Impacto de la migración a DOCSIS 3 1 en las redes HFC

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica.. TRABAJO DE DIPLOMA Impacto de la migración a DOCSIS 3.1 en las redes HFC. Autor: Carlos Rasiel Tejeda Barnett. Tutor: MSc. David Beltrán Casanova. Consultante: Ing. Luís Armando Moreno Valiño.. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución.".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica.. TRABAJO DE DIPLOMA Impacto de la migración a DOCSIS 3.1 en las redes HFC.. Autor: Carlos Rasiel Tejeda Barnett. E-mail: ctejeda@uclv.cu. Tutor: MSc. David Beltrán Casanova. E-mail: beltran@uclv.edu.cu. Consultante: Ing. Luís Armando Moreno Valiño.. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución.".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “El futuro tiene muchos nombres. Para los débiles es lo inalcanzable. Para los temerosos, lo desconocido. Para los valientes es la oportunidad.” Víctor Hugo..

(5) ii. DEDICATORIA. Y llegó el momento de la dedicatoria, lo que significa que ya culminé la Universidad, por lo que muchos sueños se han hecho realidad; los míos, los de mis padres, mi hermana, los de mis amigos y los de muchos otros que me quieren bien. Por eso en esta dedicatoria deberían estar incluidos todos, mas sería muy extensa. Pero sin lugar a dudas quiero dedicarles este trabajo a las personas más importantes en mi vida, que sin ellas hubiera sido imposible llegar hasta el final del camino ellos son mi mamá, mi papá, mi hermana y mi sobrino. Para ellos todo mi amor..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. Agradecer siempre es difícil porque se te quedan personas sin mencionar, por eso en sentido general quiero ofrecer mi profundo agradecimiento a todas aquellas personas que de una forma u otra han colaborado para hacer posible la realización de este sueño, pero en especial:  A mis padres por ser el motor impulsor que me da fuerza para seguir adelante, por siempre poder encontrar en ellos el amor, la comprensión y total confianza para enfrentar los retos de la vida. Por su incondicional apoyo, por su fe ciega en mí.  A mi hermana por lo especial que es, por su confianza y amor.  A mi amigo Adrián por ser el mejor de los amigos, por su amistad incondicional y siempre estar presente para mí.  A todos los amigos especiales que aquí hice, les estoy muy agradecido por su amistad durante estos 5 años, por tantas experiencias vividas, por las fiestas, por todo lo que nos hizo feliz, nunca los olvidaré.  A Liseth y a su familia por todo el amor y apoyo que me dieron. . A mi tutor David Beltrán por brindarme su mano solidaria cuando más falta me hacía, por su sabiduría y gran apoyo durante este trabajo..  A mi tutor Armando Moreno por brindarme tantos conocimientos.  A los profesores por brindarme su conocimiento y comprensión.  A Juanita la secretaria por su incondicional colaboración y apoyo.  A Dios por haberme permitido este recorrido con ustedes y por siempre estar ahí para mí. A todos gracias….

(7) iv. RESUMEN. DOCSIS 3.1 es el nuevo estándar para la televisión por cable producido por la compañía CableLabs para operar en las redes HFC. Este estándar introduce un mayor ancho de banda, mayores razones de transmisión, modulaciones más elevadas y eficientes. El propósito de este trabajo de diploma es migrar hacia DOCSIS 3.1 una red HFC en la cual ya está implementado DOCSIS 3.0. Para ello se realiza una caracterización de este estándar en la redes HFC; mostrando su evolución y los principales logros alcanzados en cada versión. Se hace una caracterización de parámetros como CSO, CTB, XMOD que actúan sobre la parte a coaxial provocando la degradación de la señal en este tipo de redes. También se establecen los valores umbrales que deben tener estos para el cumplimiento de las especificaciones del nuevo estándar. Además se calculan los valores de los mismos en la red y se realizan mediciones en puntos determinantes; a partir de estos resultados se plantean las posibles modificaciones que deben realizarse en la red para poder migrar a DOCSIS 3.1..

(8) v TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii RESUMEN ............................................................................................................................iv INTRODUCCIÓN. ................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1. 1.1. Descripción del estándar DOCSIS en redes HFC. .................................... 5. Equipamiento básico del protocolo DOCSIS. .......................................................... 5. 1.1.1. Operación básica del protocolo DOCSIS. ........................................................ 8. 1.2. Evolución del estándar DOCSIS. ............................................................................. 9. 1.3. Plan de frecuencia en el canal de bajada y de subida en DOCSIS 3.1. ............... 17. 1.3.1.1. Espectro del CM en el canal de bajada. .......................................................... 17. 1.3.1.2. Espectro del CMTS en el canal bajada. ......................................................... 18. 1.3.2.1. Espectro del CM en el canal subida. ............................................................... 18. 1.3.2.2. Espectro del CMTS en el canal subida. .......................................................... 19. CAPÍTULO 2.. Características los parámetros que influyen en el desempeño de las redes. HFC………………. .............................................................................................................. 20 2.1. Características de la red HFC. ................................................................................ 20. 2.2. Parámetros que degradan la calidad de la señales en las redes HFC. .................... 23. 2.2.1. Ruido. .............................................................................................................. 23. 2.2.2. Distorsión armónica y de intermodulación. .................................................... 24. 2.2.2.1. Distorsión por Intermodulación de Segundo Orden Compuesto (CSO). .... 26. 2.2.2.2. Distorsión por Intermodulación de Tercer Orden Compuesto (CTB). ....... 27.

(9) vi 2.2.2.3. Distorsión de Itermodulación por Modulación Cruzada (XMOD). ............ 28. 2.2.2.4. Distorsión por Modulación de Zumbido (HUM). ....................................... 30. 2.2.3 2.3. Micro-reflexiones............................................................................................ 30. Métricas de la calidad en el usuario final. ............................................................. 31. 2.3.1. Relación Portadora a Ruido (CNR). ............................................................... 32. 2.3.2. Tasa de Error de Modulación (MER). ............................................................ 33. CAPÍTULO 3.. Redimensionamiento de la red. ............................................................... 37. 3.1. Descripción de la red. ............................................................................................. 37. 3.2. Análisis de los resultados. ...................................................................................... 38. 3.3. Modificaciones necesarias en la red HFC para DOCSIS 3.1. ................................ 40. 3.3.1. Modificaciones en la parte óptica de la red HFC. ........................................... 41. 3.3.1.1. Equipos en la cabecera. ............................................................................... 41. 3.3.1.2. Línea de trasmisión óptica. ......................................................................... 42. 3.3.1.3. Nodo óptico. ................................................................................................ 42. 3.3.2. Modificaciones en la parte a coaxial de la red HFC. ...................................... 44. 3.3.2.1. Amplificadores. ........................................................................................... 44. 3.3.2.2. Conectores. .................................................................................................. 45. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 46 Conclusiones ..................................................................................................................... 46 Recomendaciones ............................................................................................................. 47 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 48 ANEXOS .............................................................................................................................. 50 Anexo I. Anexo II.. Estructura de la red HFC. ............................................................................... 50 Ficha técnica de los amplificadores 1, 2, 3 y 4. .......................................... 51.

(10) vii Anexo III. Comparación de parámetros en el canal de bajada entre DOCSIS 3.0 y DOCSIS 3.1. ..................................................................................................................... 52 Anexo IV. Características de trasmisor óptico. ................................................................ 53 Anexo V. Características del receptor de canal de retorno de 4 canales. ......................... 53 Anexo VI. Características del amplificador propuesto a utilizar en la red a coaxial. ....... 54 Anexo VII. Conector RG6. ............................................................................................... 55.

(11) 1 INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN. La conexión final hacia los usuarios en las redes de cable para la televisión e Internet en la actualidad representa un cuello de botella que dificulta las transmisiones a altas velocidades. En su mayoría estas redes están constituidas por fibra óptica y coaxial, ayudándose de amplificadores, convertidores ópticos, elementos pasivos y otros dispositivos que hacen posible el uso de esta tecnología, la cual se denomina red Hibrido de Fibra y Coaxial (Hybrid Fiber Coaxial, HFC). A partir del amplio uso que tienen estas redes y por lo eficiente que han llegado a ser se creó en 1997 el estándar denominado Especificación de Interfaz para Servicios de Datos sobre Cable (Data Over Cable Service Interface Specification, DOCSIS), con el objetivo de acelerarlas y hacer que cumplan con las expectativas de los consumidores. Además, este estándar especifica entre otros elementos la infraestructura completa de comunicación para conexiones IP, las diferentes capas y transmisiones de datos bidireccionales en la red de cable. DOCSIS ha evolucionado. desde su primera versión. DOCSIS 1.0 (1997) hasta la más actual DOCSIS 3.1 (2013), dando solución a todas las exigencias que en su momento constituían retos para este tipo de redes. Cuba no se queda atrás en cuanto a estas tecnologías y hace uso de este tipo de redes para el despliegue de la televisión por cable en algunos lugares con fines específicos. Redes de televisión por cable implementadas en el país soportan el estándar DOCSIS 3.0 que es el penúltimo en su generación, sin embargo, para lograr mayores razones de transmisión y un incremento del ancho de banda se hace necesario la migración hacia su versión más reciente DOCSIS 3.1, pudiendo cumplir con exigencias como el aumento de los usuarios, incremento de la tecnología de telefonía sobre IP, entre otras. Como el costo de la tecnología de punta siempre ha sido alto, el saber utilizar lo que se tiene y reemplazar solo lo necesario es fundamental para la migración hacia el nuevo estándar con el mínimo de costo. DOCSIS 3.1 actúa como un acelerador para las redes de cable, sus mejoras técnicas permiten a los operadores de esta rama perfeccionar significativamente el rendimiento de sus redes en el enlace descendente y ascendente sin tener que realizar costosas modificaciones en la infraestructura de las redes HFC. Al existir un aumento progresivo de la demanda de ancho.

(12) 2 INTRODUCCIÓN. de banda y mayor Calidad de Servicio (Quality of Service, QoS), este estándar puede considerarse como un impulsor para los operadores de cable que afrontan una dura competencia con los proveedores de servicios de redes de Evolución a Largo Plazo (Long Term Evolution, LTE), así como los que proveen Internet por Línea de Suscripción Digital (Digital Subscriber Line, DSL). En cuanto a economía, el estándar ha alcanzado puntos a su favor, dado que hace un uso del espectro de manera más eficiente; debido al empleo de técnicas de modulación como la Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) y la Modulación de Amplitud en Cuadratura (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) con constelaciones más elevadas como 2048-QAM o 4096-QAM, por lo que se transfiere más bits con el mismo ancho de banda; y ante todo los operadores pueden mantener su infraestructura de última milla prácticamente invariable, alcanzando velocidades de transmisión que eran imposibles lograr con las versiones anteriores. Lo que proporciona un considerable ahorro monetario al poder lograr todo lo anterior con pequeños cambios y sin la necesidad de arrendar más espacio del espectro. Sin embargo, ningún tipo de red por eficiente que sea deja de estar expuesta al ruido, a las interferencias o a todos los procesos naturales, inherentes de los medios de transmisión utilizados, que afectan en mayor o menor medida la entrega de la señal al usuario final. De todos estos posibles parámetros que dañan la calidad de la transmisión son importantes considerar algunos como la distorsión por Intermodulación de Segundo Orden Compuesto (Composite Second Order, CSO), la distorsión por Intermodulación de Tercer Orden Compuesto (Composite Triple Beat, CTB), la distorsión por Modulación Cruzada (Cross Modulation, XMOD), la distorsión por Modulación de Zumbido (HUM) y las microreflexiones; que según los diferentes estándares deben cumplir con valores umbrales para proveer una buena entrega de la señal. Además al final de la red se deben obtener niveles de señal tales que permitan una adecuada recepción, por lo que el parámetro Razón Portadora a Ruido (Carrier-to-Noise Ratio, CNR), también debe estar asegurado en los usuarios finales. Estos parámetros están bien controlados en la red implementada, pero al tener que realizar cambios en la red para poder migrar se hace necesario que los mismos sean corregidos a partir de las especificaciones que trae la nueva versión de DOCSIS..

(13) 3 INTRODUCCIÓN. A nivel internacional se habla de la importancia del estándar DOCSIS 3.1 y las ventajas que introduce a las redes de cable, sin embrago no está muy debatido el hecho de la migración de una red que opera bajo DOCSIS 3.0 hacia DOCSIS 3.1 por lo que en función de esto se plantea el siguiente problema científico: ¿Cómo migrar una red HFC que está implementada con DOCSIS 3.0 a DOCSIS 3.1? Para dar solución al problema de la investigación, se plantea como objetivo general:  Caracterizar redes HFC en su migración al estándar DOCSIS 3.1. Para dar cumplimiento al objetivo general se plantean los siguientes objetivos específicos:  Describir el estándar DOCSIS en redes HFC.  Caracterizar los parámetros que influyen en el desempeño de las redes HFC.  Redimensionar la red para la migración al estándar DOCSIS 3.1. Con este proyecto se pretende contribuir al desarrollo de la televisión por cable de una manera eficiente, a través del uso del estándar DOCSIS 3.1 como tecnología de avanzada, con el mínimo de cambios posibles en la red HFC ya existente. Con la migración hacia el nuevo estándar se lograría un mayor aprovechamiento del espectro, logrando un ancho de banda en el canal descendente y ascendente de hasta 192 MHz y 96 MHz respectivamente; y razones de trasmisión de 10 Gbps y 1 Gbps respectivamente. El análisis de los elementos que degradan el rendimiento de las redes HFC principalmente en la parte a coaxial y los posibles cambios que se pudieran introducir para mejorar los efectos perjudiciales que estos elementos provocan, proporcionarían soluciones económicas para la migración hacia el nuevo estándar. La tesis se estructurará en Introducción, Capitulario, Conclusiones, Bibliografía y Anexos. En la Introducción se expone la importancia, actualidad y necesidad del tema que se aborda, así como los elementos del diseño teórico . En el Capítulo I se establecen los fundamentos teóricos necesarios para abordar la problemática de la investigación. Se describen las generalidades del estándar DOCSIS, su modo de operación y su evolución; destacando los principales elementos de cada una de las versiones, y lo que incorporan en cada paso de avance que dio el estándar..

(14) 4 INTRODUCCIÓN. En el Capítulo II se realiza un estudio de los fenómenos de distorsión que ocurren en la red HFC, las micro-reflexiones y otros aspectos que degradan la calidad de la señal en la red, se establecen las ecuaciones para el cálculo de los mismos y los valores umbrales que deben cumplir según la actualización del nuevo estándar. En el Capítulo III se realiza una caracterización de la red en cuestión, exponiendo los resultados de los cálculos realizados y las mediciones hechas en algunos puntos determinantes de la red. Una vez demostrada la ineficiencia de la red para soportar el estándar DOCSIS 3.1, se proponen modificaciones para lograr la migración. En la Bibliografía se expone un listado de las referencias bibliográficas consultadas siguiendo la metodología existente para este fin..

(15) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DEL ESTÁNDAR DOCSIS EN REDES HFC.. 5. CAPÍTULO 1. Descripción del estándar DOCSIS en redes HFC. En la esfera de las telecomunicaciones siempre ha sido una premisa lograr altas razones de transmisión, un mayor ancho de banda y poder ofertar un servicio óptimo integrado. Los sistemas de Televisión por Cable (Community Antenna Television, CATV), no han estado exentos de estas exigencias por lo que la compañía CableLabs creó el estándar DOCSIS. En este capítulo se realiza una búsqueda bibliográfica sobre el estándar DOCSIS. Se hace una caracterización del mismo, exponiendo su principio básico de operación. Se hace referencia a la evolución del estándar haciendo énfasis en las principales características que lo diferencian en cada paso evolutivo. Al llegar al estándar DOCSIS 3.1 que es el objeto de esta investigación, se muestran la influencia de las nuevas técnicas introducidas que lo hacen tan exitoso sobre sus antecesores. 1.1. Equipamiento básico del protocolo DOCSIS.. A fines de la década de los 90 los operadores de cable dan el primer paso hacia el triple play incorporando servicios de acceso a Internet. Para lograr este avance se creó el estándar DOCSIS en marzo de 1997 por la compañía CableLabs que logra integrar servicios como la televisión, Internet y la telefonía. Este estándar define los requisitos de la interfaz de comunicaciones y operaciones para los datos sobre sistemas de cable, lo que permite añadir transferencias de datos de alta velocidad a un sistema CATV ya existente. Entre estos requisitos está la redefinición de la capa Control Acceso al Medio (Medium Access Control, MAC) y la capa física (PHY), que son precisamente las que posibilitan las altas velocidades sobre las redes HFC [1]–[3]. En la capa MAC de este estándar se emplean métodos de acceso deterministas, específicamente Acceso Múltiple por División del Tiempo (Time División Multiple Access ,TDMA) y (Synchronous-Code Division Multiple Access, S-CDMA), que en contraste con Acceso Múltiple por Detección de Portadora con Detección de Colisiones (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD) empleado en Ethernet proporciona que los sistemas DOCSIS experimenten pocas colisiones. En sus inicios para la transmisión tanto en el sentido ascendente y en el descendente se utiliza Acceso Múltiple por División en Frecuencia (Frequency Division Multiple Access, FDMA) en la subcapa Dependiente del Medio Físico (PMD)[4], [5]. El canal ascendente es un medio compartido,.

(16) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DEL ESTÁNDAR DOCSIS EN REDES HFC.. 6. mientras que el descendente es un enlace dedicado de difusión desde la cabecera hasta el usuario. Aunque DOCSIS fue diseñado en primera instancia para la interoperabilidad entre el Cable Modem (CM) y usuarios finales a través de la red cableada, existen otras especificaciones del mismo que hacen posible las comunicaciones inalámbricas multipunto, en Sistemas de Servicios de Distribución de Multicanal (Multichannel Multipoint Distribution Service, MMDS). y sistemas en servicios de distribución multipunto local (Local Multipoint. Distribution Service, LMDS) [6], [7]. Como el enrutador en las redes Ethernet, esta tecnología también cuenta con un dispositivo que es capaz de procesar toda la información que llega a la red HFC y distribuirla; el mismo es denominado Sistema de Terminación de Cable Modem (Cable Modem Termination System, CMTS). Es el equipo más importante en la cabecera ya que permite el enlace entre la cabecera en su totalidad y el sistema de cables. Unido a otros equipos constituye la infraestructura de la red que hace uso del protocolo Internet, funciona como un sistema de comunicación de datos diseñado para dirigir el tráfico proveniente de Internet hacia los CM de los usuarios y a su vez la información de cada uno de los CM hacia la cabecera. El número de canales descendentes y ascendentes que un determinado CMTS puede soportar estará en función del área de servicio, el número de usuarios, la disponibilidad del espectro y la tasa de transferencia asignada a cada subscriptor. Un panorama de la ubicación de estos dispositivos y el flujo de datos en ambos sentidos se muestra en la figura 1.1..

(17) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DEL ESTÁNDAR DOCSIS EN REDES HFC.. 7. Figura 1.1. Una red de cable típica para la transmisión de televisión y servicios de Internet a los hogares a través de CMTS y CM.. Los CMTS en su generalidad cuentan con la misma cantidad de conexiones Ethernet que interfaces de Radio Frecuencia (RF), por lo que el tráfico que llega de Internet puede ser enrutado desde la interfaz Ethernet a través del CMTS hacia la interfaz RF que está conectada a la red HFC para terminar en el CM del domicilio del abonado y como en la red HFC está implementada la bidireccionalidad el camino de retorno está garantizado. Los CMTS normalmente solo manejan tráfico IP. El tráfico destinado al CM enviado desde Internet, conocido como tráfico descendente, se transporta encapsulado en paquetes MPEG. Estos paquetes se transportan en flujos de datos que normalmente se modulan en señales QAM. Mientras que el tráfico ascendente se transporta en tramas Ethernet, típicamente en señales con Modulación de Desplazamiento de Fase en Cuadratura (Quarter Phase Shift Keying, QPSK). Un CMTS típico, permite al ordenador del abonado obtener una dirección IP mediante un servidor de Protocolo de Configuración Dinámica de Host (Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP). Además, también suele asignar la puerta de enlace, servidores Sistema de Nombres de Dominio (Domain Name System, DNS), etc..

(18) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DEL ESTÁNDAR DOCSIS EN REDES HFC.. 8. Otro dispositivo indispensable en el funcionamiento de esta tecnología es el CM, este es un modem operando sobre la red de televisión por cable al que se conecta el terminal. Constituye el sistema que permite el acceso de alta velocidad digital a servicios de Internet por el mismo cable coaxial de la red de televisión; trabaja bajo criterios de técnicas de multiplexación en el tiempo y en la frecuencia, permitiendo que la señal digital se integre al espectro compartido con la señal de televisión. En la figura 1.1 se muestra el ambiente del estándar y la ubicación de los CMTS y los CM. Los CM y los CMTS implementan diferentes protocolos que tienen funciones como: compensar las pérdidas en el cable, compensar las diferentes longitudes del cable, asignar frecuencias a los CM, asignar ranuras de tiempo para el flujo ascendente, entre otras.. 1.1.1 Operación básica del protocolo DOCSIS. Al energizar la red, el CM establece una conexión con la misma y la mantiene hasta que es suspendida la energía. El registro sobre la red de este dispositivo involucra adquirir canales ascendentes y descendentes, claves de encriptación provenientes del CMTS y direcciones IP asignadas por el Proveedor de Servicios de Internet (Internet Service Provider, ISP). El CM también determina el tiempo de propagación desde el CMTS con el objetivo de estar en sincronismo con el mismo; y finalmente registrarse para proveer un identificador único sobre un canal seguro. Debido a la naturaleza compartida de esta red cableada las transmisiones son encriptadas en ambos sentidos utilizando el Algoritmo de Resumen de Mensaje 5 (Message-Digest Algorithm 5,MD5) [8]–[10]. Este estándar especifica un camino de datos en su generalidad asimétricos con los flujos de bajada y subida en bandas de frecuencias separadas. Las portadoras de estos flujos proveen dos canales compartidos para los CM. Sobre el enlace descendente el CMTS es la única fuente de transmisión y los CM son solo receptores, mientras que en el enlace ascendente evidentemente se invierte. Los paquetes enviados en el enlace de bajada son divididos en tramas 188 byte MPG cada una con 4 bytes de cabecera y el resto de carga. Existen tramas de administración que incluyen operaciones como cálculo de distancias,. asignación de canal, parámetros. opcionales de descarga, registro de CM, etc. El CMTS envía periódicamente mensajes de.

(19) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DEL ESTÁNDAR DOCSIS EN REDES HFC.. 9. asignación de Mapa de Ancho de Banda (MAP) sobre el flujo descendente que identifican asignaciones futuras de ranuras de tiempo. Las asignaciones del ancho de banda ascendente están basadas en los requerimientos del CM y políticas de (QoS) [8], [11]. El canal de subida es dividido en un flujo de miniranuras multiplexadas por división en el tiempo las cuales, en dependencia de la configuración del sistema, contienen normalmente de 8 a 32 bytes de datos. El CMTS debe generar las referencias de tiempos para identificar estas miniranuras. Debido a las variaciones en las demoras de propagación desde el CMTS hasta el CM, cada CM debe aprender su distancia hasta su CMTS correspondiente y compensar consecuentemente que todos tengan un amplio sistema de referencia de tiempo que les permita identificar exactamente una ubicación adecuada de las miniranuras. El cálculo de distancias involucra procesos de múltiples reconocimientos entre el CMTS y cada CM. El CMTS envía periódicamente mensajes de sincronismo que contienen estampas de tiempo, además envía periódicas asignaciones MAP. Después de evaluar el tiempo de desplazamiento y otros parámetros en la petición de cálculo de distancias, se le entrega al CM una respuesta de cálculo con estos parámetros adjuntos. 1.2. Evolución del estándar DOCSIS.. DOCSIS 1.0 es el primero en su generación y surgió en 1997. Como la idea básica en este momento era la integración de la televisión por cable al Internet, esta versión estuvo fundamentalmente dirigida al tráfico proveniente de Internet. El canal descendente utiliza modulaciones que van desde 16 QAM hasta 256 QAM donde la porción del espectro que utilizan estas modulaciones está ubicada entre los 50 MHz y 860 MHz, mientras que en el canal ascendente la modulación utilizada es QPSK y la porción del espectro utilizada es de los 5 MHz a los 42 MHz [12]. Las razones de transmisión alcanzadas estaban en dependencia del ancho de banda del canal y el tipo de modulación que se utilice. La tabla 1.1 muestra estas velocidades para ambos flujos de datos..

(20) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DEL ESTÁNDAR DOCSIS EN REDES HFC.. 10. Tabla 1.1 Razones de transmisión en DOCSIS 1.0. DOCSIS 1.0 Descendente en Mbps 16-QAM. 256-QAM. 6 MHz. 30.34. 42.88. 8 MHz. 40.44. 57.20. Ascendente en Mbps QPSK. 16-QAM. 0.2 MHz. 0.32. 0.64. 0.4 MHz. 0.64. 1.28. 0.8 MHz. 1.28. 2.56. 1.6 MHz. 2.56. 7.68. 3.2 MHz. 5.12. 15.36. En abril de 1999 surge la versión DOCSIS 1.1 del estándar, mejorando algunos parámetros de la versión precedente, enfocado fundamentalmente en la (QoS). El principal mecanismo para incrementar la QoS es clasificar los paquetes que atraviesan la interfaz de radio frecuencia MAC en servicio de flujo. Esta clasificación no es más que un flujo unidireccional de paquetes que están provistos de una QoS particular. El CMTS y el CM son capaces de proveerla a partir de la organización y prioridad del tráfico de acuerdo con el conjunto de parámetros de calidad definidos por el servicio de flujo [13]. Las mejoras más significativas de esta versión son:  Calidad de Servicio: Permite priorizar el tráfico de paquetes según la aplicación o la importancia del cliente.  Fragmentación: Fragmentación de paquetes grandes para facilitar la asignación de capacidad para servicios tipo voz y video.  Concatenación: Agrupación de paquetes pequeños para incrementar el rendimiento.  Mejora de la Seguridad: Permite autenticación.  Supresión del Encabezamiento de carga útil: Mejora la utilización del ancho de banda.. En 2001 surge DOCSIS 2.0 incorporando mejoras que giran a favor del incremento del ancho de banda del canal de subida, variación de las modulaciones, lo que provoca el aumento de las velocidades e incorpora el direccionamiento de Internet Versión 6 (Internet Protocol versión 6, IPv6). En la tabla 1.2 se muestran las diferentes razones de transmisión en dependencia de la modulación utilizada para esta versión..

(21) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DEL ESTÁNDAR DOCSIS EN REDES HFC.. 11. Tabla 1.2. Razones de transmisión en DOCSIS 2.0. DOCSIS 2.0 Descendente en Mbps. Ascendente en Mbps. 16-QAM. 256-QAM. 6 MHz. 30.34. 42.88. 8MHz. 40.44. 57.20. QPSK. 16-QAM. 64-QAM. 0.2 MHz. 0.32. 0.64. 1.28. 0.4MHz. 0.64. 1.28. 1.92. 0.8MHz. 1.28. 2.56. 3.84. 1.6MHz. 2.56. 7.68. 7.68. 3.2MHz. 5.12. 15.36. 15.36. 6.4MHz. 10.24. 20.48. 30.72. Entre las nuevas atracciones que se incorporan en esta versión se tienen las siguientes:  Mejora la utilización del ancho de banda de subida al permitir trabajar en bandas antes prohibidas por problemas de ruido.  Mejor eficiencia espectral al incorporar modulaciones de mayor orden.  Permite transmisiones simétricas.  Más robusto frente a problemas de ruido.. El 7 de agosto del 2006 se dieron a conocer los últimos detalles de DOCSIS 3.0. Es la variante en explotación con mayores potencialidades, logra aumentar el rendimiento de las redes considerablemente. Haciendo que el estándar vaya más allá del transporte IP para datos y servicios de voz. Los principales elementos que la hacen exitosa son el perfeccionamiento del multicast y la unión de canales (chanel bonding) que permite el uso de varios canales simultáneamente en ambos sentidos, lo que trae consigo que la opción video IP sobre DOCSIS se convierta en una posibilidad técnica factible. La unión de los canales es la característica más importante de DOCSIS 3.0, convirtiendo al ancho de banda en una magnitud mayor en este estándar que en sus precedentes, por lo que el CMTS puede unir múltiples portadoras de RF de bajada o subida con el objetivo de entregar un ancho de banda superior a los usuarios. Esta técnica.

(22) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DEL ESTÁNDAR DOCSIS EN REDES HFC.. 12. posibilita la formación de un único canal lógico cuyo ancho de banda es la suma del ancho de banda de cada canal que lo forma, por lo que se puede trasmitir y recibir paquetes pertenecientes a un mismo servicio a través de múltiples canales [14]–[17]. Hoy en día existen cables modem con ocho canales unidos disponibles en el mercado, los equipos con el nuevo protocolo logran velocidades de descarga de datos de 480 Mbps y subidas a 120 Mbps. Este incremento de la capacidad del ancho de banda es esencial para las aplicaciones como video de Alta Definición (High Definition, HD) y video de Definición Estándar (Standar Definition, SD)[14]. En la figura 1.2 se muestra la unión de los canales.. Figura 1.2. Unión de 4 canales en DOCSIS 3.0.. El perfeccionamiento del multicast está dado por la adquisición de fuentes específicas de multicast y el soporte del Protocolo de Administración de Grupos de Internet (Internet Group Management Protocol, IGMPv3). Además los grupos de multicast pueden ser administrados con garantías de QoS. En esta actualización del estándar se agrega un soporte integrado para IPv6. Los CM en DOCSIS 3.0 pueden ser habilitados indistintamente con direcciones IP de gestión tanto para IPv4 como para IPv6 o ambas. Además, los CM pueden proporcionar transparencia a la conectividad IPv6 para los dispositivos conectados a ellos con soporte completo para QoS [18]. Con respecto a sus versiones anteriores, esta versión introduce nuevas características de seguridad, tales como:  Encriptación de tráfico (AES): Estándar de encriptación avanzada de 128 bits..

(23) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DEL ESTÁNDAR DOCSIS EN REDES HFC.. 13.  Verificación de la dirección IP de origen: Cualquier paquete en la red originado por un dispositivo cuya dirección IP no haya sido asignada por el proveedor de servicios es descartado.  Autenticación y encriptación tempranas (EAE).  El sistema empleado para proteger los paquetes en la red de cable está basado en el. Baseline Privacy Plus (BPI) que responde por la autenticación de los CM, el intercambio de claves y el establecimiento de las sesiones de tráfico encriptado entre los CM y el CMTS. En la figura 1.3 se muestra la equivalencia del estándar con el Modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos (Open System Interconnection, OSI) y la tabla 1.3 se muestran otras características de esta actualización. En esta tabla se hace una comparación con la versión europea del estándar, EuroDOCSIS, donde la principal diferencia es que, en Europa, los canales de cable tienen un ancho de banda de 8 MHz (PAL), mientras que para DOCSIS es de 6 MHz (NTSC).. Tabla 1.3. Algunas características de DOCSIS 3.0. Configuración de canal Número. de. canales. Throughput Descendente Número. de. DOCSIS. EuroDOCSIS. 4. 171.52 Mbps. 222.48 Mbps. 122.88 Mbps. 8. 343.04 Mbps. 444.96 Mbps. 122.88 Mbps. descendentes. ascendentes. 4 8. canales. Throughput Ascendente.

(24) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DEL ESTÁNDAR DOCSIS EN REDES HFC.. 14. Figura. 1.3. Equivalencia al modelo OSI con DOSCIS 3.0.. El estándar DOCSIS 3.1, publicado en octubre del 2013, actúa como un turbo para las redes de cable. Sus mejoras técnicas permiten a los operadores aumentar considerablemente el rendimiento de sus redes sin llevar a cabo grandes modificaciones. El logro de multi-gigabit por segundos en la dirección descendente y gigabit por segundos en la ascendente es el resultado de significativos cambios en la capa PHY. Esta versión se concentra en el uso eventual de todo el espectro disponible y en las técnicas efectivas para lograrlo. Ha tratado de ponerse a la altura de lo que se le pide a la redes de comunicaciones en la actualidad, implementando modulaciones como OFDM y QAM de alta complejidad como 2048 QAM y 4096 QAM llamadas también 2K-QAM y 4K-QAM. Realiza una expansión del ancho de banda de la red a más del doble de lo que está establecido en las variantes anteriores, lo cual puede ser preestablecido previamente en dependencia del entorno donde se implemente y puede llegar hasta 1794 MHz, aumentándose el espectro en ambos sentido. Esta actualización asume técnicas de OFDM para el camino de bajada y Acceso Múltiple por División de Frecuencias Ortogonales (Orthogonal Frecuency-Division Multiple Access, OFDMA) para el camino de retorno, lo que propicia una operación robusta y provee un uso más eficiente del espectro. Con el objetivo de alcanzar tales metas realiza cambios en la división del espectro para los diferentes flujos de datos. Tiene la opción de varias configuraciones de división del espectro basadas en las demandas de tráfico, los servicios ofrecidos y en la capacidad del cable..

(25) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DEL ESTÁNDAR DOCSIS EN REDES HFC.. 15. Los sistemas con multiportadoras OFDM en el enlace descendente están compuestos por un largo número de subportadoras que pueden estar espaciadas en 25 kHz o 50 kHz. Estas subportadoras están agrupadas en canales OFDM configurables cada uno ocupando una porción del espectro de 192 MHz en bajada haciendo un total de 7680 o 3840 subportadoras dependiendo del espaciamiento utilizado, de las cuales 7600 o 3800 son consideradas como activas. En el camino de retorno el sistema de multiportadoras OFDMA también está compuesto por canales configurables OFDM cada uno ocupando una porción del espectro de hasta 96 MHz, haciendo un total de 3840 subportadoras para 25 kHz y 1920 subportadoras para 50 kHz [19], [20]. En la tabla 1.4 y 1.5 se muestra una comparación entre las principales características de esta versión y su antecesora, donde se evidencia las mejoras sustanciales que el nuevo estándar propone para el enlace descendente y ascendente respectivamente.. Tabla 1.4. Comparación de las principales características de DOCSISI 3.1 con DOCSIS 3.0 en el enlace descendente. Los valores indicados entre paréntesis indican futuras ampliaciones. Enlace descendente Parámetro. DOCSIS 3.1. DOCSIS 3.0. Modulación. OFDM 4K y 8K FFT similar a DVB-C2.. Portadora única con J.83/B o DVB-C. Rango de frecuencias. 108 MHz a 1218 MHz. 45 MHz a 1002 MHz. Ancho de banda del canal. Hasta 192 MHz. 6 MHz o 8 MHz , múltiple. Orden QAM. Hasta 4096. Hasta 256. Corrección de errores. LDPC, BCH. Reed- Solomon. Velocidad del enlace descendente. 10 Gbps ( 20 Gbps). 300 Mbps..

(26) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DEL ESTÁNDAR DOCSIS EN REDES HFC.. 16. Tabla 1.5. Comparación de las principales características de DOCSISI 3.1 con DOCSIS 3.0 en el enlace ascendente. Los valores indicados entre paréntesis indican futuras ampliaciones.. Enlace ascendente Parámetro. DOCSIS 3.1. DOCSIS 3.0. Modulación. OFDM 2K y 4K FFT similar a DVB-C2.. Portadora única con TDMA o CDMA.. Rango de frecuencias. 5 MHz a 204 MHz. 5 MHz a 50 MHz. Ancho de banda del canal. Hasta 96 MHz. Hasta 6.4 MHz, múltiple.. Orden QAM. Hasta 4096 (opcional 8K o 16K). Hasta 64. Corrección de errores. LDPC, BCH. Reed- Solomon, Trellis. Velocidad del enlace ascendente. 1 Gbps ( 2.5 Gbps). 100 Mbps. (300 Mbps). La demanda de un mayor ancho de banda y garantías de QoS aumentan. En este contexto DOCSIS 3.1 puede considerarse como un impulsor para los operadores de cable, que se enfrentan a una dura competencia con los proveedores de servicios inalámbricos y al Internet por DSL. Los retos como la televisión 3D o 4K hacen que esta variante sea una forma de alcanzar los mismos ya que cumple con todos los requisitos de todos estos nuevos servicios. Con su elevada velocidad y su alta transferencia de datos se convierte en un factor decisivo para el éxito de los operadores de cable a la hora de mantener su posición en el mercado. La diferencia fundamental con sus antecesores radica en la tecnología de múltiples portadoras OFDM que ofrece numerosas ventajas como:  Resistencia mejorada frente al ruido impulsivo con tiempos de símbolo más largos.  Supresión de subportadoras lo que impide errores de bit por radiación.  Perfiles adaptados para diferentes condiciones de recepción.  Interleaving de tiempo y de frecuencia para mejorar la inmunidad frente al ruido e interferencia de banda estrecha.  Intervalo de protección (prefijo cíclico) que impide interferencias intersímbolos (ISI).  Conformación de símbolo con flancos más inclinados en el espectro que previene interferencias entre canales..

(27) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DEL ESTÁNDAR DOCSIS EN REDES HFC.. 17. Por otra parte este estándar utiliza un eficaz método de corrección de errores como Comprobación de Paridad de Baja Densidad (Low Density Parity Check, LDPC), alcanzando constelaciones mucho más elevadas pudiendo lograr en un futuro hasta 16K QAM, y con ello velocidades de transmisión muy superiores. Este estándar reduce o elimina la necesidad de bandas de protección de RF debido a la nueva definición del ancho de banda del canal. Una característica destacada son los perfiles que se le permiten asignar a áreas específicas de la topología de la red, pues no todos los CM reciben la misma cobertura. La calidad de la señal en el modem depende de la distancia al CMTS, del tipo y la cantidad de componentes intermedios y de las perturbaciones dadas. Los perfiles dan la posibilidad de asignar a cada subportadora de un canal una constelación individual QAM. La asignación de perfiles adecuados para grupos de modem con una calidad de señal similar garantiza que la máxima cantidad de modem de la red alcancen la mejor calidad de canal posible con la CNR presente. Sin la posibilidad de asignar perfiles diferentes, el CMTS tendría que generar las señales con una constelación tan reducida que hasta el módem con la peor CNR fuera capaz de decodificarla reduciendo innecesariamente la velocidad de transmisión en el resto de los CM.. 1.3. Plan de frecuencia en el canal de bajada y de subida en DOCSIS 3.1.. Las siguientes definiciones espectrales están basadas en los requerimientos del sistema de transmisión donde las frecuencias de transmisión de bajada se encuentran siempre por encima de las frecuencias de transmisión de subida en el cable. 1.3.1.1 Espectro del CM en el canal de bajada. El CM debe soportar un mínimo de dos canales independientemente configurables OFDM ocupando cada uno un espacio en el espectro de hasta 192 MHz en la dirección de bajada[19]. El CM debe soportar hasta 1.218 GHz de frecuencia superior de la banda. El CM pudiera soportar hasta 1.794 GHz de frecuencia superior de la banda. El CM debe soportar hasta 258 MHz de frecuencia inferior de la banda..

(28) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DEL ESTÁNDAR DOCSIS EN REDES HFC.. 18. El CM pudiera soportar hasta 108 MHz de frecuencia inferior de la banda cuando está configurado para usar una banda superior de subida con frecuencia superior de esquina de 85 MHz o menor. 1.3.1.2 Espectro del CMTS en el canal bajada. El CMTS debe soportar un mínimo de dos canales independientemente configurables OFDM ocupando cada uno un espacio en el espectro de hasta 192 MHz en la dirección de bajada. El CM debe soportar hasta 1.218 GHz de frecuencia superior de la banda. El CM pudiera soportar hasta 1.794 GHz de frecuencia superior de la banda. El CM debe soportar hasta 258 MHz de frecuencia inferior de la banda. El CM pudiera soportar hasta 108 MHz de frecuencia inferior de la banda. 1.3.2.1 Espectro del CM en el canal subida. El CM debe soportar un mínimo de dos canales independientemente configurables OFDM ocupando cada uno de ellos un espacio en el espectro de 96 MHz[19]. El CM pudiera soportar más de dos canales independientemente configurables OFDM ocupando cada uno de ellos un espacio en el espectro de 96 MHz[19]. Las implementaciones individuales de CM pudieran limitar el espectro sobre el cual el CM está capacitado para transmitir señales en dirección de subida. Como resultado y con el objetivo de cumplir con la especificación el CM debe soportar una o más de las siguientes frecuencias superiores de la banda: 42 MHz, 65 MHz, 85 MHz, 117 MHz y 204 MHz. El CM puede soportar un espectro adicional más allá de 204 MHz para la dirección de subida. El CM no debe causar interferencias a cualquiera de las señales provenientes de la dirección de bajada que pudieran existir por encima de su configuración de frecuencia superior de la esquina de la banda. El CM debe ser capaz de transmitir 192 MHz de canales activos cuando opera frecuencia superior de 204 MHz.. con la.

(29) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DEL ESTÁNDAR DOCSIS EN REDES HFC.. 19. 1.3.2.2 Espectro del CMTS en el canal subida. El CM debe soportar un mínimo de dos canales independientemente configurables OFDM ocupando cada uno de ellos un espacio en el espectro de 96 MHz[19]. El CM pudiera soportar más de dos canales independientemente configurables OFDM ocupando cada uno de ellos un espacio en el espectro de 96 MHz. El CMTS debe soportar más transmisiones en la dirección de subida desde 5 a al menos 204 MHz y una colocación dinámica de bloques OFDMA dentro del rango. El CMTS pudiera soportar un espectro adicional más allá de 204 MHz de frecuencia en la dirección de subida. El CM debe ser capaz de transmitir 192 MHz de canales activos cuando opera frecuencia superior de 204 MHz.. con la.

(30) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL DESEMPEÑO DE LAS REDES HFC.. 20. CAPÍTULO 2. Características los parámetros que influyen en el desempeño de las redes HFC. Las redes HFC hoy en día han ganado gran popularidad. La razón principal de la combinación de fibra y coaxial es aprovechar las ventajas de los dos medios de transmisión, la fibra brinda poca atenuación, altos valores de ancho de banda y permite alcanzar grandes distancias, mientras que se aprovecha el buen ancho de banda que da el cable coaxial, dado que llevar la fibra hasta el usuario sería una solución muy costosa [21]. Al ser usada esta tecnología para la trasmisión de voz, datos y video existen algunos parámetros que deben estar dentro de márgenes establecidos con el objetivo de poder entregar con calidad un buen producto a los usuarios. En este capítulo se hará una caracterización de la red HFC, identificando las partes principales que la componen y los dispositivos que hacen posible el funcionamiento de la misma. La no linealidad de algunos de estos dispositivos introduce varios tipos de distorsiones como la distorsión por CSO, la distorsión por CTB, la XMOD y la distorsión por la modulación de zumbido HUM, las cuales serán caracterizadas y se determinará como se pueden calcular a lo largo de una cascada de amplificadores. 2.1. Características de la red HFC.. Una red HFC es una red de telecomunicaciones que mezcla fibra óptica con coaxial como soporte para transmisión de las señales. Esta tecnología permite básicamente el acceso a Internet de banda ancha, telefonía, televisión y otras variantes como Video on Demand, juegos en línea [22], [23]. Al aumentar el número de canales, se requirió un aumento del ancho de banda disponible en la redes de cable coaxial. Para solucionar esta limitación se introdujo la fibra óptica en los años ´90, dado que los dispositivos ópticos podían ofrecer una adecuada linealidad, un mayor ancho de banda y más rapidez; es en este momento cuando la red en su conjunto, pasa a denominarse HFC. Básicamente esta red está compuesta de tres partes bien definidas: la cabecera, la red troncal y la red de distribución, esta topología se puede observar en el anexo I..

(31) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL DESEMPEÑO DE LAS REDES HFC.. 21.  Cabecera: Es el centro desde el que se administra todo el sistema. Sus funciones principales son las de combinar las distintas fuentes de programación ubicándolas en los canales del espectro del cable, monitorear la red y supervisar su correcto funcionamiento. Suele contar con una serie de antenas o equipos de recepción de televisión terrenal, vía satélite y de microondas, las cuales reciben las señales de los canales de televisión y radio de diferentes sistemas de distribución así como también los enlaces con otras cabeceras de red, estudios de televisión, entre otros. La complejidad depende de los servicios que ha de prestar la red[24].  Red troncal: Se encarga de repartir la señal compuesta generada por la cabecera a todas las zonas de distribución, que abarca la red de cable. La estructura más común de las redes troncales es en forma de anillos redundantes de fibra óptica que unen a un conjunto de nodos primarios, que alimentan a otros nodos llamados secundarios, mediante enlaces punto a punto o bien mediante anillos. Cuando se cuenta con sistemas bidireccionales, los nodos secundarios también se encargan de recibir las señales del canal ascendente para convertirlas en señales ópticas y transmitirlas a la cabecera. Estos nodos dan servicio a unos pocos hogares, lo cual permite emplear cascadas de 2 o 3 amplificadores de banda ancha como máximo. Esta mejora ayuda a eliminar las grandes cascadas de amplificadores y consigue muy buenos niveles de ruido y distorsión en el canal descendente [25]–[27].  Red de distribución y Acometida: La red de distribución y de acometida a los clientes es lo que normalmente se conoce como la red de última milla. Esta red está conformada por una estructura tipo bus de coaxial que lleva las señales descendentes. hasta. la. última. derivación. antes. del. hogar. del. cliente.. La red de distribución está compuesta por amplificadores troncales, derivadores, splitters o divisores, cable coaxial y extensores de línea.. En el despliegue de esta red existen dispositivos que no requieren voltaje de alimentación para funcionar, denominados elementos pasivos. Los mismos pueden ser:  Acoplador direccional: divide la señal de entrada en dos señales de salida con atenuaciones diferentes..

(32) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL DESEMPEÑO DE LAS REDES HFC.. 22.  Atenuador (Pad): elemento que disminuye en la cantidad deseada la amplitud de las señales que pasan por él. Se utilizan a la entrada de los amplificadores.  Conectores: dispositivo que se coloca en los extremos del cable, de manera que se logre crear un punto de conexión entre el cable y otro elemento.  Derivador (Tap): accesorio utilizado en la conexión entre la línea de distribución y la acometida de los clientes.  Divisor (Splitter): accesorio utilizado para dividir una señal en dos o más.  Ecualizador: dispositivo empleado para disminuir la potencia de solo cierta parte de la señal de entrada.  Filtro: dispositivo que se emplea para anular una parte del espectro de la señal.  Terminal de 75 Ω: accesorio empleado para cargar la línea y evitar reflexión de señal.  Unión: dispositivo para unir dos cables coaxiales. Como parte imprescindible de esta tecnología existen también elementos activos, los cuales además de utilizar voltaje de alimentación para funcionar, decodifican o amplifican la señal. Los mismos pueden ser:  Amplificador: dispositivo que aumenta la señal de entrada para obtener una señal de salida con una amplitud mucho mayor a la original. Este equipo es utilizado debido a las pérdidas en la señal que se producen durante su transmisión.  Combinador de señal: permite combinar los diferentes canales de televisión además de señales digitales producidas a través de una misma salida hasta llegar a la siguiente etapa del sistema.  Decodificador: dispositivo utilizado en la decodificación de las señales y conversión de frecuencias.  Fuente: equipo empleado en la alimentación de todos los elementos activos presentes en la línea de transmisión.  Modulador: permite cambiar la frecuencia de una señal a otra diferente. Se utiliza cuando se necesita el cambio de la frecuencia de una canal de televisión a otro.  Receptor Óptico: equipo diseñado para convertir una señal óptica en una señal eléctrica..

(33) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL DESEMPEÑO DE LAS REDES HFC.. 23.  Transmisor Óptico: se encarga de transmitir la señal de la cabecera hacia los receptores ópticos o hacia la red troncal. 2.2. Parámetros que degradan la calidad de la señales en las redes HFC.. En los sistemas HFC se hace necesario el uso de dispositivos no lineales, que provocan distorsión de la señal, ya sea variando su fase, su amplitud, mezclándolas con otras, generando ruido; entre muchos otros efectos indeseados que traen consigo que la señal no llegue al usuario con buena calidad. Por lo que cumplir con valores predefinidos de algunos parámetros garantizaría la disminución de estos efectos negativos, aunque no se puedan eliminar en su totalidad. Estos parámetros se degradan fundamentalmente en la cabecera y en la red a coaxial para las redes HFC.. 2.2.1 Ruido. En la red coaxial existen ruidos de naturaleza diversa, como el ruido producido por el hombre, dado por contactos defectuosos, ruido de ignición, alumbrado fluorescente, artefactos eléctricos. Otro tipo de ruido es el ocasionado por las perturbaciones naturales, pueden ser relámpagos, tormentas eléctricas, ruido intergaláctico, disturbios atmosféricos. También se encuentra el ruido de fluctuación, el cual se presenta en el interior de los sistemas físicos pudiendo ser: ruido térmico (termal noise) o ruido de disparo (shot noise). El ruido térmico es el que básicamente se tiene en cuenta en la CNR debido al movimiento aleatorio de los electrones en medios conductores como los resistores. La potencia de ruido máxima es directamente proporcional a la temperatura y al ancho de banda considerado. La potencia de ruido se calcula mediante la expresión 2.1: P = K.T.B Siendo: K (Constante de Boltzman) = 1.38 x 10-23 Joule/K. T (Temperatura absoluta) = 293 K. B (Ancho de banda) = 4.2 MHz.. (2.1).

(34) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL DESEMPEÑO DE LAS REDES HFC.. 24. Con estos valores resulta: P (dBmV) = -59 dBmV.. 2.2.2 Distorsión armónica y de intermodulación.. La distorsión armónica es el fenómeno que ocurre cuando una señal periódica pasa a través de un dispositivo que presenta algún tipo de alinealidad y a la salida de este se obtiene una copia de la señal, amplificada o atenuada, pero cuya forma, en el dominio del tiempo se habrá visto alterada con respecto a la señal original. La señal de salida presenta una cierta deformación, pero sigue siendo periódica, con el mismo período fundamental de la señal de entrada. Es decir, es la aparición de señales debido a la no linealidad de los amplificadores, cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la señal de la portadora, denominándose estas señales como. componentes armónicas o simplemente armónicas. De manera que la. frecuencia de salida puede tener una de las siguientes expresiones: f salida = k1 f1, f salida = k2 f2, f salida = k3 f3…. Fig. 2.1 Armónicos y su distancia a la frecuencia fundamental.. En la figura 2.1 se observa que la amplitud de los armónicos decrece cuanto mayor sea el orden de los mismos. Estos armónicos son dañinos cuando caen dentro del ancho de banda.

(35) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL DESEMPEÑO DE LAS REDES HFC.. 25. de otro canal, excepto si coinciden exactamente con la portadora, en cuyo caso no producen interferencia ya que la información de imagen no se encuentra en la propia portadora, sino en señales unidas a ella, a frecuencias superiores a la central. Por tanto, las distorsiones no serán dañinas por afectar al centro de la portadora, y no a la información de imagen. Además en la figura se observa que la distancia entre las amplitudes. de la. portadora y los. armónicos está expresada en dB lo que significa que mientras mayor sea este valor menos interferencia tendrán los armónicos sobre la señal portadora [28]. Por otra parte la distorsión de intermodulación es el resultado de la interacción entre dos o más señales en el interior de un dispositivo no lineal, principalmente en los amplificadores; aunque también aparecen en otros dispositivos no lineales como son los láseres y los diodos detectores de luz, produciendo a su salida otras señales no deseadas. Estas señales adicionales que aparecen a la salida del dispositivo se conocen con el nombre de productos de intermodulación. Cuando dos o más señales de frecuencia diferentes llegan a un dispositivo con características no lineales, la salida del mismo no solo contiene estas dos frecuencias, sino también la suma y la diferencia de estas frecuencias y sus armónicos. En general la frecuencia de un producto de intermodulación vendrá dada por: k1 f1  k2 f2  k3 f3  ...... Donde las fi son las frecuencias de las señales de entrada y ki los órdenes de los diferentes armónicos. Dentro de este tipo de distorsión son de gran interés la CSO, el CTB y XMOD. Antes de analizar en detalles estos tipos de intermodulaciones se hace necesario definir un grupo de conceptos como: Batido: Son las señales que se generan como resultado de la mezcla de varias señales, si los batidos generados están dentro del ancho de banda del canal causarán cambios en la calidad del mismo [29]. Compuesto: Este término se refiere al conjunto de señales de distorsión, que se hallan suficientemente cerca unas de las otras dentro de un rango de frecuencias específicas [29]..

(36) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL DESEMPEÑO DE LAS REDES HFC.. 26. 2.2.2.1 Distorsión por Intermodulación de Segundo Orden Compuesto (CSO).. Se define intermodulación de segundo orden compuesto (CSO) como la relación en decibeles de la potencia pico de la portadora de video de la señal de distorsión total en ±0.75 MHz o ±1.25 MHz en relación con la frecuencia de la portadora de video [30]. Es decir la ubicación de las portadoras de video son tales que cualquier batido de dos de ellas o sus armónicos caerá dentro de otro canal a una distancia con respecto a la portadora de video de este canal de ±0.75 MHz o ±1.25 MHz. Este parámetro se puede medir mediante un analizador de espectro. Los fabricantes de equipos de banda ancha especifican el desempeño de CSO en sus amplificadores a un nivel de salida específico. Hay batimientos más lejanos pero que aún caen en el ancho de banda del canal, sin embargo se puede apreciar con el analizador de espectro que estos, mientras más lejanos, van disminuyendo en amplitud o son imperceptibles y la imagen no se ve distorsionada en la pantalla, como por ejemplo, una distancia de 2.5 MHz de la portadora. Es importante destacar que a mayor cantidad de canales, mayor es la cantidad de batidos posibles y cuanto mayor sean, mayor será la degradación de la señal. Por lo que de acuerdo al número de canales, existirá un canal que será el más afectado en CSO. En una cascada de amplificadores el CSO también se degrada. Para una cascada de amplificadores idénticos, todos con el mismo nivel de salida y pendiente, el rendimiento al final de la cascada se puede calcular con facilidad como se expresa en la ecuación 2.2.. 𝐶𝑆𝑂𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 𝐶𝑆𝑂𝐴𝑀𝑃 − 10 𝑙𝑜𝑔(𝑁). (2.2). N: cantidad de amplificadores. Cuando se calcula el desempeño al final de la línea para una cascada de amplificadores con características diferentes, o amplificadores idénticos con niveles de salida y pendientes diferentes, se requiere un cálculo más complejo como el que se muestra en la ecuación 2.3.. 𝐶𝑆𝑂𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = −10 log (10. −𝐶𝑆𝑂1⁄ 10. + ⋯ +10. −𝐶𝑆𝑂𝑚⁄ 10 ). (2.3).

(37) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL DESEMPEÑO DE LAS REDES HFC.. Donde. CSO1,. CSOm. son. las. cifras. de. rendimiento. de. segundo. 27 orden. compuesto para los amplificadores separados en la cascada. Se supone que el CSO se expresa en números positivos. Una conclusión muy importante es que cada dB que se aumente en el nivel de salida de los amplificadores implica 1dB de empeoramiento del CSO.. 2.2.2.2 Distorsión por Intermodulación de Tercer Orden Compuesto (CTB). Se define intermodulación de tercer orden compuesto como la relación en decibeles de la potencia pico de la portadora de video de la señal de distorsión total que yace en la frecuencia de la portadora de video [30]. Es decir, es el batido entre tres portadoras, o una armónica y una portadora, que cae sobre la portadora de un canal. Este suele ser el factor de distorsión limitante en el comportamiento de sistemas multicanales. El efecto sobre la señal del usuario es la aparición de rayas delgadas horizontales. Los componentes de la distorsión de ‘batido triple’ resultan de armónicos e interacciones de la forma: 3f1, f1±f2±f3, 2f1+f2, 2f1 – f2, Donde f1, f2 y f3 son las frecuencias de tres señales de entrada. Se verá que, en una red de gran capacidad, la cantidad de dichas combinaciones que caen dentro de la banda de paso de la red es muy grande. La totalidad de todas las señales parásitas que resultan de estas combinaciones se denomina batido triple compuesto y las agrupaciones de batidos triples, por lo general están próximas a las portadoras de video. Estos parámetros se miden con portadoras de video no moduladas y con la portadora en el canal de interés apagado [30]. Los fabricantes de equipos de banda ancha especifican el rendimiento CTB de sus amplificadores a un nivel de salida específico. Una modificación en el nivel de salida elevando o reduciendo el nivel en las entradas de los bloques internos de ganancia hará que se modifique el CTB. Los valores de las portadoras son tales que cualquier batido.

(38) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL DESEMPEÑO DE LAS REDES HFC.. 28. CTB, caerá sobre la portadora de otro canal a distancias (tomando solo las más críticas) de 0.5 MHz. Puede ocurrir que en el ancho de banda de algún canal se ubiquen varios batidos; entonces mientras. mayor. sea. la. cantidad. de. batidos,. mayor. será. la. degradación.. También a mayor cantidad de canales, mayor cantidad de batidos posibles. De esta forma, de acuerdo al número de canales, existirá un canal que será el más afectado por el CTB. Evidentemente ante una cascada de amplificadores el valor del CTB se hace más crítico al final de la misma. Si se trata de una cascada donde todos los amplificadores presentan el mismo nivel de salida y la misma pendiente entonces el valor del CTB al final de la línea se puede obtener a partir de la expresión 2.4.. 𝐶𝑇𝐵𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 𝐶𝑇𝐵𝐴𝑀𝑃 − 20 𝑙𝑜𝑔(𝑁). (2.4). N: cantidad de amplificadores. Por el contrario si se está en presencia de una cascada donde los amplificadores difieren en sus características operativas, entregando valores diferentes en sus niveles de salida o con pendientes desiguales; la expresión 2.5 delimita la forma de obtener el valor del CTB al final de la línea. Siendo CTB1 el valor del primer amplificador en la cascada y m la cantidad estos elementos presentes en la misma.. 𝐶𝑇𝐵𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = −20 log (10. −𝐶𝑇𝐵1⁄ 20. + ⋯ + 10. −𝐶𝑇𝐵𝑚⁄ 20 ). (2.5). Como aspectos muy importantes cabe señalar que cada dB que se aumente en el nivel de salida de los amplificadores implica 2 dB de empeoramiento del CTB además cuanto mayor sea la cantidad de canales o número de portadoras presentes en la red, el CTB empeorará.. 2.2.2.3 Distorsión de Itermodulación por Modulación Cruzada (XMOD). Se define la modulación cruzada (XMOD) como la relación de la amplitud pico a pico de la modulación en la portadora de prueba, causada por las señales de otras portadoras, con el nivel pico de la portadora [30]. Es decir, es el resultado de la modulación de una señal por intermedio de otras. Es un batido similar al CTB, es también una distorsión de tercer orden; pero para menor cantidad de canales. El resultado que se observa en la pantalla del receptor.

(39) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL DESEMPEÑO DE LAS REDES HFC.. 29. son bandas diagonales o verticales y al aumentar esta distorsión se observa una imagen completa o imágenes interferentes en el fondo de la pantalla que se superponen sobre la señal del canal seleccionado. Para este tipo de intermodulación la señal en cada canal se ve distorsionada por una señal de banda lateral generada por todos los demás canales en uso. Debido a que la modulación cruzada procede de todos los canales del sistema CATV no es sorprendente que cuanto mayor sea el número de canales transmitidos mayor modulación cruzada se tendrá. Su medición se realiza mediante un analizador de espectro. Como cada canal de video contiene una componente de señal constante y de alto nivel en la frecuencia de línea horizontal (15.734 kHz en el sistema NTSC), esta es la componente más notoria de la modulación cruzada. La XMOD es notoria para casos de baja cantidad de canales; de aumentar el número de señales, aproximadamente mayor que 35, comienza a predominar el CTB sobre la XMOD. Como toda interferencia por intermodulación esta se hace más crítica a lo largo de una cascada de amplificadores, teniendo el mismo comportamiento que el CTB. Para amplificadores con las mismas características se define su valor a partir de la expresión 2.6 y para amplificadores que difieren en cuanto a sus niveles de señal y pendiente se calcula a través de la expresión 2.7.. 𝑋𝑀𝑂𝐷𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 𝑋𝑀𝑂𝐷𝐴𝑀𝑃 − 20 log(𝑁). 𝑋𝑀𝑂𝐷𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = −20 log (10. −𝑋𝑀1⁄ 20. + ⋯ +10. (2.6). −𝑋𝑀𝑚⁄ 20 ). (2.7). Como elementos importantes se destacan que cada dB que se aumente en el nivel de salida de los amplificadores implica 2 dB de empeoramiento de la XMOD. Además, cuanto mayor sea la cantidad de canales o número de portadoras presentes en la red, la XMOD empeorará. Vale aclarar que estos tres últimos parámetros de calidad (CSO, CTB y XM) se pueden expresar tanto positivo como negativamente (según se emplee norma europea o americana). Las fórmulas presentadas anteriormente de estos parámetros asumen que las distancias de cualquier distorsión a la señal útil, expresadas en dB, están por debajo de ésta, es decir, se.

(40) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL DESEMPEÑO DE LAS REDES HFC.. 30. omite el signo (-). No se dice que la modulación cruzada es de – 47 dB (norma norteamericana), sino simplemente que la distancia de modulación cruzada es 47 dB. Esta es la costumbre europea.. 2.2.2.4 Distorsión por Modulación de Zumbido (HUM). Se define la modulación de zumbido como la relación, en decibeles, de la potencia pico de la portadora de video y el pico de bandas laterales de modulación no deseada a 50 Hz ó 60 Hz y armónicos, dependiendo de la frecuencia de línea; con respecto a la frecuencia de la portadora de video [30]. Esta forma de distorsión es el resultado de la modulación no deseada de una portadora de video en particular por parte de componentes de sistema de alimentación. Un nivel elevado para la medida a 60 Hz indica problemas con las conexiones a tierra o la existencia de corrientes neutras parásitas y un nivel elevado de la medida a 120 Hz indica que hay un mal filtrado del rectificador de onda completa en la fuente de alimentación de algún amplificador. En la práctica, se mide la modulación de zumbido como la profundidad porcentual de modulación de una portadora de video, mediante un osciloscopio, y luego convirtiéndola a decibeles. Para convertir la modulación porcentual en decibles se utiliza la siguiente expresión: Modulación de Hum en dB= 20*log (M/100). Donde M es la profundidad de modulación expresada en porciento. Este parámetro se puede calcular para cada una de las partes de la red: la cabecera, la red troncal y la red de distribución, donde no necesariamente los amplificadores y demás elementos son idénticamente iguales. Por lo que para obtener el valor de este tipo de distorsión al final de una cascada de amplificadores se puede utilizar la expresión 2.8.. 𝐻𝑀𝑂𝐷𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = −20 log (10. −𝐻𝑀𝑂𝐷1⁄ 20. + ⋯ + 10. −𝐻𝑀𝑂𝐷𝑚⁄ 20 ). (2.8). 2.2.3 Micro-reflexiones. Otro parámetro a considerar son las micro-reflexiones, las cuales no son más que pequeñas reflexiones que ocurren en la porción a coaxial de la red HFC. Las mismas se generan en discontinuidades existentes a lo largo de la red del cable específicamente en conectores,.