Líneas de suscriptor digital

Redes de Acceso

El acceso juega un rol de gran importancia en las redes de telecomunicaciones.

La evolución de las tecnologías de acceso han ido facilitando el despliego de nuevas redes y servicios, permitiendo mayores anchos de banda y movilidad.

La tecnología de acceso con más años en las redes de telecomunicaciones es la basada en cables de cobre. Los operadores telefónicos con varios años en el mercado tienen, por lo general, una extensa red de acceso tendida, basada en cables conductores de cobre, que llegan desde los abonados hasta las centrales telefónicas. Esta red de acceso, que ha significado una inversión importante, ha sido la base para la conexión de los terminales telefónicos analógicos y digitales (ISDN). Las redes de acceso de cobre presentan una arquitectura en estrella, partiendo de cables multipares desde las centrales telefónicas, hasta puntos de distribución primarios, secundarios y/o terciarios. Finalmente un par de cobre llega hasta la conexión del terminal, dentro de las residencias o empresas. Este tipo de redes de acceso, originalmente diseñadas para servicios telefónicos analógicos, está siendo utilizada actualmente para brindar servicios de datos de alta velocidad, a través de las tecnologías que se conocen como “Digital Subscriber Loop” (xDSL) o bucle digital de abonado. Entre estas tecnologías se encuentran ADSL, HDSL, VDSL y otras. La siguiente figura ilustra la evolución de los estándares xDSL, así como el crecimiento en la cantidad de suscriptores a nivel mundial.

Todas las tecnologías xDSL permiten comunicación de datos en forma bidireccional. Sin embargo, algunas son “asimétricas” y otras “simétricas”, en lo que respecta a las velocidades de

Líneas de suscriptor digital

Cuando por fin la industria telefónica logró los 56 kbps, se dio unas palmadas en la espalda por un trabajo bien hecho. Mientras tanto, la industria de la TV por cable ofrecía velocidades de hasta 10 Mbps en cables compartidos. A medida que el acceso a Internet se convirtió en una parte cada vez más importante de su negocio, las compañías telefónicas (LEC) se dieron cuenta de que necesitaban un producto más competitivo. La respuesta fue ofrecer nuevos servicios digitales a través del lazo local.

Al principio hubo muchos ofrecimientos de alta velocidad que se traslapaban, todos bajo el nombre general de xDSL (Línea de Suscriptor Digital, del inglés Digital Subscriber Line), por las diversas x.

Los servicios con mayor ancho de banda que el servicio telefónico estándar generalmente se denominan banda ancha, aunque en realidad el término es más un concepto de marketing que un concepto técnico específico.

La razón por la que los módems son tan lentos es que los teléfonos se inventaron para

transportar la voz humana, por lo que todo el sistema se optimizó cuidadosamente para este fin. Los datos siempre han sido como “hijastros”. En el punto en el que cada lazo local termina en la oficina final, el cable pasa por un filtro que atenúa todas las frecuencias menores de 300 Hz y mayores de 3 400 Hz. El corte no es muy abrupto (300 Hz y 3 400 Hz son los puntos de 3 dB), por lo que el ancho de banda se indica generalmente como 4 000 Hz, aun cuando la distancia entre los puntos de 3 dB sea de 3100 Hz. Por lo tanto, los datos en el cable también están restringidos a esta banda estrecha.

Todos los servicios xDSL se diseñaron con ciertos objetivos en mente. Primero, los servicios deben trabajar sobre los lazos locales existentes de par trenzado categoría 3. Segundo, no deben afectar a los teléfonos o máquinas de fax existentes de los clientes. Tercero, deben ser mucho más veloces que 56 kbps. Cuarto, siempre deben estar encendidos y cobrar una cuota mensual, sin cargos por minuto.

Para cumplir con los objetivos técnicos, el espectro disponible de 1.1 MHz en el lazo local se divide en 256 canales independientes de 4312.5 Hz cada uno. Este arreglo se muestra en la siguiente figura. El esquema OFDM, que conocemos, se utiliza para enviar datos a través de estos canales, aunque a menudo se le conoce como DMT (Multitono Discreto, del inglés Discrete

MultiTone) en el contexto de ADSL. El canal 0 se utiliza para POTS (Servicio Telefónico Tradicional, del inglés Plain Old Telephone Service). Los canales 1 al 5 no se utilizan para evitar que las señales de voz y datos interfieran entre sí.

De los 250 canales restantes, uno se utiliza para el control ascendente y otro para el control descendente.

El resto están disponibles para los datos del usuario.

En principio, cada uno de los canales restantes se puede utilizar para un flujo de datos

full-dúplex, pero las armónicas, la diafonía y otros efectos mantienen a los sistemas prácticos muy por debajo del límite teórico. El proveedor es el encargado de determinar cuántos canales se van a utilizar para el flujo ascendente y cuántos para el flujo descendente. Es técnicamente posible usar una mezcla 50/50 de flujo ascendente y flujo descendente, pero la mayoría de los proveedores asignan algo así como 80% a 90% del ancho de banda para el canal de flujo

descendente, ya que casi todos los usuarios descargan más datos de los que envían. Esta elección es la razón de la “A” en ADSL. Una división común es 32 canales para el flujo ascendente y el resto para el flujo descendente. También es posible que unos cuantos de los canales de flujo ascendente más altos sean bidireccionales para incrementar el ancho de banda, aunque para hacer esta optimización se requiere agregar un circuito especial para cancelar ecos.

En 1999 se aprobó el estándar internacional ADSL, conocido como G.dmt. Este estándar permite velocidades de hasta 8 Mbps para el flujo descendente y 1 Mbps para el flujo ascendente. En 2002 se sustituyó por una segunda generación, conocida como ADSL2, con varias mejoras para permitir velocidades de hasta 12 Mbps para el flujo descendente y 1 Mbps para el flujo

No obstante, los números aquí citados son las velocidades en el mejor de los casos para líneas buenas que estén cerca (en un rango de 1 a 2 km) de la central. Pocas líneas soportan estas tasas de transmisión y pocos proveedores ofrecen estas velocidades.

Dentro de cada canal se utiliza la modulación QAM a una tasa aproximada de 4 000 símbolos/seg. La calidad de la línea en cada canal se monitorea de manera constante y la tasa de transmisión de datos se ajusta mediante el uso de una constelación más grande o más pequeña. Los distintos canales pueden tener diferentes tasas de transmisión de datos, pudiendo enviar hasta 15 bits por símbolo en un canal con una SNR alta, y descender hasta 2,1 o ningún bit por símbolo en un canal con una SNR baja, dependiendo del estándar.

Al otro extremo del cable, del lado de la oficina final, se instala un divisor correspondiente. Aquí se filtra y elimina la porción de la señal correspondiente a la voz, y se envía al conmutador de voz normal. La señal por encima de 26 kHz se encamina a un nuevo dispositivo conocido como DSLAM (Multiplexor de Acceso a la Línea de Suscriptor Digital, del inglés Digital Subscriber Line Access Multiplexer), el cual contiene el mismo tipo de procesador digital de señales que el módem ADSL. Una vez que se recuperan los bits de la señal, se forman paquetes y se envían al ISP. Esta completa separación entre el sistema de voz y ADSL facilita de manera relativa el hecho de que una compañía telefónica pueda implementar esta tecnología. Todo lo que se necesita es comprar un DSLAM y un divisor, y conectar a los suscriptores de ADSL al divisor. Otros servicios de alto ancho de banda (como ISDN) requieren cambios mucho más grandes en el equipo de conmutación existente.

Una desventaja del diseño de la figura anterior es la necesidad de un NID y un divisor en la residencia del cliente. Sólo un técnico de la compañía telefónica puede instalarlos, de modo que hay que enviar un técnico a la residencia del cliente y esto genera un costo considerable. En respuesta a este problema se estandarizó también un diseño alternativo sin divisor, conocido como G.lite. Es igual que la figura, sólo que sin el divisor del cliente. La línea telefónica existente se utiliza así como está. La única diferencia es que se debe insertar un microfiltro en cada

terminal telefónica, entre el teléfono o módem ADSL y el cable. El microfiltro para el teléfono es un filtro pasabajos que elimina las frecuencias superiores a 3400 Hz; el microfiltro para el módem ADSL es un filtro pasaaltos que elimina las frecuencias inferiores a 26 kHz. Sin embargo, este sistema no es tan confiable como el de divisor, por lo que sólo se puede usar el G.lite a una velocidad de hasta 1.5 Mbps (en comparación con los 8 Mbps de la ADSL con un divisor).

La gran demanda de servicios y de ancho de banda ha llevado a la necesidad de utilizar redes de acceso de mayor capacidad. Para ello se están utilizando tecnologías de fibra óptica y/o de cables coaxiales. Estos últimos, los cables coaxiales, han sido utilizados históricamente por los

prestadores de servicios de TV cable, originalmente en arquitecturas unidireccionales de gran ancho de banda.

Las redes de acceso de fibra óptica funcionan, muchas veces, junto con la red de acceso de cobre. Como ejemplos se puede citar:

- FTTC: Fiber To The Curb, o “fibra hasta la acera”. Esta arquitectura lleva tendidos de fibra óptica hasta puntos cercanos a los usuarios finales (por ejemplo, un tendido de fibra por “manzana”), y desde allí, por medio de equipos apropiados, se cambia a tecnología de cobre. - FTTB: Fiber To The Building, o “fibra hasta el edificio”. Es similar al anterior, llevando un tendido de fibra hasta un edificio, donde internamente luego se termina la distribución con cobre. - FTTH: Fiber To The Home, o “fibra hasta el hogar”, donde se lleva el tendido de fibra hasta la residencia del usuario final.

Cuando se requiere movilidad, o cuando no es posible llegar hasta el terminal en forma cableada, es necesario utilizar tecnologías inalámbricas. Existen por tanto redes de acceso inalámbricas para servicios fijos y para servicios móviles, con características diferentes. Un ejemplo de tecnologías de acceso para servicios fijos es el WLL (Wireless Local Loop). Un ejemplo de tecnologías de acceso para servicios móviles es el GSM.

Conmutación

Con la digitalización y la posibilidad de utilización de componentes semiconductores, la

conmutación automática analógica dio lugar a la conmutación digital, utilizando técnicas del tipo TDM (Time Division Multiplexing). Estas tecnologías fueron implementadas inicialmente en PBXs, en el área corporativa a principios de la década de 1970, y pocos años después en el área

pública.

La tecnología TDM está dejando su lugar a la VoIP (Voz sobre IP), y cambiando el proceso de conmutación telefónico de circuitos, al de paquetes, típicamente utilizada para datos.

Centrales de conmutación públicas

Las centrales de conmutación públicas atienden típicamente a más de 10.000 usuarios o

En forma muy general, este tipo de centrales se puede clasificar en:

 Centrales de conmutación local: Este tipo de centrales atiende a abonados finales, y posee conexión con la red de acceso fija. La conexión entre dos abonados conectados a la misma central se realiza en forma local. La conexión entre un abonado de una central local y otro abonado de otra central local se realiza por medio de la red de transmisión y

transporte.

 Centrales de tránsito: Son centrales telefónicas que interconectan otras centrales locales, o internacionales, pero que no tienen abonados finales directamente conectados.  Centrales Internacionales: Son las centrales de tránsito que conectan enlaces

internacionales

 Centrales celulares: Son las que prestan servicios de conmutación a abonados celulares.

Las centrales de conmutación públicas basadas en tecnologías TDM están dejando su lugar a una nueva generación de centrales, conocidas como “soft switchs”, basadas en tecnología IP. En estos sistemas, los abonados analógicos o digitales TDM (por ejemplo, ISDN), se conectan a la red a través de gateways (pasarelas), que convierten tanto el audio como la señalización en protocolos de red IP. La conmutación en este caso se realiza por medio de switches de datos, de alta

capacidad. El procesamiento generalmente se realiza en servidores comerciales, no propietarios. La siguiente foto muestra un soft switch, ubicado dentro de Racks o cabinas estándar de 19”. Su diseño es por lo general más compacto (desde el punto de espacio físico) que las clásicas

centrales TDM.

Protecciones gaseosas Media converter (fibra/cobre)

Transmisión y Transporte

ejemplo, centrales telefónicas públicas o privadas. Entre ellas es necesario enviar un gran número de canales de conversación (aunque no tantos como la cantidad de terminales o

abonados conectadas a cada central, ya que estadísticamente es muy improbable que todos estén hablando a la vez a terminales o abonados de otras centrales). En todo caso, la cantidad de enlaces de conversación entre centrales puede ser de centenas o millares. Es por ello necesario utilizar técnicas de multiplexación, que permitan transmitir sobre un mismo enlace una cantidad importante de canales independientes.

La transmisión se puede realizar por diferentes medios físicos, entre los que se mencionan, a modo de ejemplo:

• Pares de cobre • Cables coaxiales • Fibras ópticas

• Comunicaciones por Satélites • Radio enlaces

Reseña histórica

Las primeras tecnologías de transmisión y transporte estaban basadas en tendidos de cables de cobre, generalmente utilizando cables multipares (es decir, varios pares de cobre en

compartiendo un mismo envoltorio. Sobre estos pares se transmitía el audio analógico, y también la señalización. Dada la distancia existente (típicamente decenas de kilómetros), muchas veces eran utilizados pares diferentes para transmisión y recepción, de manera de poder incluir amplificadores unidireccionales en cada sentido. Otro(s) par(es) eran utilizados para la señalización de cada canal, utilizando históricamente señalización E&M, R1 o R2.

La transición por radio enlaces de microondas también eran (y son) utilizados. Los satélites fueron históricamente utilizados para las transmisiones internacionales. El primer satélite de comunicaciones fue puesto en órbita por la empresa AT&T, en 1962.

Sobre la década de 1980 se extendieron los tendidos de fibras ópticas, diseñadas originalmente en la década de 1970. El primer cable de fibra óptica transatlántico, el TAT-8, fue tendido en 1988, con 6.600 km de longitud, uniendo Estados Unidos y Francia. Tenía una capacidad de 40.000 conversaciones telefónicas simultáneas(10 veces más que el TAT-7, existente en la época, y 1.000 veces más que el TAT-1, instalado en 1956con tecnologías de cables coaxiales).

El prácticamente ilimitado ancho de banda de las fibras ópticas la ha convertido en el medio de transporte mayormente utilizado actualmente para los sistemas de transmisión de

telecomunicaciones. Estas redes soportan prácticamente la totalidad de las comunicaciones tanto locales, nacionales como internacionales, dejando a los radio-enlaces y sistemas de satélites para respaldo y conexiones donde los tendidos de cable son extremadamente dificultosos.

Jerarquías digitales

En telefonía digital clásica, el proceso de digitalización de la voz finaliza con una señal digital de 64 kb/s. A los efectos de optimizar los recursos de transmisión y conmutación, se pueden

La figura ilustra conceptualmente el proceso de multiplexación por división temporal (TDM Time Division Multiplexing). En este ejemplo, cuatro señales analógicas son digitalizadas (con

conversores analógico / digitales que implementen la Ley A). Una “llave rotativa” conecta a un mismo canal de salida una muestra digitalizada (un byte) de cada canal de entrada en forma secuencial. Dado que cada canal toma una muestra cada 125 s, la “llave” debe “dar la vuelta” _ en exactamente 125 s, para no perder ninguna muestra de ningún canal. En la salida se _ obtiene un “flujo digital”, consistente en un byte de cada canal, a una velocidad de 256 kb/s. De más está decir que en la práctica no existen “llaves rotativas”, sino que todo se implemente en forma electrónica.

Quien recibe este flujo digital, debe poder distinguir dónde comienza cada byte de cada canal. Esto hace necesario tener algún mecanismo de sincronismo, lo que generalmente se resuelve incluyendo en el flujo digital bits adicionales para indicar un “comienzo de datos”. Asimismo, si el flujo digital se utiliza para transmitir canales telefónicos, se requiere también de la señalización de los mismos (hay que indicar comienzo de una llamada, número discado, fin de llamada, etc.) Esto se puede resolver incluyen en el flujo digital otros bits adicionales, que puedan transportar la señalización de los canales de audio. Los flujos digitales que contienen canales de audio, señales de sincronismo y señalización, se conocen como “tramas digitales”.

Se han estandarizado en telefonía dos sistemas de multiplexación digital, conocidos como “Jerarquía digital plesiócrona” (“PDH”) y “Jerarquía digital sincrónica” (“SDH”). Ambas

“jerarquías” constituyen un sistema de multiplexación en etapas, dónde, por ejemplo, 30 canales vocales se multiplexan para formar una trama “de orden 1”, las que a su vez se multiplexan para formar tramas de orden 2, etc., y así se va formando una estructura jerárquica. Tanto en SDH como en PDH, la jerarquía de primer orden ha sido estandarizada en las tramas digitales

conocidas como E1 y T1. La trama E1 consisten en la multiplexación de 30 canales de voz de 64 kb/s (con Ley A o Ley ), a los que se le agregan un canal de sincronismo y un canal de _

señalización, ambos también de 64 kb/s. La trama E1 tiene una velocidad de 2.048 kb/s (32 x 64 kb/s).

La trama T1 consiste en la multiplexación de 24 canales de voz de 64 kb/s (con Ley A o Ley ), a _ los que se le agregan un canal de sincronismo y un algunos bits de señalización. Tiene una

velocidad de 1.5 Mb/s.

Europa y Sudamérica han adoptado por lo general el estándar E1, mientras que Estados Unidos y Japón han adoptado el T1.

La señalización (que en las tramas E1 se ubica entre el canal de audio 15 y el 16) puede ser de distintos tipos, y se analizará más adelante.

La multiplexación por división temporal (TDM) es uno de los conceptos claves utilizados en telefonía digital, tanto para transmisión como para la conmutación.

Un esquema de multiplexación de la jerarquía PDH se muestra en la siguiente figura

Señalización digital R2

La señalización R2 digital utiliza también una trama digital E1 de 2.048 kb/s,

similar a la ISDN PRI. Se diferencia de ésta última en el uso del canal de señalización.

Cada canal tiene asociado 4 bits (conocidos como bits ABCD) que se utilizan para la señalización de línea (básicamente emulan la señal de campanilla y la corriente de bucle del canal). Cada trama incluye la señalización correspondiente a 2 canales. Cada canal, por tanto, refresca su señalización cada 16 tramas (125 s x 16 = 2 ms)_

Cada trama es unidireccional, por lo que un enlace E1 cuenta con 2 tramas, una de “ida” y otra de “vuelta”.

Los bits ABCD de señalización se utilizan para indicar el estado de la línea. Por ejemplo, cuando el canal N se encuentra libre, los bits ABCD asociados al canal N toman los valores 1011, tanto en la trama de “ida” como en la de “vuelta”. Cuando la PBX quiere iniciar una llamada por el canal N, cambia el valor de sus bits ABCD correspondientes al canal N al valor 0011 (“Seizure”) en la trama de “ida”. La central pública reconoce la toma de línea con los valores 0011 (“Seizure Acknowledge) en la trama de ”vuelta”.

Una vez “tomado” un canal, la PBX debe discar el numero deseado. Esto es realizado mediante la señalización de “registro” R2 (MFC-R2). Esta señalización consiste en el intercambio de tonos, a través del canal de audio, entre la PBX y la central pública.

Señalización entre centrales públicas

Los sistemas de transmisión y transporte que interconectan las centrales públicas están acompañados de un sistema de señalización, necesario para el establecimiento y liberación de canales, envío de información de contexto, etc.

Históricamente, la señalización utilizada estaba asociada a cada canal de audio, y era enviada en forma conjunta con este. Este tipo de señalización (por ejemplo E&M analógica, R2 analógica o R2 digital) fue reemplazada por un sistema o red de señalización independiente y paralela a la red que transporte el audio o el contenido de las conexiones. Esta red de señalización, está basada en los conceptos de ISDN, introducidos sobre la década de 1980.

La red de señalización entre centrales públicas más difundida es la conocida como SS7 (Signaling System Number 7). Es típicamente el sistema de señalización actualmente utilizado internamente en las redes ISDN, celulares y IN (“Inteligent Networks” o “Redes Inteligentes”).

En la siguiente figura se esquematiza una red de señalización SS7 típica. Esta red incluye los siguientes componentes:

 SSP (Service Switching Point): Son los nodos encargados de conectar los terminales de la red  STP (SignalingTransfer Point): Son ruteadores de señalización SS7. Deciden la ruta a tomar

para cada mensaje de señalización SS7

La señalización entre centrales públicas puede también ser enviada sobre redes IP.

SIGTRAN (proveniente de “SIGnaling TRANsport” es un nuevo protocolo de señalización, que básicamente paquetiza la señalización SS7 y la envía sobre redes de paquetes basadas en IP. Utiliza el protocolo SCTP (Stream Control Transmission Protocol) definido en el RFC 4960.

Multiplexación por división en el tiempo, sistema MIC.

Evidentemente, la señal entregada por un abonado a la RTC es una señal analógica que deberá ser procesada convenientemente antes de intentar trabajar con ella en una central digital. Este proceso de conversión analógico-digital de la señal se lleva a cabo utilizando la técnica de modulación por impulsos codificados (Pulse-Code Modulation, PCM).

Un esquema de bloques de un sistema de este tipo es el de la siguiente figura.

más cercano en un conjunto de L niveles. Finalmente, cada uno de estos niveles será codificado convenientemente con lo que la señal analógica original queda definitivamente transformada en una señal digital.

Una vez comprobado que el muestreo de una señal analógica nos permite conservar toda su información siempre y cuando se respete el criterio de Nyquist, observamos que la calidad del sistema PCM va a depender en gran parte de la bondad del bloque de cuantificación. Un cuantificador uniforme subdivide el margen dinámico de la señal en L niveles, con un paso de cuantificación ∆tal que ∆= 2 ·Vmax/ L .

Suponiendo la señal de entrada al cuantificador normalizada con |x(t)|≤1, la característica del cuantificador sería como la mostrada en la Figura 2.17.

Con este tipo de cuantificador, se observa que el error máximo para una muestra concreta n queda acotado a la mitad del paso de cuantificación |e(n)| ≤ ∆/2 .

De una forma intuitiva, puede decirse que la potencia de ruido dependerá, en general, de la frecuencia relativa de cada muestra de voz, es decir, de su estadística; y que será mínimo cuando sea menor el error en las muestras más frecuentes. Esto sugiere el uso de una