Redes HFC (Hybrid Fiber Coax)Una red HFC es una red de telecomunicaciones de alta capacidad que combina la fibra óptica y el cable coaxial como soportes de la transmisión de las señales

Los operadores de cable se convierten entonces en operadores de Telecomunicaciones

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Origen y evoluciónRedes CATV tradicionales (coaxiales, 1949-1988)

• Se utilizaban para la transmisión de señales de televisión analógica (TV), usando cable coaxial con de banda para poder distribuir varios canales analógicos simultáneamente.

• Nacieron para resolver problemas de recepción en zonas de mala cobertura.

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• La antena (centro emisor) se ubicaba en sitio elevado con buena recepción. La señal se enviaba a los usuarios hacia abajo (downstream).

- Elevado ancho de banda-> dificultad en el diseño de la antena- Solución: antenas separada por grupos de bandas

• Cable coaxial de 75 • Amplificadores cada 0,5-1,0 Km. Hasta 50 en

cascada.• La distancia entre amplificadores es función de la

cantidad de usuarios en cada tramo (a mas usuarios menor distancia) y de la frecuencia máxima que utilizara la red (a mayor frecuencia máxima menor distancia). Esta frecuencia máxima era de 300-400 MHz.

• Red unidireccional. Señal solo descendente. Amplificadores impedían transmisión ascendente.

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Receptores yDecodificadores

Moduladores yConversores

Contenidos locales

CABECERA

Arquitectura típica de una red CATV coaxial tradicional

Hasta 50 amplificadores en cascada EmpalmeAmplificadorunidireccional

Cable Coaxial (75 ) Muchos milesde viviendas

Arquitectura típica de una red CATV coaxial tradicional

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Redes CATV modernas: HFC (desde 1990)

• Muchos amplificadores en cascada degradan la señal, complican y encarecen mantenimiento. Solución: redes HFC – Zonas de 500-2000 viviendas – Señal a cada zona por fibra, distribución en coaxial. – Máximo 5 amplificadores en cascada (menor ruido y distorsión)– Permite aumentar el ancho de banda y la distancia de cobertura– Posibilidad de enviar la señal analógica de televisión por fibra óptica sin

necesidad de convertirla en digital– partición del conjunto en zonas independientes servidas cada una por un

nodo óptico

• Además amplificadores para tráfico ascendente, red bidireccional (monitorización, pago por visión, interactividad y datos)

• Hoy, casi todas las redes CATV son HFC bidireccionales

Redes CATV modernas: HFC (desde 1990)

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Arquitectura HFC (Híbrida Fibra-Coax.)

CabeceraRegional

Cab. local

Nodofibra

Nodofibra

Nodofibra

Nodofibra

COAX Empalme

Nodofibra

Nodofibra

Conexión

Set-top box-TVCable módem - ordenador

8 MHzTV1C9TV3

Nodofibra

Nodofibra

Nodofibra

Cab. local

Cab. local

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Cabeceraregional

Arquitectura típica de una red CATV HFC

Anillo de fibra(TV y datos viajan

por separado)

Cabecera local

Receptor y Modulador

Internet

Nodode fibra(500-2000viviendas)

Empalme

Fibra (monomodo)

Cable Coaxial (75 )

Amplificadorbidireccional

125-500 viviendas

Bidireccional3-5 amplificadores máx.

Conversorfibra-coaxial

Cable módem

Ethernet (10BASE-T)

Estructura y elementos de red

Cabecera (Head-End)• La cabecera es el centro de recepción, procesamiento, control y transmisión de todos los servicios que ofrece la red• Recopila todos las fuentes de información, vía satélite, enlaces terrestres o producción propia para transmitir por la red, ubicándolas en los canales del espectro del cable, con la modulación de los receptores analógicos convencionales

• Concentra todas las interconexiones con otras redes de transporte fijas o móviles, así como los servidores de acceso a los diferentes servicios

Red Troncal•Red óptica con una topología a dos niveles•Cobertura geográfica amplia•Se encarga del transporte de la señal desde la cabecera hasta los puntos de distribución

Red de distribución• La red de distribución se compone de nodos secundarios, en los cuales se realiza una conversión O/E y se distribuyen a los abonados a través de una estructura tipo bus coaxial.• Tiene por misión multiplexar la información y adaptar el sistema de transporte a las características específicas del bucle de abonado

Equipos de abonado• Set Top Box (STB) : (decodificador) dispositivo encargado de la recepción y opcionalmente decodificación de señal de televisión analógica o digital , para luego ser mostrada en un dispositivo de televisión.

Equipos de abonado Cablemodem: Dispositivo que permite la conexión del usuario a la red de cable para la transmisión de datos y la conexión a Internet a grandes velocidades (hasta 40Mbps). Se conecta a la red HFC mediante un conector de cable coaxial y al PC a través de una interfaz Ethernet 10BaseT o puerto USB. . Capacidad flexible y programable desde cabecera. Relación de tasas up/down configurable. Implementa los niveles físicos y MAC, Encripta/desencripta la información

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Organización de los canales en redes HFC

Sinuso*

TelefoníaDatos

Retorno Serv. Interactivos

15 65

AudioDigital /Analog

86 108

TV AnalógicaTelefonía

+Datos

TV Digital

118 550 606 862MHz

DIRECTO

RETORNO

Serviciosfuturos

1000

5

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Reparto de frecuencias en redes HFC (estándar DOCSIS)

• Descendente: 96-864 MHz (Europa), 88-860 MHz (América). S/R > 34 dB (normal 46 dB)

• Ascendente: 5-65 MHz (Europa), 5-42 MHz (América). S/R > 25 dB

• Sentido ascendente más problemático:– Banda de RF más ‘sucia’ (interferencias, emisiones de onda

corta, radioaficionados, etc.)– Amplificación del ruido e interferencia introducido por

todos los usuarios de la zona (efecto ‘embudo’). Esto impide utilizar el sentido ascendente en redes con muchos amplificadores.

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Asignación típica de frecuencias ascendentes en una red CATV

Servicio Banda (MHz) Ancho de banda (MHz)

Supervisión de la red (uso reducido por el ruido)

5-25 20

Reserva 25-28 3

Telefonía y Datos (Internet)

28-40 12

Banda de guarda 40-42 2

Señalización interactiva, pago por visión

42-45 3

Datos (Internet) 45-52 7

Banda de guarda 52-54 2

Datos (Internet) 54-65 11

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Asignación típica de frecuencias descendentes en una red CATV

Servicio Banda(MHz)

Ancho banda(MHz)

Ancho porcanal

(MHz)

Núm.Canale

s

Radiodifusión FM 87,5-108 20,5 0,15 130

Radio Digital (DAB) 108-118 10

Televisión analógica PAL B 118-300 182 7 26

Televisión analógica PAL G 302-606 304 8 38

Televisión digital 606-750 144 1,6 90

Datos (Internet), Telefonía y otros servicios

750-862 112 8 14

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Técnicas de modulación para transmisión de datos en redes CATV

• QPSK: Quadrature Phase-Shift Keying• QAM: Quadrature Amplitude Modulation

Modulación Sentido Bits/símb. S/R mínima

QPSK Ascend. 2 > 21 dB

16 QAM Ascend. 4 > 24 dB

64 QAM Descend. 6 > 25 dB

256 QAM Descend. 8 > 33 dB

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Caudales brutos en redes CATV

Debido al overhead introducido por el FEC (Forward Error Correction) y otros factores los caudales netos son aproximadamente un 10-15% menores que los brutos

Anchura (KHz) Kbaudios Caudal QPSK (Kb/s)

Caudal 16 QAM (Kb/s)

200 160 320 640

400 320 640 1280

800 640 1280 2560

1600 1280 2560 5120

3200 2560 5120 10240

Anchura (MHz)

Kbaudios Caudal 64 QAM (Kb/s)

Caudal 256 QAM (Kb/s)

6 (NTSC) 5057 30342

6 (NTSC) 5361 42888

8 (PAL) 6952 41712

8 (PAL) 6952 55616

Asc.

Desc.

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Capacidad de una red CATV

• Suponiendo que se utilizara exclusivamente para transmitir datos, la capacidad máxima de una red CATV sería:– Descendente: 96 can. de 55,6 Mb/s: 5,338 Gb/s– Ascendente: 176 can. de 640 Kb/s: 112,6 Mb/s

• Esta capacidad estaría disponible para cada zona de la red HFC.

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Transmisión de TV en CATV

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Transmisión de datos en CATVPara se usa la banda de 5 a 50 MHz en sentido ascendente y la

banda por encima de los 550 a 860 MHz en sentido descendente.

El elemento que recibe y envía los flujos de datos en la cabecera es el CMTS

Este dispositivo realiza la codificación, modulación y gestión de acceso al medio compartido por los módems de cable, proporcionando una interfaz Ethernet que se conecta a un switch para la interconexion al resto de dispositivos de datos requeridos en la cabecera: un servidor AAA (Authentication, Authorization and Accounting), para control de acceso y tarificación; un servidor de contenidos locales y de caching para las paginas más accedidas; y un router que, además de las funciones habituales de encaminamiento, proporciona la terminación de línea hacia la red de datos.

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Transmisión de datos en CATV

• Sentido descendente (ida): datos modulados en portadora analógica de un canal de televisión de 6 MHz (NTSC) u 8 MHz (PAL)

• Para el retorno:– Redes HFC (bidireccionales): zona de bajas frecuencias (no

usada normalmente en CATV). Canales de anchuras diversas, de 0,2 a 3,2 MHz

– Redes coaxiales (unidireccionales) línea telefónica (analógica o RDSI).

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Elementos de comunicación en una red CATV HFC

Señal modulada de radiofrecuencia

Ordenador(o hub)

Cablemódem

Red CATVHFC

Backboneoperador

Internet

CMTS(Cable Módem

Termination System)

Ethernet10BASE-T

Domicilio del usuario

Cabecera local

Router

Cabecera regional

Proveedor decontenidos

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Protocolo MAC de CATV

• Medio broadcast: cada CM recibe todo el tráfico descendente, vaya o no dirigido a él.

• Cada CM (y el CMTS) recibe una dirección MAC IEEE 802 globalmente única (48 bits) que le identifica.

• Por seguridad el tráfico viaja encriptado (DES 56 bits), sólo el destinatario lo puede descifrar.

• Es posible realizar emisiones multicast/broadcast

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Funcionamiento de CATV

• Medio broadcast, canales ascendente y descendente compartidos por cada zona, como una LAN, pero:– Canal descendente: solo el CMTS puede transmitir, todos

los CMs reciben.– Canal ascendente: todos los CMs pueden transmitir, pero

solo el CMTS recibe.• Dos CMs no pueden hablar directamente (aunque

estén en la misma zona); solo pueden comunicarse a través del CMTS del que dependen.

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MAC de CATV (DOCSIS)

• En descendente el CMTS es el único que emite, por tanto no hay conflicto.

• En ascendente los CM comparten el canal. Cuando un CM quiere transmitir pide permiso al CMTS que le da ‘crédito’ para que emita una cantidad de bits, de acuerdo con la disponibilidad y el perfil que tiene asignado el CM.

• Se puede producir una colisión solo cuando el CM manda el mensaje de petición (pero no cuando esta usando su ‘turno de palabra’).

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Funcionamiento de MAC en DOCSIS

Un mini-slot: 64 símbolos

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Protocolos implicados en la comunicación CM-CMTS

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Correspondencia de DOCSIS con el modelo OSI

OSI DOCSIS

Aplicación

Transporte

Red

Enlace

Física

FTP, SMTP, HTTP, etc.

TCP y UDP

IP

IEEE 802.2

MAC DOCSIS

HFC

5-65 MHz96-864 MHz (8 MHz/canal)

ITU-T J.83 Anexo A

AscendenteTDMA (mini-slots)

DescendenteTDM (MPEG)

Mensajes de control DOCSIS

Aplicac. basadas

en MPEG, ej. Video, TV digital

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Servicios IP en redes CATV

• Por sencillez, comodidad y seguridad se utiliza DHCP para asignación de direcciones IP (el usuario no puede ‘falsear’ su dirección)

• El CM actúa como un puente MAC transparente (IEEE 802.1D) entre dos LANs (la del CM y la del CMTS). También puede funcionar como un router.

• Se puede restringir el número de direcciones MAC que pueden acceder a través de un CM.

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Direcciones IP en redes CATV

• A los ordenadores se les pueden asignar:– Direcciones privadas RFC 1918 (10..., 172.16-31..). Requiere el uso

de NAT (Network Address Translation) en el router o un servidor proxy.

– Direcciones públicas estáticas (‘vendidas’)– Direcciones públicas dinámicas (‘alquiladas’)

• Lo mas aconsejable es utilizar direcciones públicas dinámicas

• Los cable módems también necesitan una dirección IP para que se les pueda gestionar remotamente por SNMP. Esta puede (y debe) ser privada.

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Redes privadas virtuales sobre CATV

• Las redes CATV representan una opción muy interesante frente a las alternativas clásicas para redes de datos (RDSI, p.a p.). Problemas:– Seguridad (atravesar la Internet)– Integración (direcciones IP del proveedor CATV)

• El uso de túneles IPSEC permite crear redes privadas virtuales (VPN) y resolver ambos problemas.

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Para una seguridad aún mayor el túnel puede hacerse directamente de A a B

IPsec (RFC 2410): Encriptación sobre TCP/IP para crear VPNs

Túnel IPsec

A B

Red CATV, ADSL, etc.

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Túneles IPSEC

• Problemas:– El encapsulado de información requiere duplicar

cabeceras. Esto introduce overhead, especialmente con paquetes pequeños.

– En el caso de utilizar encriptación el consumo de CPU es elevado.

• Implementación:– W2000 Server incluye software de servidor de túneles

IPSEC– W2000 Profesional incluye software de cliente IPSEC

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Conmutador LAN

Router

CMTSCable

MódemServidorDHCP/TFTP

Host deAdministración

Backbone

Red CATVHFC

1: Definir y salvar la configuración del CM

2: Cargar fichero de configuración (protocolo de acceso DOCSIS)

3: Asignar identificador

Administración y mantenimiento de una red CATV

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Red de centros regionales2,5 Gb/s (SDH)

Red metropolitana622 Mb/s (SDH)

Hosting

ISPLarga

Distancia

Red HFC

Cabecerared CATV HFCRed

telefónica

DatosVozAmbos

Arquitectura de una moderna red CATV

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Servicio IP sobre CATV

• Por razones de marketing se suele limitar el caudal. También se limita el tráfico máximo (al mes) para evitar excesiva ocupación de Internet por parte de un usuario.

• Ejemplo: servicio Cable Módem de ONO:

Caudal desc. (Kb/s)

Caudal asc. (Kb/s)

Tráfico max. Mensual

Tarifa mensual

128 64 750 MB 3495 Pts.

256 128 1000 MB 5495 Pts.

512 256 1500 MB 9495 Pts.

Alquiler de cable módem (DOCSIS 1.0): 1500 Pts/mes

Ventajas • Redes muy fiables, de muy alta capacidad y capaces

de prestar todo tipo de servicios interactivos. • Redes atractivas desde el punto de vista de negocio

para entornos urbanos densos. • Ventajas derivadas del cableado: seguridad, robustez,

resistencia a interferencias y no compartición de espectro con otros operadores.

• Escalabilidad: oportunidad de aumentar la capacidad ofrecida al usuario acercando la fibra óptica al hogar a medida que crece la demanda de ancho de banda y bajan los costes de los equipos ópticos.

Limitaciones: • Complicaciones importantes en la en obra civil (zanjas,

permisos, etc.) que implican elevados costos. • Baja rentabilidad económica en zonas rurales y

poblaciones muy dispersas. • Gran inversión inicial en infraestructura. • Canal de retorno, a través de la propia red de cable

tiene altos niveles de ruido e interferencias. Se requieren modulaciones poco eficientes pero robustas, códigos de corrección de errores y monitorización de canales.

• La incorporación de nuevos usuarios condiciona el despliegue de red (hogares pasados).