ANALISIS Y ADAPTACION DE UN SISTEMA DE TELEVISIÓN
POR CABLE PARA BRINDAR SERVICIOS DE
VALOR AÑADIDO
INFORME DE INGENIERÍA
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO ELECTRONICO
PRESENTADO POR:
JORGE ALBERTO DAVILA ROJAS
PROMOCIÓN
1992 - 11
LIMA- PERÚ
ANALISIS Y ADAPTACION DE UN SISTEMA DE TELEVISIÓN
POR CABLE PARA BRINDAR SERVICIOS DE
A Dios y a mis padres por su esfuerzo y constante apoyo en las
diferentes etapas de mi educación y vida profesional , cuyos
consejos me permitieron ver un horizonte con muchas
oportunidades, para lograr mi desarrollo personal y de quienes
SUMARIO
En los últimos años, los servicios de banda ancha han revolucionado
las telecomunicaciones permitiendo brindar mas y mejores servicios. La Tv
Cable, no ha sido ajena a estos cambios y con el desarrollo de nuevas
tecnologías, hoy en día es posible brindar toda una gama de servicios
multimedia : Internet , televisión interactiva , web Tv , video on demand ,
video juegos, etc.
Los servicios descritos solo son posibles si contamos con redes
acondicionadas para tal fin, caracterizadas por ser del tipo bi-direccional y
que requieren de un análisis y diseño particulares respecto de las redes uni
direccionales que brindan solo el servicio de distribución de señales de
televisión convencional.
INTRODUCCIÓN ... 01
CAPITULO 1
GENERALIDADES ... 02
1.1 Tv por Cable ... 02
1.2 Cabecera ... 04
1.3 Red de planta externa .. ... 05
1.4 Red de abonado ... 09
1.5
Bi-direccionalidad de las redes ... 09
1.6 Anchos de banda ... 1 O
1.7
Ruido ... 14
1.8
Transmisión de señales de retorno ... 15
CAPITULO 11
INGENIERIA DE RED DE TV CABLE PARA OTROS SERVICIOS ... 17
2.1 Calidad en un sistema de Tv Cable ... 17
2.1.1 Parámetros de calidad de señales de bajada ( downstream) ... 18
2.1.2 Parámetros de calidad de señales de subida (upstream) ... 25
2.2 Arquitecturas de un sistema de Tv Cable ... 28
2.2.1 Redes tipo árbol (Tree and Branch ) ... 30
2.2.2 Redes híbrida fibra coaxial ( Hibrid Fiber Coax ) ... 32
VII
2.2.4 Redes ópticas pasivas ( Pasive Optical Network ) ... 35
2.3
Consideraciones de cabecera y red para brindar otros servicios ... 37
2.3.1 Determinación de la demanda del nuevo servicio ... .48
2.3.2 Análisis de cabecera ... 51
2.3.3 Adecuación de la red de planta externa ... 53
2.3.4 Parámetros de red para otros servicios ... 56
2.3.5 Modificación de la arquitectura de red para otros servicios ... 65
2.3.6 Calibración de la red de retorno en la nueva arquitectura ... 76
2.3.7 Consideraciones de confiabilidad y disponibilidad de la red ... 97
2.3.8 Modificaciones en la red combinatoria de cabecera ... 107
2.3.9 Análisis de la red de datos asociada a los otros servicios . ... 112
CAPITULO 111
APLICACIÓN A UNA RED DE TV CABLE ... 99
3.1
Dimensionamiento del sistema para brindar el servicio cable
modem ... 99
3.1.1 Características de señales downstream ... 100
3.1.2 Re-utilización de frecuencias ( narrowcast ) ... 102
3.1.3 Señales upstream y transmisión de señal de retorno ... 105
3.1.4 Simultaneidad de clientes y uso del ancho de banda ... 127
3.1.5 Consideraciones de línea de acometida a los clientes ... 134
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 145
Conclusiones ... 145
Recomendaciones ... 147
ANEXO A
ANEXO B
ANEXO C
INDICE DE GRAFICOS ... 149
INDICE DE TABLAS ... 154
GLOSARIO DE TERMINOS ... 157
ANEXO D
DOCUMENTOS TECNICOS DE FABRICANTES ... 176
INTRODUCCION
En el presente documento, centramos nuestra investigación en la
adaptación de una red de planta externa para brindar otros servicios,
analizando las diferentes arquitecturas de redes de_
TV Cable;
y
con fines
didácticos, evaluaremos el caso de adaptar una red tipo árbol (tree and
branch ) para brindar servicios de valor añadido , asegurando en el tiempo
la flexibilidad, confiabilidad
y
escalabilidad que permita incrementar nuestra
capacidad de atender a nuevos clientes o implementar otros servicios .
El trabajo aquí presentado se desarrolla en tres capítulos. El primer
capítulo tiene como objetivo realizar una descripción de un sistema de Tv
-Cable evaluando algunas características de bi-direccionalidad de las redes y
la transmisión de señales por la vía de retorno.
El segundo capítulo describe la ingeniería desarrollada para una red
de TV Cable para brindar servicios de valor agregado, considerando
parámetros de calidad, descripción de arquitecturas de red, análisis
y
modificaciones necesarias en cabecera y red de planta externa.
Finalmente, el último capítulo describe la aplicación práctica del
trabajo realizado, donde analizamos
y
dimensionamos los elementos en
1.1 Tv por Cable
Es un sistema de telecomunicaciones de banda ancha que permite brindar
servicios multimedia : video, voz y datos, para lo cual se soporta en una
infraestructura de red híbrida conformada por redes de fibra óptica y
coaxiales ( HFC ). El sistema de Tv Cable está conformada por tres partes
bien diferenciadas: cabecera, red externa y red de cliente , y su arquitectura
dependerá del tipo de servicios que deseamos brindar en nuestro sistema.
SISTEMA DE TELEVISION POR CABLE
CABECERA
�
RED HFC
�----··
..·---,
�---./
RED BIDIRECCIONAL
_______ ./
Gráfico n.
01.1: Sistema de Tv Cable
CLIENTES
�·
USUARIO ACTUAL.---t----PC
¡ ..
:.-d!I3
Así mismo, para tener una idea de la evolución de los sistemas de Tv en el
tiempo presentamos un listado cronológico con los diferentes tipos de
servicios de valor añadido.
1990 - 2003
� Anchos de banda hasta de 860 Mhz.
� VOD -Vídeo On Demand ( Video bajo demanda)
� Televisión Interactiva
� Canales Digitales
� Acceso a Internet , Telefonía y Transmisión de Datos
1980 - 1990
� Incremento en el número Canales de Televisión ( 550 Mhz)
� Inicios de la Televisión Digital
� N-VOD - Near Video On Demand - Televisión semi- interactiva
1970 - 1980
� Incremento en el número canales de Tv.
� PPV (Pagar para ver)
1970
� Sólo Canales de Televisión
Antes de 1940
1.2 Cabecera
Es el origen de todo sistema de Tv cable y es el lugar donde se reciben,
procesan y combinan todas las señales a distribuir a través de la red HFC a
todos los usuarios del servicio.
Cada una de las señales o servicios procesados en cabecera
requieren una preparación diferente antes de ser introducidas en el sistema ,
como lo muestra el diagrama siguiente:
�
L�
Receptores Satelitales...
EnlacesDigitales _ ___,..,_ Enlaces de
Fibra optica
·Otras Ciudades
CABECERA TV CABLE
¡ :�:/::
Pcocesadode Señales Monitoreo
y Control
Conversor Norma
Moduladores
Web TV
si���os
1 ·�
··
·
··_·
···_·
··
_ ___.
CableModem
Gráfico n.
01.2: Cabecera Tv Cable
Red Combinatoria
Retornos RF
5
En el caso de brindar otros servicios la combinación deberá de considerar
las señales de bajada (downstream ) y subida (upstream) con la adecuación
de niveles de bajada de RF para alimentar a los equipos de red y
adecuación de niveles de RF de subida para alimentar a sistemas instalados
en cabecera para otros servicios.
1.3 Red de planta externa
Es la encargada de transportar la señal desde la cabecera hasta la red de
usuario final y comprende la red trocal y la red de distribución. La línea de
división entre los dos tipos de redes depende de la arquitectura de red y la
penetración de fibra existente en la red. Podemos clasificarla de la sgte
forma:
Por su arqitectura
- Red tipo árbol-rama coaxial o híbrida ( Tree and Branch )
B
l.\ · < ---/ >
Coa�
Coaxial
Distribución
' . -o-o-C>-g-o-t>--¿7
. -· Line_JL
Ó
:
.. ----Extenders .
: o-O :
-
t --_-- -·
--Jf---�---:w
Tap 1 A+ B < 10 km 1Gráfico n.º 1.3 : Red Arbol - Rama Coaxial
Rx. Óptico
RED HIBRIDA FIBRA COAXIAL
Cabecera
Rx. Óptico
Distribución ¡ --[>-�-{>--�--- ¡ : Line
--..)-0
G :
: Extender
Ó :
:
'-
•
:
�·
1
---: . Taps : '
· ---·�"ta
7
-
Red hacia al area de servicio
( FSA ): Es la evolución siguiente de
la red arbol-rama para lo cual utiliza una mayor infraestructura de fibra óptica
, reduciendo el número de casas pasadas por nodo o area de servicio.
FIBRA AL AREA DE SERVICIO ( FSA )
Gráfico
n.
01.5
:
Fibra
al area de
servicio
-
Red Optica Pasiva (
PON o FTLA)
Distribución
: Line
�
-: Extender ---. '"'
:
___________________RED OPTICA PASIVA (PON)
Red coaxial pasiva
Red coaxial pasiva
Hub secundario
-�--@----Gráfico
n.º 1.6
:
Red óptica pasiva fibra
-
coaxial
Por su capacidad de transmisión
Red coaxial pasiva
- Red uní-direccional
La transmisión se realiza en un solo
sentido desde la cabecera hacia el usuario final.
9
1.4 Red de abonado
Comprende la red interna de cables coaxiales en la casa del cliente que
conecta a televisores , computadoras, teléfonos, decodificadores o cualquier
equipo que permita el acceso a cualquier servicio multimedia.
cal:Ae de ra:l
p::,ste divi&r 3 vias
·
Gráfico n.
01.7: Red de abonado
1.5 Bi-direccionalidad de las redes de Tv Cable
1.6 Anchos de banda de un sistema de Tv Cable
Canal de bajada :
Ancho de banda de redes en el canal de bajada ( downstream )
>-" Redes de 550 Mhz
>-" Redes de 750 Mhz
>-" Redes de 860 Mhz
Deseamos calcular el ancho de banda que disponemos, para brindar una
determinada cantidad de canales, en tal sentido, consideramos que una red
de 750 Mhz.
750 Mhz - 46 Mhz =
108-88
=
120 -108
=
704 Mhz
20 Mhz
12 Mhz
Ancho de banda disponible
Banda de radio FM
Frecuencias Restringidas
Otras Restricciones =
X Mhz
( Portadoras otros sevicios )
704 Mhz -
20 - 12 -
X
=
672 Mhz -
X
Entonces, el ancho de banda disponible para ser utilizado en una red de
cable de 750 Mhz será de ( 672 Mhz -
X ) .
Video Analógico :
>-" 77 Canales de TV análogos @ 6 MHz cada uno
>-" 77 x 6
=
462 MHz
>-" 672 MHz - 462
=
21 O MHz
Transporte Digital
"Canales" de Video Digital en 6 MHz de ancho
El ratio de data depende de las técnicas de modulación a usar
� QAM - 64 = 36 Mbps ( 6 x 6 Mhz ) - ideal
� QAM - 64 = 27 Mbps - real
� QAM - 256 = 48 Mbps ( 8 x 6 Mhz ) - ideal
� QAM - 256 = 38 Mbps -real
El ratio de data, determina la "Capacidad" del canal.
Considerando que tenemos disponible un aproximado de 200 Mhz :
200 MHz/ 6
=
33 Canales QAM ( digitales)
� 33 QAM - 64 QAM =
� 33 QAM - 256 QAM =
891 Mbps real
1254 Mbps real
11
<
e:
(1) o6 MHz Canal de Televisión
QAM - 16 QAM -64 QAM - 256
6 MHz Ancho Canal digital e: c.
Gráfico n.º 1.8 : Portadoras análogas y digitales
Canal de Subida o Retorno ( Upstream )
Ancho de Banda del canal de retorno
Sub-Split Tradicional
Retorno: 5 a 30 MHz Sin uso
25 MHz Ancho de banda 30 a 46 MHz
Nuevo Sub-Split
Retorno : 5 a 40 MHz 35 MHz Ancho de banda
Internacional o Brit-Split
Retorno: 5a 50 MHz
45 MHz Ancho de banda
Canal Descendente
46 MHz hacia arriba
Canal Descendente
54 MHz hacia arriba
Sin uso Canal Descendente 50 a
70.MHZ' 70 MHz hacia arribe:
13
Para nuestro caso utilizamos el ancho de banda tradicional de retorno de 5
Mhz hasta 30 Mhz y el ancho de banda del canal descendente comienza a
partir de la frecuencia de 46 Mhz . La banda entre 30 y 46 Mhz representa
una banda de guarda para dividir los dos canales de comunicación de la red.
A
continuación
se detalla el plan de frecuencias
del canal de retorno
PLAN DE FRECUENCIAS - CANAL DE RETORNO RED CATV
�-�
·->
0.0.
w
e
z
�
o
w eno
e
eno
:::,
�
� <(o
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'
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....
N M -.:t' lt') <D r- Cl0 O).... ....
....
N....
M....
-.:t'....
lt') <D....
....
r- Cl0....
O)....
....
N M -.:t' lt') <D r- Cl0 O)N N N N N N N N N
o o o N M o
Gráfico n.
01.1 O
Plan de frecuencias canal de retorno
Del gráfico observamos que para una red con especificación de ancho de
banda de retorno de 30 Mhz , el ancho de banda efectivo utilizado va desde
los 7 Mhz hasta los 30 Mhz inclusive . La banda de O a 7 Mhz es muy
ruidosa y queda descartado su uso como canal de comunicación para
nuevos servicios. En la práctica, usualmente la banda con menos problemas
de ruido ( mas limpias ) y que reúne las condiciones óptimas para trabajar
como canal de comunicación es la banda por encima de los 20 Mhz.
1.7 Ruido
Es la combinación de todo tipo de señales aleatorias e imprevisibles del tipo
eléctrico originadas dentro o fuera del sistema y que afectan el canal de
televisión de bajada y el canal de subida o retorno. A continuación se
describen las fuentes de ruido en una red de Tv Cable.
Empalme reflectivo
Clipping del Láser(distorsiones) Reflexiones optlcas y
Conectores sucios
Cable daftado
r
debido a un In-apropiado loopde expansión
Tap no terminado, conxlones flojas
Distorsión de camino-común debido a conectores corroldos o flojos
INGRESO:
Portadoras lnterferentes TX. de banda ciudadana
Tx. de onda corta Beepers Motores, etc.
Gráfico n.º 1.11: Contribución de ruido de retorno de una red Tv Cable
En un sistema de Tv Cable el ruido puede generarse debido a varios
factores entre los que podemos destacar
ruido térmico en los
amplificadores coaxiales , ruido térmico y distorsiones de los equipos
ópticos, transmisiones de radio absorbidas por la red coaxial ( onda corta y
banda ciudadana ) y a través de la red de usuario y acometida. A
Taps Ilegales
Cable con Cable roto pobre enmallado o dai\ado
Ingreso de Ruido Impulsivo e Interferencias Inductivas
Gráfico n.
01.12: Fuentes de ruido de retorno de acometida
1.8 Transmisión de señales de retorno.
15
La habilitación de la comunicación del canal de retorno en una red de Tv
cable, pasa por identificar las necesidades que tiene el operador de cable
para dar uso a dicho canal para brindar servicios de valor añadido y mejorar
los niveles de confiabilidad de la red, mediante el monitoreo de los
elementos de red a través de un sistema centralizado en cabecera.
La decisión de brindar otros servicios, requiere la calibración y
balanceo de la red de retorno de tal forma de llegar idealmente con un
mismo nivel de señal desde cualquier punto de la red de usuario .
Usualmente se establece un rango de nivel de llegada a la cabecera, donde
se realiza el acondicionamiento requerido a través de un arreglo
combinatorio para alimentar a los equipos que procesan la información de
Así mismo, deberá de realizarse los ajustes necesarios en la red y los
cambios de elementos que sean requeridos , modificación en la arquitectura
de la red que permita reducir la cantidad de hogares pasados por nodo.
También es recomendable la instalación de filtros pasa banda en las bocas
de los taps que no solicitan los servicios que requieren señal de retorno .
Esto último es de vital importancia ya que las estadísticas nos indican que el
70% del ruido presente en las redes de Tv Cable se originan en la red de
CAPITULO 11
INGENIERIA DE RED DE TV CABLE PARA OTROS SERVICIOS.
2.1
Calidad en un sistema de Tv Cable
El ruido es el elemento central y está presente en cada uno de los puntos del
sistema de Tv Cable
y
en la medida que logremos controlarlo nos permitirá
brindar servicios de alta calidad.
En el caso de
redes uni-direccionales
la calidad del servicio al
usuario final se mide, restando las contribuciones de ruido intrínseca a la
red y elementos activos instalados en la cabecera
En el caso de redes bi-direccionales además del ruido intrínseco de
red y elementos activos ,se suma la contribución de ruido de todos los
puntos de acceso de red : red de usuarios conectados al servicio, bornes de
taps libres
y
puntos de fuga de señal en la red; haciendo mas difícil su
tratamiento
y
posterior reducción, que permitan brindar servicios con alta
confiabilidad.
2.1.1
Parámetros de calidad de señales de directa ( downstream)
C/N : Relación Portadora a Ruido ( Carrier to Noise
)
Permite medir la calidad de una señal y establece la relación entre el nivel de
señal de una portadora y el piso de ruido adyacente a la portadora. Entre los
elementos generadores de ruido tenemos : ruido térmico, electromagnético,
electrostático, galvánico, etc.
Según la FCC , el valor mínimo que asegura una buena calidad de
señal es mayor o igual a 43 dB . Si en el usuario final se tiene un valor por
debajo del valor indicado, comenzará a percibirse una imagen lluviosa.
Gráfico n.
02.1 : Señal con nivel C/N menor a 43 dB
En el caso de las transmisiones análogas , para las redes coaxiales
utilizamos la relación Portadora a Ruido ( CNR - Carrier to Noise Ratio ) y
para las transmisiones ópticas usamos la relación Señal a Ruido ( SNR .
19
señal ( antes de la modulación o después de la detección de una portadora
modulada ) y el ruido presente en el espectro ocupado por la señal, cuando
ambos son medidos en un mismo punto en el sistema.
En el caso de
transmisiones digitales
utilizamos el parámetro Bit
Error-Rate (BER) , que expresa la relación entre los bits errados durante la
transmisión y la totalidad de bits transmitidos. Para transmisión de
portadoras digitales se deberá respetar que para una modulación de 64
QAM la portadora digital deberá de tener un nivel 1 O dB por debajo de las
demás portadoras análogas y para una modulación de 256 QAM la
portadora digital tendrá un nivel de 6 dB .
Relación Portadora a Ruido ( CNR o C/N )
El valor de C/N a la salida de un amplificador simple cuando la figura de
ruido (NF) es conocida :
CNsanda = Salida - ( - 59 + NF + G )
CNsalida = Entrada - ( -59 + NF )
Para sumar elementos con iguales valores de C/N :
CNsistema = CNo -1010910 N
Para sumar elementos con diferentes valores de C/N:
e/Nsist
ema = eNs
=
Relación Señal a Ruido del Sistema
Relación C/N versus Ancho de Banda
.6
e/N =
10 10910 ( Ancho Banda
REF /Ancho Banda
NUEVO)N
=
Número de amplificadores en Cascada
NF
=
Figura de Ruido
G
= Ganancia
-59 dBmv
= Ruido Térmico a 4 MHz de Ancho de Banda
Nota:
- El C/N de un amplificador mejora en 1 dB por cada dB de incremento en la
señal de entrada.
- El valor total de C/N sufre una degradación en 3 dB cada vez que se
duplica el número de amplificadores con igual C/N.
CSO
:
Componentes de Segundo Orden
(
Composite Second Order)
El valor eso a la salida de un amplificador operando a un nivel determinado:
eso
=
eSO
ret- 1 ( Nivel Salida - Nivel Referencia ).
Para sumar relaciones iguales de eso
CSOs = eso - 1010910 N
CSOs = -
1510910 [1 o(-CS01/15)+
1 o<- CS02/15)+ ... +
1 o<-CSON/15)]eso
versus Cantidad Canales
6 eso=
10 10910 (N
ºBatidos REF/
N
ºBatidos
NUEVO)
CSOs = Componentes de Segundo Orden ( valor positivo )
Nota:
21
- El
eso de un amplificador mejora en 1 dB por cada dB reducido en la
señal de entrada.
CTB : Componentes de Triple Batido ( Composite Triple Beat)
El valor CTB a la salida de un amplificador operando a un nivel determinado:
CTB = CTB
ref- 2 ( Nivel Salida - Nivel Referencia ).
Para sumar relaciones iguales de CTB
CTBs = CTB -
2010910N
Para sumar relaciones diferentes de CTB:
CTBs
=-
2010910 [1 o(-CTB1/20)+
1 o<- CTB2/20)+ ... +
1 o<-CTBN/20)]CTB versus Cantidad Canales
CTBs = Componentes de Triple Batido ( valor positivo )
Nota:
- El CTB de un amplificador mejora en 2 dB por cada dB reducido en la señal
de entrada.
- El valor total de CTB se degrada en 6 dB cada vez que se duplica el
número de amplificadores con igual CTB
.
Según la FCC
,
el
valor mínimo
que
asegura una buena calidad de
señal sin la presencia de distorsiones es
51
dB tanto para el CSO
y
CTB
.
Si en el usuario final se tiene un valor por debajo del valor indicado,
comenzará a percibir la presencia de ondulaciones y líneas horizontales en
Batidos de Inter1nodulación
. ' .. . • • ,,;."'.ll.� -�
23
X-Mod : Modulación Cruzada (Cross Modulation)
El
valor XM a la salida de un amplificador operando a un nivel determinado :
XM = XM
ref- 2 ( Nivel Salida - Nivel Referencia ).
Para sumar relaciones iguales de XM :
XMs = XM - 2010910 N
Para sumar relaciones diferentes de XM
XMs
= - 2010910 [1
o<-XM1/20)+ 1
o<- XM2/20)+ ... +
1
o<-XMN/20)]XM versus Cantidad Canales
6
XM
= 20 10910 ( (Cant. Canales
REF -1 )/( Cant. Canales
NUEVO -1 ))
XMs = Modulación Cruzada del Sistema ( valor positivo )
XM
= Distorsión de Modulación Cruzada
Nota:
- El XM de un amplificador mejora en 2 dB por cada dB reducido en la señal
de entrada.
- El valor total de XM se degrada en 6 dB cada vez que se duplica el número
IVIodulación Cruzada
Gráfico n.
02.3
:
Presencia de
Modulación Cruzada
Zumbido
Para sumar relaciones iguales de C/H :
C/Hs
=C/H - 2010910 N
Para sumar relaciones diferentes de C/H
:
C/Hs = - 2010910 [1
o(-C/H1/20)+
1
o<- C/H2/20)+ ... +
1
o(-C/HN/20)]Para convertir
% Hum a C/H
C/H
=- 2010910 [%Hum/100]
Para convertir C/H a %Hum
%Hum
=100 (10 (-C/H/20))
lVIodulación Zumbido (Hum)
Leve
_.,,.,..,,._ • .An.'.l-' ...
.
-__ - -
--... � r-·.::� �.
- �f.lt'!:\��� ·- � - .
-Fuerte
Gráfico
n.
02.4
:
Presencia
de
Modulación Zumbido
(Hum).
2.1.2 Parámetros de calidad de señales de retorno (upstream)
25
Contribución de ruido en un sistema bi-direccional
:
Para
las señales
de directa, la contribución máxima de ruido está dada por la cascada mas
larga de amplificadores, sin embargo para la señales de retorno la
contribución de ruido esta dada por la suma de ruido de todos los
amplificadores de la red que se agrupan en un mismo punto, los cuales y
dependiendo de la arquitectura de la red serán agrupadas de diferente forma
para ser transmitidas a cabecera.
Para efectos prácticos consideramos una red una red del tipo tree and
branch ( Trunk -Feeder ) con las siguientes características
Cabecer
Red de Arbol y Ramas
Bi-direccional
Cab� Troncal
Bi-direccional.. • / otl �
[>-[>-[>-[>-{>-[>-�----3
Line
�!
1
?xtenders
-��-o-o
Gráfico n.
02.5: Red Arbol y Ramas ( Tree and Branch)
Amplificadores troncales :
Amplificadores de retorno :
250
N
ºamplificadores de la cascada mayor :
26
Amplificadores de distribución:
Amplificadores de retorno :
1250
N
ºamplificadores de la cascada mayor :
03
27
Una relación aproximada para obtener una cascada de amplificadores
equivalentes C
eq. la cual nos servirá para calcular las contribuciones de
ruido de los amplificadores de la señal de directa y de los amplificadores de
la señal de retorno:
C
eq= (
N
x
M
)
½... ( a )
C
eq= Cascada equivalente de amplificadores
N
= Número total de amplificadores en la red.
M
= Número total de amplificadores en cascada.
Con los datos de la red troncal y distribución y haciendo uso de la fórmula (a)
, obtenemos la cascada equivalente, que nos servirá para cálculos de
retorno posteriores . Así tenemos :
Ceq troncal
C
eq distribución
= ( 250
X26)
½= ( 1250 X 3 ) ½.
= 81
Ahora, podremos determinar los niveles de entrada mínimos requeridos para
cumplir con la exigencia de calidad de la red para otros servicios. Utilizamos
la relación Portadora a Ruido y despejamos la variable de nivel de entrada
CNsistema = CNo -1010910 N
CNsistema = Entrada - ( -59 + NF ) -1010910 N
Entrada = NF + CNsistema +1010910 N - 59
Donde
NF
=
CNsist =
N
=
Figura de Ruido del amplificador ( dato)
CN del sistema ( dado por el diseñador)
Ceq.
En forma similar se podrán hallar los otros parámetros como la Modulación
Cruzada en orden de importancia. Las condiciones deberán de ser dadas
por el diseñador del sistema.
2.2
Arquitecturas de un sistema de TV Cable
Las redes iniciales tuvieron una arquitectura Tree and Branch, donde las
señales se originaban en la cabecera y se distribuían a los usuarios a través
de troncales principales (trees ), sub-troncales (branches) , y Line Extenders
(twings). Esta arquitectura requiere una gran numero de amplificadores para
amplificar en cascada la señal a los niveles requeridos en las áreas de
cobertura
..
Así mismo, es afectada por la introducción de ruido y distorsiones
asociadas con los amplificadores que tienen efecto directo sobre la
29
En 1988, se introduce la fibra óptica como medio de transmisión y se
realizan mejoras significativas en la arquitectura y calidad de las redes de Tv
Cable. Apareció la arquitectura Trocal de Fibra (Fiber Backbone - FBB) ,
montada sobre las redes Tree and Branch mejorando su performance,
reduciendo las cascadas de amplificadores, incrementando la confiabilidad,
segmentación de la red en partes mas pequeñas que permitieron brindar
servicios dirigidos y mejorar la calidad del retorno. El cambio a una red HFC
( Hybrid Fiber Coax ) si bien mejora la penetración de fibra hacia el usuario,
se sigue manteniendo la arquitectura Tree and Branch para los tramos
finales del nodo a los usuarios.
En la última década, las redes han migrado de Tree and Branch, a
una FBB ( Fiber Backbone) y a diversas variantes sobre plataformas híbridas
HFC. El tamaño de los nodos se han ido reduciendo de entre 5,000 y
20,000 , hasta 500 , 250 y 150 hogares por nodo. Esta transformación se
debió gracias al avance en la estructura tecnología / costo. El balance entre
el costo y la capacidad de servicios para 500 hogares por nodo mejoran la
confiabilidad del usuario final y también, en un eventual incremento de
usuarios y requerimiento de otros servicios, la plataforma del sistema
permite ser migrada a nodos de menor tamaño.
Hoy en día, al diseñar una red, se espera que tenga una estrategia de
migración, pocos elementos activos, alta confiabilidad, cascadas cortas y
bajos costos de mantenimiento y operación , con un capital de inversión
En resumen, la mayor preocupación al diseñar es la confiabilidad que
permita soportar video análogo y digital , datos de alta velocidad, telefonía,
seguridad , etc. Lo único cierto es que los clientes demandarán el mas alto
nivel de calidad y confiabilidad para lo cual debemos de mejorar la
disponibilidad de la red, que significa minimizar la posibilidad de cortes de
señal. De esta forma, los usuarios seleccionarán entre los competidores a
quien le ofrece un servicio que exceda sus expectativas.
2.2.1
Redes tipo árbol (Tree and Branch
)
Es un método eficaz y económico para distribuir la información de un punto
(cabecera) hacia puntos múltiples (abonados). Consta de tres niveles de
instalación de cables.
El primer nivel
es la línea troncal. Generalmente es un cable coaxial
de gran diámetro de valor 0,750 (3/4"). Este tipo de cable presenta una baja
atenuación ( 3,5 dB / 100 mt ) y típicamente es el elegido para el tendido de
troncales (Trunking). Sin embargo, es costoso en términos de costo/longitud
y costo de los conectores.
El
segundo nivel
es el cable de distribución. En general, 0,500 (1/2")
de diámetro y con una atenuación de 5.09 dB/100 mt. Es usado en la porción
de red donde se utilizan dispositivos de derivación (Taps) los que
suministran señal a los usuarios. La relación entre la red de distribución y la
red troncal es : 4 Km de cable distribución = 1 .6 km de cable troncal. Los
31
El tercer nivel son los cables de directa que transportan la señal
desde el tap hasta el abonado. Típicamente se emplean tres tipos de cables:
RG-59
aprox 6.2 mm de diámetro ( 18,77 dB/100mt)
RG-6
RG-11
aprox 7.7 mm de diámetro ( 15,26 dB/100mt)
aprox 10 mm de diámetro ( 9,88 dB/100mt)
Los cables de mayor diámetro se utilizan a medida que aumentan las
distancias entre el tap y el hogar del abonado, debido a su menor
atenuación.
Podemos concluir que la arquitectura de árbol y ramas, es un método
económico para la distribución de señales, sin embargo, su uso es limitado
debido a problemas que se presentan en la señal de retorno cuando
requerimos brindar otros servicios, debido al ruido excesivo generado por la
gran cantidad de elementos activos y usuarios conectados.
Los amplificadores troncales tienen ganancia entre 22 y 31 dB
Las cascadas constan de 2 a 30 amplificadores troncales,
consiguiendo hasta 25 Km de alcance, los cuales dependerán del diseño y
ancho de banda de la red.
Las cascadas de los extensores de línea usualmente tienen un
RED
ARBOL - RAMA COAXIAL ( Tree
and Branch)
B
/,\ <--- >
:
Coaxial
1 / �
1 1
A!
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 'VDistribución
1 A+B<25km 1
Coaxial
Gráfico n.
02.6 : Red Arbol
y
Ramas ( Tree and Branch )
2.2.2 HFC - Red Troncal Principal de Fibra ( FBB )
La red Híbrida de Fibra Coaxial - HFC , es un nombre genérico que describe
conceptos de diseño de red coaxial - red óptica,
y
cualquier variación de
diseño que utilice fibras ópticas
y
cables coaxiales adoptan estas siglas. El
diseño de toda red comienza con un concepto de diseño de troncal principal
de fibra (FBB) y probablemente termine con fibra hasta el hogar
dependiendo de los niveles de penetración de los servicios.
El objetivo central de la migración a este tipo de red, es reducir las
.'
33
del canal de retorno debido a la segmentación de red , sin embargo, el
incorporar fibra en esta configuración no mejora la calidad de señal y hasta
el troncal número 15 la calidad del enlace óptico es inferior a la de una red
troncal . Se diferencian tres capas , ver gráfico 2.7
Troncal de fibra desde la cabecera a los nodos ( Rx Optico )
Troncal coaxial desde los nodos ( Rx Optico ) hacia las salidas del
amplificador de distribución ( bridger ).
Distribución coaxial desde el amplificador al abonado.
Fibra Opt:. L
Rx. Óptico
RED HIBRIDA FIBRA COAXIAL
Rx. Óptico
Distribución
.�:
' 1
: Une
r
:
1
----.. '
: Extender
Ó
¡:
�:
1
---! __________
Taps _____________ '., .2.2.3 Fibra hacia el Area de Servicio
(
FSA
-
Fiber to the Service Area
)
Es la evolución siguiente de la red HFC árbol-rama que tiene una mayor
infraestructura de fibra óptica , reduciendo el número de casas pasadas por
nodo o área de servicio.
Se caracterizan por elegir áreas, entre 500 y 2000 hogares pasados y
a cada una llegan como mínimo dos fibras ( directa y retorno ). Estas fibras
llegan a un nodo óptico a partir del cual la distribución es por cable coaxial,
del tipo estrella y puede llevar hasta 5 amplificadores en cascada. ( El
número de amplificadores queda determinada por el diseñador de la red )
La calidad de señal a la salida de cada nodo se califica como muy
buena, es casi como trasladar la cabecera a cada nodo. Permite mas
capacidad de canales, amplia la zona de cobertura, admite mas canales de
retorno, permite brindar servicios interactivos y mayor confiabilidad. Las
desventajas son: mayores costos de construcción y mantenimiento.
En el gráfico 2.8, podemos observar la configuración FSA para
atención de 09 nodos o áreas entre 500 y 2000 hogares pasados. El tamaño
de los nodos se determina en función al nivel socio-económico, a la
penetración del servicio de Tv y nuevos servicios que se brinden en un futuro
FIBRA AL AREA DE SERVICIO ( FSA)
Fibra Optica
Gráfico n.º 2.8: Fibra al Area de servicio (FSA)
Distribución
2.2.4 Redes ópticas pasivas ( PON - Pasive Optical Network )
35
También denominada fibra al útlimo activo y permite mejorar la confiabilidad
de los servicios eliminando todos los elementos activos . La planta externa
coaxial es totalmente pasiva. Se caracteriza por la alta penetración de fibra
óptica en la red disminuyendo aún mas la cantidad de hogares pasados por
nodo.
La red se basa en un sistema rico en fibra que utiliza transmisores
totalmente pasiva. Cada una de las salidas del cable coaxial del nodo, se
distribuye a cada porción de hogares.
El PON es más eficaz en áreas de alta densidad donde la mayor
pérdida
se produce en componentes pasivos que activos. Ver gráfico 2.9
.
El diseño nos asegura una mayor confiabilidad, reduce el número de
fallas en comparación con el diseño de redes con múltiples amplificadores.
El aspecto mas valioso es la solidez que presenta para la comunicación en
ambas direcciones.
Los
nodos pueden tener entre 50
y 150
hogares
.
RED OPTICA PASIVA (PON)
Red coaxial pasiva
Red coaxial pasiva
Fibra Optica
Fibra Optica
______
,'/____
....,
Cabecera
Red coaxial pasival
....
37
2.3
Consideraciones de cabecera y red para brindar otros servicios
.
La decisión de brindar nuevos servicios y aplicaciones a través de una red
de cable nos lleva a conseguir una red con mayor ancho de banda
,particularmente en el canal de retorno, de tal forma que, las decisiones que
deberán de tomar los diseñadores, operadores y proveedores de servicio de
banda ancha pasan por la elección adecuada de la arquitectura de red ideal
para el nuevo y los futuros servicios que se implementen.
El Canal de Retorno
(
Upstream
) :
El primer paso en decidir que dirección debemos tomar para cumplir con los
requerimientos del canal de retorno es saber las demandas actuales y
futuras del ancho de banda, desarrollando modelos de tráfico para los
servicios que deseamos brindar. Los modelos de tráfico nos aseguran que
brindaremos un servicio de alta calidad, minimizando los niveles de
contingencia y otros elementos que pudieran impactar los servicios. Una vez
que identificamos los requerimientos de ancho de banda por hogar pasado,
estaremos en capacidad de calcular el número de hogares pasados que
atenderemos en el canal de retorno de 5 a 42 Mhz.
En el re-diseño de redes antiguas es importante conocer el número de
hogares pasados por nodo o por área de servicio, la cual se asocia a los
¿Donde procesar el tráfico del Canal de Retorno ?
Hoy en día el uso de las centrales secundarias ( hubs ) , constituyen una
importante alternativa para expandir en forma confiable la cobertura de los
sistemas de Tv cable con nuevos servicios. Los hubs antiguos, eran de gran
tamaño con una gran cantidad de elementos activos y hogares pasados que
superaban los 10,000 en una configuración arbol-rama. Esta configuración
limitaba el desarrollo servicios por la baja confiabilidad y excesivo ruido.
Actualmente, los nuevos servicios del tipo interactivo que necesitan tráfico
de retorno, están localizados en estos hubs ( Ejm : CMTS , procesadores
moduladores de video digital, etc. ) , bajo un esquema descentralizado, cuyo
primer efecto es, el incremento de la confiabilidad.
También, se cuentan con sistemas del tipo DWDM y equipos de
Retorno Digital, los cuales han sido instalados en los hubs para llevar la
señal de regreso a la cabecera para el procesamiento de la señal de retorno.
Estas tecnologías han permitido reducir la cantidad de fibra óptica requerida.
Esta opción nos permite centralizar los equipos y las actividades de
operación en cabecera permitiendo reducir costos.
El uso del DWDM permite maximizar la capacidad de transmisión de
la fibra . Los hubs se convierten en puntos de combinación de retornos
pasiva, los cuales de acuerdo al dimensionamiento de hogares pasados por
retorno, son transmitidos a cabecera a través del sistema DWDM ( una sola
fibra óptica con diferentes longitudes de onda multiplexadas alrededeor de
1550 nm ) . En cabecera, el de-multiplexor DWDM permite obtener la señal
39
Segmentar o no Segmentar
Deberá definirse el tamaño del nodo aproximado considerando la mejor
relación costo-beneficio, confiabilidad y escalabilidad, que nos permita contar
con el mayor ancho de banda disponible para los clientes ahora y atender
requerimientos futuros .
En el caso de amplificadores troncales actualmente instalados, pueden ser
segmentados instalando los nodos ópticos de 04 salidas y dar continuidad a
la red de directa. Así mismo, las señales de retorno serán procesadas de
manera independiente y combinadas en el nodo para ser transmitidas hacia
el hub a través de una fibra. Este concepto permite reducir la cantidad de
hogares pasados en el retorno y son necesarias instalar 02 fibras desde el
nodo óptico hacia el hub, para la directa y retorno.
El cambio anterior, puede ser mejorado en un futuro con un nodo
óptico de nueva generación, instalando una tarjeta con retorno digital en el
nodo, donde la señal de retorno antes de la combinación en el nodo, puede
ser transmitida hacia el hub, logrando separar los retornos y reducir aún mas
la cantidad de hogares pasados por retorno. Esta nueva opción, permite a
los operadores expandir el ancho de banda del canal de retorno por cliente
sin necesidad de fibras adicionales. Como ejemplo, los operadores pueden
pasar de una capacidad del canal de 5 a 42 Mhz de 1000 hogares pasados a
250 hogares pasados, usando la multiplexación digital de retorno de 4: 1
sobre la misma fibra e instalando un multiplexor en el nodo. Podemos
reservando fibras para futuras expansiones y atención de clientes
empresariales que necesitan enlaces dedicados.
Distancia entre el Nodo y el Hub :
La distancia entre los nodos y el hub , es vital para la selección de la
tecnología y un cuidado especial deberá tomarse para seleccionar un
transmisor óptico, que permita reducir el ruido de espureos bajo condiciones
de carga del láser. Para distancias cortas un láser FP ( Fabry Perot ) es una
buena alternativa, sin embargo, la inestabilidad con la temperatura, el alto
RIN
y efectos de ruido modal limitan la aplicación del láser FP por encima de
los 10 Km.
Para distancias ópticas largas, los láser DFB ( Distributed Feedback) y
tecnologías de reversa digital, son las mejores alternativas para estas
aplicaciones. Los lasers digitales pueden ser empleados hasta distancias
mayores a 100 km, antes de requerir amplificación. Estas aplicaciones son
de mayor costo que los lasers FP, sin embargo, la diferencia en costos se va
acortando particularmente en la solución digital.
Costos Involucrados :
La cabecera requiere inversiones de $ 3 000 dólares para instalación de
sistemas de medición de señal de retorno desde la red : equipos y
medidores de señal en cabecera. Elementos pasivos que separan los
caminos de directa y retorno requieren entre $15 y $20 dólares por
41
implican mejoras en amplificadores y filtros pasivos podría costar entre $300
y $800 dólares por amplificador. Elementos ópticos de upstream y
transmisores láser son necesarios en los nodos, con precios para los
transmisores de $1000 dólares y $500 dólares para los receptores.
Los operadores necesitan reemplazar divisores baratos instalados en
las acometidas con pasivos de mejor calidad , esto podría resultar en
demoras que incrementan el tiempo de instalación del nuevo servicio en el
lado del Cliente, considerando el reemplazo de estos pasivos e instalación
de los filtros de bloqueo de señal de retorno de los otros puntos de cable con
servicio de Tv. Así mismo, se deberá considerar un incremento del 50% del
personal para mantenimiento de los servicios de doble-vía , si queremos una
alta confiabilidad
Presión de la Competencia
La demanda del mercado local para los servicios de banda ancha
probablemente no está muy clara y hoy en día la penetración es del orden
del 10% , lo que nos hace pensar en la baja rentabilidad de los nuevos
servicios; sin embargo , mas allá de la comparación entre ingresos vs
inversión de capital , es necesario contar con nuevos servicios para ser
competitivos y crear una barrera de entrada frente al sistema DBS ( Direct
Broadcast Satellite ) y los nuevos servicios digitales existentes en el
mercado. También, habilitado el canal de retorno , esto nos da la facilidad de
poder desplegar una multiplicidad de servicios con lo cual los costos se
Desarrollo para Nuevos Servicios
Las redes de banda ancha moderna son diseñadas para soportar una
variedad de servicios. Una vez que el sistema ha sido balanceado o
calibrado, la señal de retorno deberá de ser distribuida a cada procesador
del nuevo servicio dentro de la cabecera. Esto involucra además de la
combinación y agrupación de retornos de señal, un valor adecuado de C/N
para cada receptor que asegure la mejor calidad del servicio.
Nivel de Señal de Retorno
El uso de cable modem, decodificadores de señal , dispositivos de telefonía
o equipamiento de monitoreo de red, como elementos de la red de retorno,
requiere una señal con niveles y requerimientos C/N específicos para el
funcionamiento apropiado de cada uno de ellos . La señal RF de salida del
receptor óptico, normalmente pasa por un divisor de 4 u 8 vías . El divisor
permite tener un puerto a través del cual cada servicio alimenta a su
respectivo receptor ( gráfico 2.1 O ) . Estos puertos proporcionan acceso a
CABE ERA
RETORNO
@[>
RX OPTICOI@ t>I
-
---...
_1 _,
.,, ..
-.-it-�-¡@E;¡ - __..,
Gráfico n.
02.10: División Señales de Retorno.
Telefonía Cable Modem
Decodificador
Telefonía Cable Modem
Decodificador
Telefonía Cable Modem
Decodificador
Telefonía Cable Modem
Decodificador
43
En algunos casos, las señales de retorno de varios nodos podrían
combinarse antes de ser enviadas al receptor de procesamiento del nuevo
servicio, permitiendo un uso efiiciente del receptor del servicios
( Ejm: CMTS para el cable modem ). Esta canfiguración también simplifica
la re-configuración del sistema cuando es necesario un incremento de la
capacidad del receptor y son necesarios nuevos receptores de
Gráfico
n.
02.11
:
Combinación Señales
de
Retorno.
Cuando se requiere realizar alguna atenuación, la señal puede ser reducida
usando atenuadores (pads), o se pueden realizar ajustes en la ganancia de
los receptores o dispositivos de planta externa. En el gráfico 2.12 , la
atenuación de señal es necesaria para el desarrollo de un servicio interactivo
( cable modem ), comenzando en el nodo para la correcta calibración de la
señal de retorno. Cuatro nodos en servicio son combinados en la cabecera.
Asumiendo una entrada de señal de 18 dBmV a la entrada del amplificador
de retorno en el nodo, obtenemos 35 dBmV de nivel de RF de salida del
receptor óptico en la cabecera. Para una correcta operación, el nivel de
d\Ftn ládllmV
L
1
�
@
:
----i
�
)
-
-
---lNode ��=;:
t x8 splltoor
Gráfico n.
02.12: Calibración de señal a la entrada del CMTS
45
Se puede notar en el gráfico 2.12, que a pesar de la atenuación de 11 dB
debido a la instalación del divisor de 8 vias y la atenuación de 7 dB por el
combinador de 4 vias, se requiere atenuar 17 dB adicionales, antes de la
inserción de señal al controlador cable modem
Para estos casos usualmente se utilizan equipos de administración de
niveles de señal ( en muchos casos los CMTS cuentan con opciones de
control de nivel de señal de entrada, que se auto-regulan con los cable
modems en los clientes
)
.
Esto permite un rápido ajuste
de los
parámetros
de fluctuación del sistema, reduciendo el tiempo de corte e incrementando la
C/N Peñormance :
Existen 3 fuentes primarias de ruido en el canal de retorno: térmico, enlaces
de fibra óptica y ruido aleatorio (ingress ). El
ruido térmico
es causado por
los componentes activos como amplificadores, por las fluctuaciones térmicas
en los dispositivos y se caracteriza por la figura de ruido (NF) del dispositivo.
El
ruido de los enlaces de fibra óptica provienen del transmisor, receptor y
la fibra misma . El
ruido aleatorio
es el mas difícil de controlar porque
usualmente es producido dentro de la casa de los clientes y puede ser
producido por malas conexiones, que permiten el ingreso de ruido de
equipos eléctricos del hogar : secadoras, lustradoras y fuentes de RF.
Desafortunadamente una vez presente el ruido en el canal de retorno,
no puede ser removido hasta que la fuente o punto de ingreso al sistema sea
identificada , aislada y corregida . El problema se complica cuando varios
retornos son combinadas en la cabecera antes de ser enviadas al
controlador. En este caso una ubicación estratégica de los puntos de
monitoreo dentro de la cabecera es nuestra primera línea de defensa.
Es importante contar con puntos de monitoreo cerca de la salida de
cada receptor óptico de cabecera y después de la combinación de la señal
( ver gráfico 2.13 ). Esto permite al operador aislar rápidamente el problema
de un nodo y tomar las acciones correctivas necesarias en la red, para aislar
el problema en la porción de red o inclusive en la acometida del cliente
donde se podría estar generando el problema. Es recomendable usar como
puntos de prueba las tomas de los combinadores y divisores insertados en la
47
evitando el manipuleo de los puntos de prueba de los equipos, y solo
utilizarlos cuando sea indispensable.
A«ual remrn � �al n'l(J;m1 red a t t$t poéht
Gráfico n.
02.13: Puntos de prueba de la señal de retorno.
Amplificación :
Algunos sistemas podrían requerir la instalación de amplificadores de retorno
además de combinadores y divisores. Los elementos pasivos pueden
atenuar la señal de directa y retorno haciendo necesaria la amplificación. Si
se requieren amplificadores, estos deberán tener puntos de prueba a la
entrada y salida , deberán ser modulares y con fuente redundante que
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Gráfico n.º 2.14: Arreglo combinatorio de upstream y downstream.
2.3.1 Determinación de la demanda del nuevo servicio.
Para determinar la demanda, identificamos el área donde brindaremos el
nuevo servicio y realizamos divisiones aproximadas para identificar los
niveles socio-económicos, densidad
de
hogares
,
condominios
,
edificios,
areas de la competencia
y
zonas "muertas" donde no se brindará
el
servicio
,
,considerando además los niveles de penetración del servicio.
Se determinará el costo-beneficio de adoptar una arquitectura de red
y tipo de nodos ópticos a instalarse, considerando factores de penetración
diferentes para cada nodo y que en algunos casos determinará la capacidad
49
cabecera que procesarán los requerimientos de los clientes de estas nuevas
áreas. ( ver gráfico 2.15)
Km
2
1
o
1
2
e HUBS POTENCIALES
Gráfico n.º 2.15 : Area de cobertura del nuevo servicio.
Km 20
10
o
10
20
20
18
-16
14
AREA
12 NO DESEADA
10
10 12 14 16 18 20
Se realizan evaluaciones de densidad de hogares por km , necesarios para
estimar los costos de construcción de red y retornos de capital
Densidad
--- Ruta de ramal o linea
250 mts.
14 viviendas
(puntos de servicio) a lo largo de una ruta de
250 Mts.
• 14/ 250
=
• 0.056
X1000
=
0.056 (viviendas por metro)
56
viviendas / Km.
Gráfico n.º 2.17: Análisis de densidad de hogares
- - - • • - • • - • • Ruta de ramal o Linea
mmmmm
250 mts.
