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UNMSM.Contreras. Líneas HFC..

Líneas HFC Edwin David Contreras Torres [email protected]

RESUMEN: Las Líneas o Redes HFC, es una tecnología de acceso para redes de televisión por cable y redes de acceso a internet, pues ofrece mayores y mejores servicios, ya que tiene mayor ancho de banda y también permite entregar servicios de forma integrada y a través de un único acceso. Una parte importante de la implementación de HFC, es que se reemplaza parte de la red coaxial con fibra óptica para conseguir mejor prestación de servicios y bidireccionalidad, para así de esta manera satisfacer las necesidades del usuario final brindando un mayor ancho de banda y por ende un mayor servicio.

también llamado núcleo central por el cual circula la señal eléctrica (datos), seguidamente tenemos al dieléctrico el cual evita que las fugas de corriente se dirijan hacia la capa superior del cable y sobre este se enrolla un conductor externo de tal manera que las corriente que logran desprenderse del dieléctrico son absorbidas por este conductor externo o también llamada malla conductora y finalmente todo queda enrollado bajo una capa protectora .

PALABRAS CLAVE: El uso de Redes HFC brinda un mayor ancho de banda.

1 INTRODUCCIÓN

Figura 1. Cable coaxial

2.2 .Cable de fibra óptica

Las líneas HFC o redes HFC cuya siglas provienen del inglés “Hybrid Fiber - Coaxial” o del español “Hibrido fibra - coaxial” poseen una tecnología que se comenzó a implementarse a través de operadores de CATV que además de brindar el servicio de televisión por cable, lograron anexar el transporte, por el mismo medio, de la señal de internet de banda ancha. A través del uso de la fibra óptica y cable coaxial, la red es capaz de aprovecharse de los beneficios y minimizar el impacto de las limitaciones inherentes a cada una.

La fibra óptica es un medio de transmisión utilizado para la transmisión de datos. Está formado internamente por un hilo muy fino o llamado núcleo óptico el cual lo podemos observar en la Figura 2 .Este núcleo está hecho de un material transparente (vidrio) por el cual se envían pulsos de luz y recubiertos por varias capas de protección debido a la sensibilidad que poseen al poder ser dañados El uso de la fibra óptica permite realizar él envió de gran cantidad de información a grandes distancia con velocidades de transmisión muy altas .También poseen inmunidad a las interferencia electromagnéticas por la razón que el tipo de señal que se transmiten entre ellas son señales de luz y no señales eléctricas.

La fibra óptica por un lado proporciona la ventaja de cubrir distancias razonablemente largas con un mínimo de amplificación y regeneración de la señal, pero sin embargo debido a la naturaleza de esta tecnología, el coste que requiere su implementación y los cambios de equipamientos en el usuario final , se logró adaptar un transformador óptico de tal manera que la señal de luz sea transformada a una señal eléctrica y de esta manera el uso del cable coaxial sea una prioridad , de tal manera que se reduce el coste de implementación y se logra aumentar el ancho de banda .

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2 FORMATO 2.1 .Cable coaxial El cable coaxial es un cable utilizado para transportar señales de alta frecuencia posee un mayor ancho de banda en comparación a otros cables de transmisión de datos a base de pulsos eléctricos, permite recorrer mayores distancias y posee un bajo coste. Su estructura interna consta de cuatro elementos fundamentales el cual podemos visualizar en la Figura 1, el primero de ellos es el conductor interno o

Figura 2.Cable de Fibra Óptica

2.3. Redes CATV y HFC 1

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A finales de los años 80 empezaron a funcionar las redes CATV con la arquitectura HFC, como mejora de las redes que solo funcionaban a base de cable coaxial. Con esta arquitectura se buscaba resolver los problemas de gestión y mantenimiento que generaban las redes CATV, a esos tipos de redes se les denomino redes HFC.

Las redes HFC son una evolución de las redes CATV, por ello a continuación se describirá el significado y funcionalidades de las redes CATV.

2.3.1. Redes CATV Las Redes CATV por sus siglas en inglés “Community Antenna Television “comúnmente denominada videocable es el servicio que ofrece transferencia de imágenes de televisión a los domicilios de los abonados o también denominados usuarios finales.

Una red HFC es una combinación de fibra óptica y cable coaxial como soportes para la transmisión de señales, se combina la fibra y el cable coaxial para aprovechar las cualidades que ambos presentan, teniendo por un lado las bajas perdidas e interferencia de la fibra óptica y por otro el bajo coste y la sencillez de instalación y conectorizacion del cable coaxial. Para las redes HFC se tienen dos niveles jerárquicos, el principal formado por un tendido de fibra que distribuye la señal desde el centro del emisor (cabecera) hasta cada zona de la ciudad .En cada zona de la ciudad hay un nodo que se encarga de convertir la señal óptica en eléctrica para su distribución final en cable coaxial a los abonados .Cada zona abarca una cierta cantidad de abonados entre 50 a 2000.

Las redes CATV antiguas eran unidireccionales (sentido downstream) en la Figura 3 podremos apreciar a que nos referimos con que sea unidireccionales , el hecho de ser unidireccionales era debido a que no se tenía la necesidad de utilizarlas en sentido ascendente pues el servicio de televisión consistía básicamente en la obtención de señales visuales en los receptores de los usuarios , por esta razón los amplificadores actuaban con la única función de amplificar las señales en el sentido descendente y se comportaban como válvulas , pues impedían cualquier tipo de señal que intentara propagarse hacia el exterior.

Un elemento importante en la implantación de redes HFC es la posibilidad de enviar una señal analógica en fibra sin necesidad de convertirla en una señal digital. Otro gran paso para estas redes fue la facilidad de la utilización de la red para el tráfico ascendente (upstream), esto permite las labores de monitoreo y servicios tales como el de internet y VoIP, de esta manera la Red HFC es bidireccional Figura 4.

Este tipo de Redes CATV utilizaban cable coaxial en toda su infraestructura el cable coaxial que utilizaban era de 75 Ω que confiere a una menor atenuación para cubrir grandes distancias y de igual manera los amplificadores eran colocados cada 0.5 km a 1 km, la distancia máxima de los amplificadores dependía del número total de usuarios que soliciten el servicio, de tal manera que mientras más usuarios las distancias se acortan.

Figura 4. Sentido Bidireccional en la Red HFC Figura 3. Sentido Unidireccional en la Red CATV

2.3.2. Redes HFC 2

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2.4 Ancho de Banda de una Red HFC

2.4.2 Ancho de banda downstream

En términos generales el ancho de banda es la medida en frecuencia (HZ) del espacio que tiene un canal para enviar información, entre más amplio sea el espacio de ancho de banda, más información y variedad de servicios se transportaran.

Parte del espectro de la banda HFC, por donde viajan las señales de la cabecera (punto A) hacia el cliente (punto B) es también llamado ancho de banda de bajada. Las señales de TV, Internet, HD, PVR, DVB viajan de cabecera al cliente, por ende necesitan un espacio en la banda de bajada,

Como definimos anteriormente la Red HFC es bidireccional ósea los datos son enviados de un punto A el cual sería la “Cabecera “hacia un punto B el cual sería el “Abonado o usuario “, por el momento consideremos ambos conceptos como si fueran dos puntos de los cuales se envía información del punta A al punto B y viceversa, dado que más adelante se explicara la arquitectura de la red HFC y se mencionaran estas definiciones.

Abarca un ancho de banda que va desde los 54 MHz hasta los 860 MHz.

Ahora centrándonos en el concepto de bidireccionalidad ósea que el punto A y el punto B se puedan comunicar, él envió de información se realiza en dos bandas de frecuencia diferentes dicho de otra forma, la comunicación entre el punto A hacia el punto B se realiza en un ancho de banda de frecuencia llamado ancho de banda de bajada o downstream y la comunicación entre el punto B hacia el punto A se realiza en un ancho de banda diferente llamado ancho de banda de subida o upstream.

Figura 6. Ancho de banda de bajada o downstream

2.5 Arquitectura de una Red HFC Una arquitectura de una Red HFC está formada por 4 partes principales:

2.4.1 Ancho de banda upstream

   

Parte del espectro de la banda HFC, por donde viajan las señales del cliente (punto B) hacia la cabecera (punto A) es también llamado ancho de banda de subida. Los equipos como Cable Modem (Internet), eMTA (Telefonía) y Decos Motorola necesitan una parte de este retorno para enviar información.

La cabecera o Headend La red troncal La red de distribución La red acometida de los abonados

2.5.1 Cabecera o Headend La cabecera es el centro de donde se gobierna todo el sistema. Su complejidad depende de los servicios que ha de prestar la red. En ella se encuentran equipos de procesamiento de señales y equipos de comunicación para descarga y envió de información de toda la red HFC.

Abarca un ancho banda que va desde los 5 MHz hacia los 42 MHz

Figura 5. Ancho de banda de subida o upstream

Figura 7. Cabecera o headend

2.5.2 Red troncal 3

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La red troncal es la encargada de repartir la señal compuesta, generada por la cabecera a todas las zonas de distribución que abarca la red de cable. El primer paso en la evolución de las redes clásicas todo coaxial de CATV hacia las redes de telecomunicaciones por cable HFC consistió en sustituir las largas cascadas de amplificadores y el cable coaxial de la red troncal por enlaces punto a punto de fibra óptica. Posteriormente, la penetración de la fibra en la red de cable ha ido en aumento, y la red troncal se ha convertido, por ejemplo, en una estructura con anillos redundantes que unen nodos ópticos entre sí. En estos nodo ópticos es donde las señales descendentes (de la cabecera a usuario) pasan de óptico a eléctrico para continuar su camino hacia el hogar del abonado a través de la red de distribución de coaxial. En los sistemas bidireccionales, los nodos ópticos también se encargan de recibir las señales del canal de retorno o ascendentes (del abonado a la cabecera) para convertirlas en señales ópticas y transmitirlas a la cabecera.

Es la instalación interna del edificio, el último tramo antes de la base de conexión. Es una de las tareas más esenciales por estética, buena instalación y de ahí depende que el usuario adquiera una buena señal.

Figura 9. Red de acometida de los abonados

Finalmente vamos a juntar todas las partes y visualizar de manera global las partes de una arquitectura de una red HFC.

Figura 8. Red troncal

2.5.3 Red de distribución La parte de la red HFC encargada de la distribución de señales desde el nodo óptico (Red troncal) hasta la Red de acometida de los abonados, recorriendo amplificadores de señal, dispositivos de distribución hasta llegar al cliente final. Esta red de distribución está compuesta por una estructura tipo bus a base de cable coaxial es decir en esta etapa se convierte la señal de luz a señal eléctrica para de esta manera a través del uso del cable coaxial poder transportarla.

Figura 10. Arquitectura de una red HFC

2.6 Elementos de una Red HFC 2.61. CMTS CMTS (“Cable Modem Termination System”) es el dispositivo que se encarga de enviar los datos en sentido descendente modulados por el canal de televisión elegido al efecto y también recogen del cable módems de los usuarios los datos que éstos envían a través del canal ascendente asignado. El CMTS se ubica generalmente en el centro emisor o cabecera de la red, desde allí se conecta al resto de la red (red de transporte) y a Internet por alguna tecnología WAN.

Figura 8. Red de distribución

2.5.4 Red acometida de los abonados

2.6.2 El cable Modem 4

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El cable modem es un dispositivo dispuesto por el usuario, se encarga de sintonizar el canal de televisión elegido para los datos y extraer los que le corresponden, aquellos datos que van dirigidos a él y aquellos que quiere enviar a otra persona ya sea en la misma red (cabecera local) o diferente, esto se realiza por el canal ascendente. Las formas para conectar el cable modem al computador del usuario es por medio de la interfaz Ethernet de 10/100 Mbps que es una interfaz de alta velocidad y bajo costo .

Elementos encargados de compensar las pérdidas de la señal ocasionada por el cable coaxial en las redes HFC , permiten mantener la ganancia unitaria en el sistema , es decir que no exista diferencia entre un punto de red y otro

Funciones del cable     

Captar y genera señal de radiofrecuencia. Modular y demodular los datos. Generar y verificar información de control de errores (FEC). Encriptar y desencriptar la información. Gestión y control del tráfico (Limitación del caudal, número de Pcs conectados).

Figura 12. Amplificadores

2.6.5 Spliters Se utiliza en el sistema de cable para dividir la señal en 2 o más salidas y permitir su distribución. Ahora cuando tenemos un spliter de una entrada y dos salidas cada salida del spliter será atenuada en un valor de 3.5db como se ve en la Figura 12, de igual manera cuando tenemos un spliter de una entrada y 3 salidas , una salida posee una atenuación de 3.5db y las dos otras dos salidas una atenuación de 7db, en el caso de tener un spliter con 4 salidas la atenuación en cada salida será de 7db .

Figura 10. CMTS y Cable modem

2.6.3 Fuente de alimentación El elemento que permite el suministro de potencia a todos los equipos activos de la red tales como Amplificadores, Nodos y la misma fuente, se alimenta del voltaje 110VAC de la red eléctrica y entrega a nuestros equipos un voltaje de 90VAC para que enciendan y funcionen. Además cuentan con un banco de baterías que suministra respaldo en caso falle la energía eléctrica del sector

Figura 13. Spliters de 1 entrada y 2-3 salidas

Figura 11. Fuente de alimentación

2.6.4 Amplificadores 5

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2.6.6 Nodo Óptico Es el dispositivo el cual acopla la red de fibra con la red coaxial, internamente está compuesto: Receptor óptico el cual se encarga de transformar la señal óptica en señal RF para ser transmitida por el cable coaxial, adicionalmente cuenta con un amplificador de RF interno. Transmisor Óptico el cual se encarga de transformar la señal RF de retorno de los equipos de control y los instalados en el cliente en señales ópticas.

Figura 15 .Canalización

Canalización para el Canal Ascendente: El ancho de banda ascendente es un recurso limitado, pues debe ser compartido por todos los usuarios haciendo uso de técnicas de acceso al medio. Este ancho de banda suele dividirse en varios canales RF ascendentes, de 1 a 6 MHz cada uno, con capacidad entre 1.6 y 10 Mbps por canal, de acuerdo al uso de técnicas de modulación digital (por ejemplo modulación QPSK) y normalizadas según el estándar DOCSIS

Figura 14 .Nodo Óptico

2.7 Transmisión de datos en una red HFC 2.8 REPARTO DE FRECUENCIAS EN REDES HFC (DOCSIS)

Cuando se utiliza una red CATV para transmitir datos se reserva un canal de televisión para el sentido descendente; para esto se definen unas normas: la norma americana NTSC o europea PAL o SECAM, según la americana el ancho de banda del canal será de 6 MHz, por el contrario según la norma europea éste será de 8MHz.

2.7.1 Espectro y canalización El espectro de las redes de cable está evolucionando desde los 300/400/45 MHz de las antiguas redes (tipo coaxial y dedicadas exclusivamente a la difusión de televisión) hasta los 860MHz de las actuales redes HFC (América). Canalización para el Canal Descendente:  



De 87.5 a 108 MHz para radiodifusión-FM sonora. De 54 a 550 MHz (quitando la banda FM) para difusión de televisión en formato analógico De 550 a 862 MHz para servicios digitales.

Figura 16 .Frecuencias en redes HFC

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2.9.1 FRECUENCIAS ASCENDENTES TIPICAS EN UNA RED HFC (MODELO EUROPEO)

del canal y supone un mayor costo de los equipos. Debido al mayor costo de 16 QAM y 256 QAM en general se prefiere utilizar QPSK y 64 QAM y recurrir a la utilización de canales adicionales cuando se necesita mayor capacidad.

Figura 19 .Técnicas de modulación

Figura 17 .Frecuencias ascendentes modelo Europeo

2.11 REFERENCIAS

2.9.2 FRECUENCIAS DESCENDENTES EN UNA RED HFC (MODELO EUROPEO)

[1] G. Obregón-Pulido, B. Castillo-Toledo and A. Loukianov, “A globally convergent estimator for n frequencies”, IEEE Trans. On Aut. Control. Vol. 47. No 5. pp 857-863. May 2002. [2] H. Khalil, ”Nonlinear Systems”, 2nd. ed., Prentice Hall, NJ, pp. 50-56, 1996. [3] Francis. B. A. and W. M. Wonham, “The internal model principle of control theory”, Automatica. Vol. 12. pp. 457465. 1976. [4] E. H. Miller, “A note on reflector arrays”, IEEE Trans. Antennas Propagat., Aceptado para su publicación. [5] Control Toolbox (6.0), User´s Guide, The Math Works, 2001, pp. 2-10-2-35. [6] J. Jones. (2007, Febrero 6). Networks (2nd ed.) [En línea]. Disponible en: http://www.atm.com.

Figura 18. Frecuencias ascendentes modelo Europeo

2.10 TÉCNICAS DE MODULACIÓN PARA REDES DE DATOS EN REDES HFC Las técnicas de modulación empleadas en redes HFC son diferentes en sentido ascendente y descendente, ya que la menor relación señal/ruido del canal ascendente obliga a utilizar técnicas más robustas que en el descendente. De acuerdo con lo que cabría esperar por la Ley de Shannon las modulaciones más resistentes al ruido tienen una eficiencia en bits por símbolo menor. En ascendente se emplea normalmente la modulación QPSK, pudiendo alternativamente emplear la 16 QAM, que requiere una relación señal/ruido 3 dB mayor; también requiere una mayor complejidad de los circuitos y por tanto un mayor costo. En descendente se utiliza normalmente modulación 64 QAM, pudiendo emplearse también 256 QAM. Aquí de nuevo la mayor eficiencia requiere una mayor calidad

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