la red y el cablemodem es el equipo de suscriptor que modula la seal digital proveniente de la computadora sobre una portadora analgica para transmitirla a travs de la red de cable; los servidores de 'back office' son aquellos requeridos para establecer la comunicacin y definir los servicios que cada cablemodem ofrecer al suscriptor.


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Figura 8. Arquitectura DOCSIS

Son tres los servidores 'back office' indispensables: 1. Servidor DHCP (Protocolo de Configuracin Dinmica de Anfitrin) asigna de manera dinmica las direcciones IP entre los cablemdems. 2. Servidor TFTP (Protocolo Trivial de Transferencia de Archivos) habilita la transferencia del archivo de configuracin al cablemodem y la descarga de actualizaciones de software. 3. Servidor TOD (Hora del Da) establece marcas de tiempo para elaborar historiales y eventos en la red.

El acondicionamiento de la red de cable tambin se define en las especificaciones de las interfaces de radiofrecuencia para que, tanto el fabricante del equipo como el operador de cable, las consideren en la implantacin del sistema y se garantice con ello el ptimo funcionamiento de la red.

Entre

los

parmetros

definidos

en

las

especificaciones

de

radiofrecuencia, se encuentra el rango de frecuencias empleado por cada enlace de transmisin [Figura 9]: el rango comprendido entre 5 - 42 MHz para el retorno y 54 - 860 MHz para el canal descendente.


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Figura 9. Banda de frecuencias para DOCSIS

Otros parmetros detallados en la especificacin de cada versin, son el ancho de banda del canal de radiofrecuencia (6 MHz), el tiempo de transmisin entre la cabecera y el equipo de suscriptor ms lejano (=0.8 mseg), la relacin portadora a ruido (no menor a 35 dB), la relacin portadora a batido de tercer orden (no menor a 41 dB), la relacin portadora a batido de segundo orden (no menor a 41 dB) y el nivel de ingresos (no menor a 41 dB), entre otros.

La primera versin de DOCSIS ofreca muy baja calidad de servicio en la transmisin de datos, un identificador2 y una clase de servicio para ambos enlaces, pero ello no era suficiente para manejar trfico en tiempo real en determinados servicios de voz y video, como la telefona. De hecho, DOCSIS 1.0 se conoce como una tecnologa del "mejor esfuerzo" en vista de que no garantiza calidad de servicio en la transmisin. Por esta razn fue necesario modificar la primera versin para generar una revisin del estndar. Para DOCSIS 1.1 se realizaron ajustes en la calidad de servicio (QoS, por sus siglas en ingls), en la clasificacin de paquetes tanto en el canal ascendente (upstream) como en el descendente (downstream), en los flujos de servicio, en el establecimiento dinmico y calendarizacin del servicio, adems


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de agregarle una Interfaz de Privacidad Bsica (BPI+, por sus siglas en ingls) para dar seguridad al sistema, entre otras nuevas funcionalidades.

Como se muestra en la Figura 10, un flujo de servicio es la unidad fundamental en DOCSIS 1.1 para aprovisionar servicios con determinada calidad; es decir, los diferentes tipos de trfico como voz, datos y video, pueden identificarse por separado (identificador de servicio) en el mismo cablemodem con el propsito de dar trato especial en cuanto a calidad a cada tipo de trfico.

Figura 10. Flujos de servicio en DOCSIS 1.x

En DOCSIS 1.0, un cablemodem estaba asociado a un Identificador de Servicio y este identificador poda estar asociado con un solo nivel de calidad de servicio para ambos canales, tanto el descendente como el retorno. DOCSIS 1.1 introduce el concepto de flujo de servicio y sus respectivos identificadores para representar flujos de datos sobre determinado canal, con el propsito de asignarle parmetros de calidad de servicio.


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En cuanto a la clasificacin de paquetes, en esta revisin del estndar se agregan funcionalidades de concatenacin para que el cablemodem pueda enviar mltiples paquetes en una sola oportunidad de transmisin y la fragmentacin para enviar una trama en mltiples oportunidades de transmisin. Con estas dos nuevas opciones se hizo ms eficiente la transmisin de paquetes en la red de cable.

DOCSIS 1.0 contaba con un esquema sencillo para encriptar el trfico, denominado Privacidad Bsica (BPI, por sus siglas en ingls). Este esquema ofreca una seguridad muy limitada. Fue por eso que hubo necesidad de mejorarlo en la versin 1.1 con el nombre de BPI+, con el cual se agregaron certificados digitales para evitar que el usuario final falsificara la identidad del cablemodem y pudiera robar o interrumpir el servicio. Uno de los certificados digitales se instala fsicamente en el modem en el momento de su fabricacin.

Las versiones 1.0 y 1.1 en conjunto se conocen como DOCSIS 1.x y soportan dos esquemas de modulacin para cada enlace, as como diferentes anchos de banda de canal y tasas de transmisin, como se detalla en la Tabla 1:


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Ancho Rango Enlace (MHz) de de del (MHz) Descendente 256-QAM 64-QAM 88-860 88-860 6 6 0.2 0.4 16-QAM 5-42 0.8 1.6 Ascendente (retorno) 3.2 0.2 0.4 QPSK 5-42 0.8 1.6 3.2 42.88 30.34 0.64 1.28 2.56 5.12 10.24 0.32 0.64 1.28 2.56 5.12 ~38 ~27 ~0.6 ~1.2 ~2.3 ~4.6 ~9 ~0.3 ~0.6 ~1.2 ~2.3 ~4.6 Tasa total Tasa nominal de (Mbps) banda de canal (Mbps)

Modulacin frecuencias

transmisin transmisin

Tabla 1. Esquemas de modulacin y tasas de transmisin de DOCSIS 1.x

Se considera tasa nominal de transmisin a la tasa efectiva de datos de informacin que se pueden transferir, sin considerar los que se agregan ('overhead') para realizar el proceso de deteccin y correccin de errores que garantiza una transmisin libre de errores hasta el destino. Mientras que la tasa total se refiere a la capacidad potencial de transmisin bajo ese formato de


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modulacin, si no hubiera que destinar parte de ese total a incluir informacin relativa a la deteccin y correccin de errores.

Como se aprecia en la tabla anterior, la mxima tasa de transmisin del enlace descendente es de 42.88 Mbps y del ascendente, de 10.24 Mbps. El retorno maneja cinco anchos de canales de radiofrecuencia (RF) diferentes para disponer de diferentes tasas de transmisin.

La mayora de los sistemas que han considerado la transmisin de datos de alta velocidad a travs de su red de cable, ya han desarrollado una arquitectura hbrida de fibra ptica/coaxial (HFC, por sus siglas en ingls).

Si bien DOCSIS 1.0 y 1.1 no son mutuamente excluyentes, la compatibilidad entre estas dos versiones depende del cuidado que se dedique a su implantacin para deshabilitar ciertas funciones, restringir el

aprovechamiento a determinados parmetros y modificar el archivo de configuracin del cablemodem para lograr un desempeo exitoso.


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La compatibilidad entre estas dos versiones se resume en la Tabla 2: CMTS Cablemdems Funcionamiento Versin 1.0 Totalmente compatibles Versiones compatibles. Versin 1.0 Versin 1.1y

El

CMTS

1.0

puede 1.1

administrar el

cablemdems

aunque

funcionamiento de stos ltimos est limitado a las caractersticas de la primera versin de la especificacin. Versiones incompatibles.y

Un CMTS 1.1 no puede administrar cablemdems que operan bajo una

Versin Versin 1.0 1.1y

especificacin anterior. El cablemodem 1.0 no cuenta con funcionalidades versin 1.1. contempladas en la

Versin 1.1

Totalmente compatibles.

Tabla 2. Compatibilidad entre DOCSIS 1.0 y 1.1

El formato y contenido del archivo de configuracin de un cablemodem DOCSIS 1.1 es diferente al de un cablemodem 1.0, por lo mismo, es importante no mezclar atributos en cablemdems 1.0 y 1.1.


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DOCSIS

1.x DOCSIS

1.0

suministr

a

la

industria

de

cable

interoperabilidad basada en normas, lo cual significa que los cable-mdems certificados, de vendedores mltiples, operen con CMTSs (sistemas de terminacin, o terminales, de cable-mdems) calificados y de mltiples vendedores. DOCSIS 1.1 aadi cierto nmero de caractersticas, incluyendo calidad de servicio (QoS), planificacin o programacin ms robusta, clasificacin de paquetes y otras mejoras que facilitan los servicios de voz. Fue mejorada la robustez de la transmisin torrente-arriba, con la introduccin de la llamada ecualizacin adaptable tap-de-ocho en mdems DOCSIS 1.1 DOCSIS 1.0 y 1.1, colectivamente conocidos como DOCSIS 1.x, soportan dos formatos de modulacin torrente-abajo: 64-QAM (modulacin de amplitud en cuadratura) y 256-QAM. Estos dos formatos de modulacin suministran tasas de datos en bruto de 30.34 y 42.88 Mbps, respectivamente, en un canal torrente-abajo de 6 MHz de ancho. DOCSIS 1.x acomoda varias tasas de datos torrente-arriba que, en rango, van desde un bajo de 320 kbps a un rango alto de 10.24 Mbps. Tambin soporta dos formatos de modulacin torrente-arriba llaveo por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK) y 16-QAM- as como cinco anchos de banda de canal RF torrente-arriba.


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DOCSIS 2.0 Aprovechando todas las capacidades de DOCSIS 1.1, a principios de 2002 se public la segunda versin de esta especificacin: DOCSIS 2.0, y con l la industria pudo ofrecer mayores tasas de transmisin de datos en el canal ascendente. Ahora, a travs de canales de 6.4 MHz, se lograron las tasas de transmisin que se muestran en la Tabla 3: Rango Enlace Modulacin frecuencias (MHz) 32-QAM 64-QAM Ascendente 16-QAM (retorno) 32-QAM 64-QAM 128-QAM 5-42 5-42 5-42 5-42 5-42 5-42 de Ancho banda canal (MHz) 3.2 3.2 6.4 6.4 6.4 6.4 de del Tasa total de transmisin (Mbps) 12.80 15.36 20.48 25.60 30.72 35.84

Tabla 3. Esquemas de modulacin y tasas de transmisin de DOCSIS 2.0

Esta segunda versin de DOCSIS agrega el uso de 32-QAM, 64-QAM y128-QAM junto con una tcnica de correccin de errores en el retorno llamada "Modulacin por codificacin Trellis (TCM, por sus siglas en ingls)"; mientras que para el enlace descendente, la tasa de transmisin no vari, contina con 64 y 256 QAM.

Entre sus ventajas ms notables, se encuentra un significativo incremento en la capacidad del retorno (de 10 Mbps a 30 Mbps) debido al uso de esquemas de modulacin de orden superior, mayor inmunidad al ruido, compatibilidad con versiones anteriores de DOCSIS y una mejor correccin de


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errores, entre otros. La adopcin de este estndar tambin implica que la planta externa de la red de cable deber cumplir con ciertos requisitos para minimizar el ruido, evitar problemas de interferencia e incorporar monitoreo en la red para su eficaz mantenimiento.

Como se muestra en la Figura 11, los cablemdems DOCSIS 2.0 son compatibles con los CMTS de versiones anteriores.

Figura 11. Compatibilidad entre DOCSIS 1.x y 2.0

En cambio, las primeras versiones de cablemdems difcilmente podran operar de manera eficiente en los estndares modificados, porque carecen de funcionalidades que se agregaron conforme se hacan las nuevas revisiones.


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A manera de resumen, las caractersticas de las primeras tres versiones de DOCSIS se definen en la Tabla 4 siguiente: DOCSIS 1.0 1.1 2.0 Servicio Caracterstica

Acceso a Internet de alta velocidad Especificacin base Telefona Servicios simtricos Calidad de servicio Mayor capacidad de transmisin

Tabla 4. Caractersticas generales de cada versin DOCSIS

La evolucin de la especificacin DOCSIS

Con el propsito de conocer a detalle la evolucin de la especificacin DOCSIS, la Tabla 5 detalla las variaciones que ha sufrido cada versin y hacia dnde se dirige este estndar para la integracin de servicios convergentes en las redes de cable.


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Versin SERVICIOS

DOCSIS 1.0 DOCSIS 1.1 DOCSIS 2.0 DOCSIS 3.0

Internet de banda ancha x Paquetes de servicios VoIP Videoconferencia Servicios Comerciales Video de entretenimiento

x x x

x x x x x

x x x x x x

DISPOSITIVOS PARA EL SUSCRIPTOR Cablemodem Telfono VoIP (MTA) Gateway residencial Videotelfono Dispositivos mviles Caja receptora IP ANCHO DE BANDA DEL CANAL DESCENDENTE Mbps/canal Gbps/nodo 40 5 [1] 40 5 [1] 40 5 [1] Mnimo 160 [2] 5 [1] x x x x x x x x x x x x x x

ANCHO DE BANDA DEL CANAL ASCENDENTE Mbps/canal Gbps/nodo 10 80 [3] 10 80 [3] 30 170 [4] Mnimo 60 [5] 170 [4]

Tabla 5. Trayectoria de DOCSIS Notas: [1] Se asume espectro disponible de 750 MHz (125 canales) en la red [2] Unin de cuatro canales de 6 MHz con 256 QAM [3] Se asume espectro disponible de 25 MHz en el enlace ascendente [4] Se asume espectro disponible de 35 MHz en el enlace ascendente [5] Unin de cuatro canales de 3.2 MHz


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LA ESPECIFICACIN PACKETCABLE

En septiembre de 1997, CableLabs comenz a trabajar en un proyecto denominado PacketCable en respuesta a las inquietudes que suscitaba la implantacin de la telefona en las redes de cable. Entre los propsitos establecidos estaba desarrollar una tecnologa de menor costo, ms flexible y eficiente, y que con el tiempo pudiera ofrecer servicios multimedia adicionales a la telefona convencional para lograr la preferencia de los suscriptores. Fue hasta 2002 cuando se comenz a probar equipo que cumpla con esta especificacin y en 2003 comenzaron las instalaciones de prueba en distintas redes de cable para determinar el desempeo de la tecnologa. El avance de PacketCable dependa de dos aspectos: el desarrollo de la tecnologa basada en el Protocolo de Internet (IP, Internet Protocol) y de la especificacin DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) para la transmisin de datos en las redes de cable. En cuanto se prob el xito de DOCSIS y muchas redes se volvieron bidireccionales, las redes de cable comenzaron a planear las aplicaciones de voz a travs de PacketCable.

El proyecto PacketCable define las especificaciones de las interfaces que se utilizan en el diseo y fabricacin de equipo compatible para ofrecer voz sobre IP, video y otros servicios multimedia que requieren altas tasas de transmisin. Utiliza el protocolo DOCSIS 1.1 como mecanismo de transporte debido a su capacidad para soportar servicios en tiempo real, y adems, define diversos elementos como los codecs para voz, la sealizacin, el

aprovisionamiento, la administracin, la facturacin, la seguridad y la interconexin con la Red Telefnica Pblica Conmutada (RTPC) para conformar soluciones integrales de voz sobre IP en las redes de cable. La arquitectura PacketCable se dise para que fuera robusta, completa, que facilitara la comunicacin punto a punto y pudiera soportar el


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servicio a millones de suscriptores en mltiples redes de cable; todo ello con buena calidad, confiabilidad y funcionalidades equivalentes a la telefona tradicional.

La voz sobre IP fue el primer servicio pensado para la arquitectura PacketCable porque el objetivo primordial de los operadores de cable consista en fortalecer la relacin con sus suscriptores de televisin; posteriormente se plantearon otros servicios como los juegos interactivos, la videoconferencia y la mensajera unificada.

Algunas caractersticas que distinguen a la telefona IP a travs de PacketCable en comparacin con un servicio tradicional de VoIP, son las siguientes:y

La telefona PacketCable es un servicio punto a punto, entre telfonos convencionales y no entre computadoras personales o telfonos digitales. Los servicios PacketCable tienen prioridad sobre los de DOCSIS para asegurar su calidad y alta disponibilidad en las redes de cable. PacketCable no transporta la voz sobre Internet sino a travs de una red IP administrada a travs de la cual se realiza la transmisin de los paquetes mediante el protocolo DOCSIS.

y

y

LA ARQUITECTURA PACKETCABLE Como se muestra en la Figura 12, la arquitectura PacketCable est compuesta por tres redes integradas que, en conjunto, administran la llamada telefnica desde el origen hasta el destino final. Estas tres redes son: 1. La Red de Acceso es la red de cable, algunas veces HFC, que utiliza

DOCSIS como mecanismo de transporte para dar soporte al servicio multimedia en tiempo real y establece la conexin entre el suscriptor y el operador de


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cable. Para realizar el acceso, se emplea un dispositivo en el sitio del suscriptor y otro en la cabecera de la red de cable, ste ltimo administra todas las conexiones y establece la comunicacin entre la red de acceso y la red IP administrada. 2. La Red IP Administrada es una red IP de banda ancha mediante la

cual se interconectan los servidores especificados por PacketCable en la cabecera de la red de cable. Se le denomina red administrada porque se emplea para interconectar diversas redes IP, redes DOCSIS o dispositivos que se comunican con la RTPC. 3. La Red Telefnica Pblica Conmutada (RTPC) como su nombre lo

indica, es la red que permite la comunicacin con usuarios externos a la red de cable a travs de la red IP administrada y opera como mecanismo de transporte del trfico multimedia.

Figura 12. Modelo de redes que integran la arquitectura PacketCable La arquitectura PacketCable completa involucra un gran nmero de elementos con interfaces bien definidas que permiten establecer las comunicaciones multimedia punto a punto entre usuarios de la red de cable y externos a ella.


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La Figura 13 muestra el modelo de referencia de PacketCable y los elementos que la integran. Se distinguen nuevamente la red de acceso, la red IP administrada para interconectar todos los servidores y elementos que define la especificacin y la RTPC, el lmite de la red de cable.

Figura 13. Modelo de referencia de la red PacketCable En la Red de Acceso se distinguen tres dispositivos: el cablemodem, el Adaptador Terminal Multimedia (MTA, Multimedia Terminal Adapter) y el Sistema de Terminacin de Cablemdems (CMTS, CableModem Termination System). El aparato telefnico convencional se conecta al MTA que convierte la seal de voz analgica en paquetes IP, y viceversa. Es un cliente PacketCable con una direccin IP independiente, que adems acta como interfaz de sealizacin para controlar otros elementos de la red. El cablemodem, que tambin requiere una direccin IP independiente, puede integrarse en el MTA para disponer de un solo dispositivo que se conoce como eMTA (embedded MTA) o MTA integrado. Estos elementos se ubican en el sitio del suscriptor. En la cabecera de la red de cable, el CMTS se encarga de administrar los recursos


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de la red de acceso para los servicios PacketCable. Reserva los recursos necesarios cuando se le solicita un servicio, monitorea la comunicacin y finalmente termina el servicio cuando se hubo completado.

En la Red IP Administrada se integran mltiples elementos que de manera coordinada se encargan de establecer, entregar y liberar los servicios solicitados. Cada elemento realiza una funcin determinante en el ptimo funcionamiento de la red PacketCable.

Se distinguen cuatro mdulos importantes: 1. El Servidor de Administracin de Llamadas (CMS) 2. El Servidores de Anuncios 3. Las Puertas de Enlace de Medios 4. Los servidores de Back-office y de aplicaciones El primero de ellos, el Servidor de Administracin de Llamadas (CMS, Call Management Server), realiza el control de las llamadas telefnicas y de otros servicios relacionados con la sealizacin para el MTA, el CMTS y las puertas de enlace con la RTPC, a travs de la red PacketCable.

Est compuesto por los siguientes elementos: Agente de Llamadas (CA, Call Agent) Controlador de Compuerta (GC, Gate Controller)

I.

II.


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Figura 14. Diagrama a bloques del Servidor de Administracin de Llamadas en PacketCable

El Agente de Llamadas administra la llamada y controla el MTA, mientras que el Controlador de Compuerta controla la calidad de servicio y establece comunicacin con el CMTS para que se le asignen los recursos necesarios al servicio.

Este servidor tambin realiza funcionalidades tpicas de la telefona digital tradicional como el buzn de voz y el identificador de llamadas, recibe el nmero telefnico marcado para direccionar la llamada, determina el perfil de cada cliente para otorgar ciertas funcionalidades de servicio y contiene el codec empleado para el procesamiento de la seal de voz analgica.

Existe una amplia gama de codecs disponibles para soluciones de voz, pero entre los ms destacados se encuentran los siguientes:


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CODEC

CARACTERSTICAS Primer codec utilizado en la telefona digital que usa un esquema de codificacin llamado PCM (Pulse Code Modulation) de 8 bits y una tasa de muestreo de 8,000

TASA TRANSMISIN

DE

64 kbps (sin compresin)

G.711

muestras por segundo para una seal de voz cuyo ancho de banda mximo sea de 4,000 Hz. Representa la mejor calidad de voz para la telefona tradicional y

84 kbps (con encabezados TCP/IP)

aplicaciones de VoIP. Codec estndar de la ITU de buena calidad, con capacidad para suprimir eco y G.728 su uso se destina a audio de baja fidelidad. No soporta mensajes de fax, seales de modem o la interpretacin de tonos DTMF como G.711. Codec estndar de la ITU Su calidad es suficiente para conversaciones y audio de G.729E mediana calidad, pero al igual que G.728 no soporta funcionalidades de G.711. Requiere licencia de Sipro Lab Telecom o VoiceAge Tabla 6. Codecs Utilizados en Packetcable 11.8 kbps 16 kbps


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El Servidor de Anuncios contiene los mensajes que se le presentan al suscriptor para informarle sobre el estado de la red o del servicio solicitado. Anuncios como: el nmero que marc se encuentra ocupado o el nmero que marc est fuera de servicio, son hechos por este elemento de la red PacketCable. Lgicamente contiene dos elementos internos: I. Controller) Reproductor de Medios (MP, Media Player). Controlador de Reproductor de Medios (MPC, Media Player

II.

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

El Controlador solicita al Reproductor que ejecute determinado anuncio de acuerdo con lo que el CMS le indique sobre el estado actual de la red o de la peticin hecha. El MP reproduce el anuncio correcto al MTA o a la Puerta de Enlace de Medios.

La Puerta de Enlace de Medios que comunica la red PacketCable con la RTPC, consiste en tres elementos lgicos:


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I.

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

Gateway Controller) II. Puerta de Enlace de Medios (MG, Media Gateway) Puerta de Enlace de Sealizacin (SG, Signaling Gateway)

III.

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

El MGC recibe y acta como mediador de la informacin de sealizacin de llamadas entre la red PacketCable y la RTPC; controla a los otros dos elementos y se encarga del progreso de las llamadas que atraviesan esta frontera. En ocasiones se encuentra lgicamente integrado en el CMS. La MG establece la comunicacin entre la red PacketCable y la RTPC, con base en las indicaciones que le hace el MGC para establecer y controlar conexiones entre clientes o puntos extremos. Su funcin principal es la conversin de la voz sobre IP a una seal apropiada para la RTPC; tambin detecta eventos en la RTPC, realiza la cancelacin de eco, administra el trfico


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de voz para colocarlo en las troncales telefnicas respectivas y genera reportes al MGC sobre el estatus de sus funciones. Finalmente, la SG se encuentra en la red PacketCable y se encarga de administrar la sealizacin con la RTPC. Es justamente el elemento en el que se realiza la conversin de la sealizacin entre estas dos redes, y de ella depende en gran parte el ptimo funcionamiento del servicio telefnico en la red de cable.

Los servidores de Back-office, tambin conocidos como Sistema de Soporte Operativo (OSS, Operational Support Systems),consisten en un amplio conjunto de elementos de soporte que realizan funciones como el

aprovisionamiento de clientes, generan registros de eventos para la facturacin del servicio, seguridad, desempeo de la red, histrico de eventos en la red, configuracin, etc. En general, estos servidores se encargan de dar soporte a todos los procesos involucrados en el ptimo desempeo de la administracin del negocio. Los servidores Back-office determinados en la arquitectura PacketCable, son los siguientes:y

Servidores de Aprovisionamientoo o o

Servidor DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) Servidor DNS (Domain Name Server) Servidores TFTP (Trivial File Transfer Protocol)

y y

Servidor Syslog Servidor de Almacenamiento de Registros (RKS, Record Keeping Server)


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Figura 17. Servidores de Back-office y de aplicaciones en PacketCable El servidor DHCP se utiliza durante el aprovisionamiento de los MTA y cablemdems para asignarles direcciones IP de manera automtica; de lo contrario, sera necesario asignar manualmente una direccin IP a cada dispositivo que se diera de alta en la red o que cambiara de ubicacin fsica. El servidor DHCP permite la administracin, supervisin y distribucin centralizada de las direcciones IP en la red. El servidor DNS es una base de datos distribuida y jerrquica que almacena informacin sobre nombres de dominio en Internet. La asignacin de nombres a direcciones IP, es su funcin ms conocida, aunque tambin puede asociar distintos tipos de informacin a cada nombre. El servidor TFTP es indispensable para transferir los archivos de configuracin y actualizacin a los dispositivos de acceso por parte del CMTS. Sin esta funcionalidad, no sera posible habilitar, cancelar o actualizar informacin til en el MTA y el cablemodem. El servidor Syslog se utiliza para registrar eventos en la red IP y posibles fallas en el MTA, sobre todo relacionados con temas de seguridad del


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sistema; cada registro incluye la fecha y hora del evento para generar los respectivos reportes. Finalmente, el Servidor de Almacenamiento de Registros (RKS) recibe mensajes de eventos del CMS, CMTS y MGC, los ordena en registros coherentes que posteriormente hace disponibles a otros servidores de facturacin, de deteccin de fraudes y otros sistemas, para su respectivo uso.

Seguridad en la red PacketCable El tema de la seguridad en la red PacketCable es ciertamente complejo. Como se muestra en la Figura siguiente, la red de cable es un medio compartido en la cual los suscriptores deben contar con la seguridad de que sus transmisiones de voz y datos no puedan ser interceptadas, y los operadores deben prepararse para responder a robos de servicio, ataques de negacin de servicio, hackers y clonacin de dispositivos, entre otros.

El robo del servicio no tiene efecto alguno en la operacin de la red, nicamente consiste en recibir el servicio y no pagarlo. Sin embargo, el exceso de llamadas telefnicas consume ancho de banda de la red, sobre todo en el enlace ascendente, que pudiera ocasionar su baja disponibilidad en determinados momentos. En cuanto a la negacin de servicio, este ataque se hace en contra de un usuario especfico o de un grupo de usuarios y las formas de realizarlo son tan variadas, que la nica forma de controlarlo es hacer revisiones peridicas al sistema para analizar su comportamiento y desempeo.

A pesar de que la seguridad est presente en cada componente e interfaz de la arquitectura PacketCable, la clonacin de cablemdems para presentarse en la red como un usuario con determinados privilegios, fue una prctica comn


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que se contrarrest con la encriptacin del trfico entre el cablemodem y el CMTS, as como mediante la autenticacin de certificados digitales en el cablemodem para controlar la disponibilidad de servicios al suscriptor. Todo esto se logr con la introduccin de BPI+ (Basic Privacy Plus) en DOCSIS 1.1 para ofrecer privacidad de datos en la red de cable y proteccin contra el robo de servicios mediante la encriptacin de paquetes de datos.

Figura 18. Elementos de seguridad en la red PacketCable

El uso de firewalls cobr especial importancia en la administracin de servicios de datos para filtrar trfico no deseado en las redes de cable. Generalmente se utilizan para evitar que usuarios externos no autorizados accedan a redes privadas conectadas a Internet; todos los mensajes que entran y salen a la red privada debern atravesar el firewall para su respectivo anlisis.


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En la seccin de servidores de Back-office y aplicaciones, tambin se introdujo un servidor KDC (Key Distribution Center) que se emplea como servidor Kerberos para realizar la autenticacin, intercambio de llaves y encriptacin. Este protocolo permite establecer comunicaciones individuales sobre redes inseguras mediante autenticacin mutua tanto de los usuarios como de los servicios solicitados, en un modelo cliente-servidor. Kerberos utiliza al KDC como un tercer elemento que consiste de dos secciones lgicamente independientes: un Servidor de Autenticacin (AS, Authentication Server) y un Servidor Emisor de Tickets (TGS, Ticket Granting Server). A travs de la emisin de tickets se realiza la identificacin y autenticacin de usuarios. Asimismo, Kerberos mantiene una base de datos con llaves secretas nicamente conocida por una entidad de la red y el propio servidor

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