ESTÁNDAR IEEE 802.14 EN REDES DE BANDA ANCHA HFC (HÍBRIDAS FIBRA ÓPTICA-COAXIAL)
Lic. Ana Claret Dávila Rodríguez
dperez.99@usa.net
Resumen
Para proporcionar calidad de servicio (QoS) a usuarios con datos en tiempo real tales como audio, vídeo y servicios interactivos, el desenvolvimiento de la norma IEEE 802.14 para Redes Híbridas Fibra óptica / Coaxial (HFC) debe incluir un plan de prioridades en forma eficaz. A continuación se presenta una descripción de la Norma IEEE 802.14 la cual abarca especificaciones de la estructura del HFC. Se desarrollan aspectos relacionados con el acceso a Internet por cablemódems y se mencionan algunos de los organismos participes en el proceso de Estandarización.
Palabras Claves: Redes Hibridas Fibra óptica/coaxial, Protocolo de Control de Acceso al Medio, Canales Aguas arriba y Aguas abajo.
Summary
To provide quality of service (QoS) to users with data in real time as audio, video and interactive services, the development of the standard IEEE 802.14 for Hybrid Fiber / Coax (HFC) networks should include a plan of priorities in effective form. Here, the Standard IEEE 802.14 is presented which embraces specifications of the structure of the HFC. Aspects related with the Internet access through cablemodems and some of the participate organisms are mentioned in the process of Standardization.
Key words: Hybrid Fiber/Coax networks, Medium Access Control protocol, Upstream and Downstream Channels.
Introducción
Los avances tecnológicos que se viven día a día nos llevan a considerar a las redes Híbridas Fibra óptica/coaxial (HFC) como las redes que en un futuro no muy lejanos harán llegar a todos los hogares de la mayoría de las poblaciones de grande y mediano tamaño un amplísimo abanico de servicio y aplicaciones como: videojuegos interactivos, videoconferencias, telecompras, telebancas, etc., y los que vislumbran convertirse en los productos estrellas de las redes de cable: el acceso a Internet a alta velocidad y la telefonía.
Las redes de cable deben presentar una arquitectura que sea independiente de los servicios, soporte de flujos interactivos multimedia de elevados anchos de banda, el bucle de abonado debe permitir todo tipo de servicio, sea interconectable con otras redes y servicios y que se base en los actuales elementos de la red de TV por cable.
El desarrollo de las nuevas redes de comunicación por cable vienen reguladas a nivel de transporte por normativas generadas por comités como el IEEE 802.14, el Davic (Digital Audio Visual Council) o por el propio CCITT y ATM Forum en B-ISDN (ISDN Banda Ancha) o los comités MPEG a nivel de servicios.
IEEE 802.14
El Grupo IEEE 802.14 es justamente una parte de la larga serie de estándares 802 de LAN/MAN. Los estándares IEEE 802 para Ethernet y Token Ring, son los mas extendidos en las redes de comunicación, y productos basados en los estándares sobre 802 dan razón de la mayoría de nodos de comunicación instados en la industria [1].
El Grupo de trabajo IEEE 802.14 está caracterizado para crear estándares para transportar información sobre el cable tradicional de redes de TV. La arquitectura especifica un híbrido fibra óptica/coaxial que puede abarcar un radio de 80 kilómetros desde la cabecera. El objetivo primordial del protocolo de red en el diseño es el de transportar diferentes tipos de tráficos del IEEE 802.2 LLC (Control de Enlace Lógico), por ejemplo Ethernet. Sin embargo existe una fuerte opinión dentro del grupo que la red debería soportar redes ATM para llevar varios tipos de tráfico multimedia [2].
El grupo del estándar de la IEEE 802.14 define el protocolo de Capa Física y Control de Acceso al Medio (MAC) de redes usando cables Híbridos Fibra Óptica/Coaxial (HFC). Varios protocolos MAC han sido propuestos por el grupo de trabajo el cual tiene que comenzar la evaluación de procesos para concebir un sencillo protocolo MAC satisfaciendo todos los requerimientos de HFC.
Actualmente existen organizaciones implicadas en procesos de normalización de las telecomunicaciones en todo el mundo. Pero antes de describir sus trabajos realizados es fundamental explicar qué es el HFC y el protocolo MAC; y de igual forma especificar sus respectivas estructuras.
¿Qué es HFC?
Una red HFC (Híbridas Fibra óptica-Coaxial) es una red de telecomunicaciones por cable que combina la fibra óptica y el cable coaxial como soporte de la transmisión de las señales. Esta se compone básicamente de cuatro partes: la cabecera, la red troncal, la red de distribución y el bucle de abonados.
La cabecera es el centro desde el que se gobierna todo el sistema. Su complejidad depende de los servicios que ha de prestar la red, por ejemplo, para el servicio básico de distribución de señales unidireccionales de televisión (analógicas, dígitales) dispone de una serie de equipos de recepción de televisión terrenal, vía satélite y de microondas, así como de enlaces con otras cabeceras o estudios de producción. Por otra parte las señales analógicas se acondicionan para su transmisión por el medio del cable y se multiplexan en frecuencia en la banda comprendida entre los 86 y los 606 MHz; las señales dígitales de vídeo, audio y datos que forman los canales de televisión digital se multiplexan para formar el flujo de transporte MPEG (Motion Picture Expert Group) [3].
La cabecera también se encarga de monitorizar la red y supervisar el funcionamiento. El monitorizado se esta convirtiendo en un requerimiento básico de las redes de cable, a causa de la complejidad de las nuevas arquitecturas y a la sofisticación de los nuevos servicios que transportan, que exigen de la red una fiabilidad muy alta. Otras de las funciones que se realizan en la cabecera se relacionan con la tarifación y control de los servicios prestado a los abonados.
La red troncal suele presentar una estructura en forma de anillos redundantes de fibra óptica que une a un conjunto de nodos primarios. Esta estructura emplea frecuentemente tecnología PDH o SDH (Jerarquía Digital Plesiócrona y Jerarquía Digital Síncrona) que permite construir redes basadas en ATM (Modo de Transferencia Asíncrono). Los nodos primarios alimentan a otros nodos (secundarios) mediante enlaces punto a punto o mediante anillos. En los nodos secundarios las señales ópticas se convierten a señales eléctricas y se distribuyen a los hogares de los abonados a través de una estructura tipo bus de coaxial.
La red de distribución tiene por misión multiplexar la información ya sea proveniente de distintos proveedores de servicios o distintos usuarios, y adaptar el sistema de transporte a las características específicas de bucle de abonado. Generalmente el sistema de distribución enlaza los grandes nodos de conmutación con los nodos de distribución que son los responsables de recolectar o distribuir la información de los usuarios. Los nodos de distribución se sitúan físicamente en las manzanas de las grandes ciudades ofreciendo aproximadamente servicios a un millar de usuarios. El medio físico de transporte que une los nodos de conmutación con los de distribución continúa siendo la fibra óptica [4].
El sistema de distribución también puede albergar centros intermedios de almacenamiento digital, que sirvan para descongestionar los servidores de información de los proveedores de servicios. A los nodos de distribución también se les denomina cabecera de red de distribución.
El bucle de abonado interconecta los dispositivos del abonado o cliente con la cabecera. Desde el punto de vista topológico existen diversas posibilidades de interconexión de los usuarios con la cabecera de red, topologías en estrella, bus, árbol, etc. La más usual es la de árbol y ramas ya que mantiene la antigua topología de la red de TV por cable [4].
La interconexión cabecera-cliente se puede realizar con diversos medios físicos, que atendiendo a la señalización de línea o modulación empleada, permiten la sincronización y reparto del ancho de banda.
En el medio físico, la interconexión se puede clasificar en cinco tipos FTTC (Fiber to the Curb), FTTN (Fiber to the Node), FTTH (Fiber to the Home), ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Loop) y HFC (Hybrid Fiber-Coax).
Algunos de estos tipos son:
La tecnología FTTH propone la utilización de fibra óptica en el bucle de abonado empleando una modulación óptica por división en longitud de onda (WDM). La interconexión entre el abonado y el nodo de distribución puede realizarse con una topología en estrella (conexión punto-punto)o se puede intercalar un divisor óptico pasivo (Passive Optical Network) que reparta la información entre varios usuarios. Al ser el ancho de banda del bucle de abonado elevado permite transportar la información directamente con JDS a tasas de 155, 622 Mbps o superiores.
La tecnología FTTC consiste en interconectar los edificios con la cabecera a través de fibra óptica. El usuario se conecta con la unidad óptica situada el centro de distribución del edificio (Optical Network Units) con cable coaxial o par trenzado. Al ser el sistema FTTC un sistema en banda base el mecanismo de multiplexado para repartir la información a los usuarios se realiza con técnicas TDM. El multiplexado de la unidad óptica puede realizarse mediante un conmutador ATM que maneja anchos de banda del bucle de abonado cercanos a los 50 Mbits sobre cable coaxial o par trenzado.
La tecnología híbrida HFC transporta la información hasta el nodo de distribución mediante fibra óptica para posteriormente distribuirla a los usuarios de forma árbol y ramas a través de cable coaxial. HFC tiene la ventaja de mantener la misma topología que la red de TV por cable y ser una estructura modular. HFC distribuye el espectro del cable coaxial en un canal aguas abajo (downstream), 47-606 Mhz, que alberga canales de vídeo analógicos que mantienen la compatibilidad con la distribución de TV clásica, un canal de bajada digital (606-862 Mhz) que transporta canales digitales de vídeo MPEG y un canal de retorno digital con un ancho de banda entre 5 y 42 Mhz [4].
El usuario a través de una interfaz específica (Set-up Box) sintoniza uno o varios canales de 6Mhz para obtener información de los canales de bajada. Simultáneamente dispone de un canal aguas arriba (upstream) que es compartido entre todos los usuarios mediante el control de acceso al medio (MAC).
Arquitectura del sistema HFC
El sistema HFC esta caracterizado por la topología de árbol y ramas. En la raíz del árbol, la cabecera controla el tráfico. El ancho de banda esta dividido en varios canales, algunos dedicados para comunicaciones aguas abajo (desde la cabecera hacia las estaciones) mientras otras son transmisiones aguas arriba (desde las estaciones hacia la cabecera). Los estándares 802.14 y MCNS (Sistemas de Redes de Canal Multimedia) están diseñados sobre las especificaciones de protocolos de Capas Físicas y del protocolo MAC para implementar redes bidireccionales HFC.
Las especificaciones de la Capa Física definen características eléctricas del cable tales como las técnicas de modulación, ratas y frecuencias usadas. También describen varias operaciones de calidad en el sistema final de la capa física tales como perturbaciones, corrección de errores adelantada (FEC), sincronización de rangos y time[4].
Protocolo de Control de Acceso al Medio MAC
El protocolo MAC, que esta por encima de la capa física dentro de la pila de protocolos, fluye información entre la estación y la cabecera. La responsabilidad principal es asegurar que la estación A esta concediendo permiso para enviar información hacia la cabecera sin chocar con la estación B o C u otra estación que quiera hacer algo desde el canal aguas arriba. El Protocolo de Resolución de Colisión (CRP) esta hecho para resolver resultados de colisiones desde dos o más estaciones que estén transmitiendo simultáneamente [5].
Este protocolo se utiliza para la comunicación aguas arriba entre las estaciones y la cabecera, con el fin de usar eficientemente el canal aguas arriba. El MAC especifica las reglas que las estaciones deben emplear para solicitar el acceso al canal. El procedimiento es como sigue: Primero, una estación envía un pedido de ancho de banda por el canal aguas arriba a la cabecera. Si más de un usuario transmite una petición en el mismo tiempo, dichas peticiones chocan. La cabecera utiliza un protocolo de Resolución de Colisión (CRP) para forzar las estaciones a transmitir en diversos tiempos. Si las estaciones transmiten peticiones exitosamente, la cabecera reconoce su transmisión y reserva ancho de banda en el canal aguas arriba para las estaciones. La cabecera informa a la estación, usando un mensaje de concesión, cuándo utilizar el canal y el usuario envía datos sin el conflicto de tiempo especificado.
Una unidad de paquetes de información (PDU) MAC es la unidad básica de transferencia entre la capa MAC en la cabecera, y la estación. Esto consiste de una cabecera MAC con o sin una data PDU. La misma estructura esta usada en ambas direcciones aguas arriba y aguas abajo para transmitir información y administración de mensajes. El canal aguas arriba esta dividido en ranuras de tiempo discretos llamadas miniranuras.
Un número variable de miniranuras está agrupadas para formar una trama de la capa MAC. La cabecera determina el formato de la trama por la colocación del número de ranuras de datas (DS) y ranuras de conflictos (CS) en cada trama y envía esta información hacia las estaciones sobre el canal aguas arriba usando un mensaje asignado. Distintas miniranuras pueden estar agrupadas juntas para formar una ranura de información (DS) que porta un PDU MAC. Las ranuras de información (DS) están asignadas explícitamente hacia una estación especificada por la cabecera. La CS ataca en una miniranura y son usadas por las estaciones para transmitir solicitudes de ancho de banda. Más de una estación puede transmitir una solicitud en el mismo tiempo; las CS están propensas a colisiones. La cabecera controla el acceso hacia las CS además de administrar el CRP. Para ganar acceso hacia el canal aguas arriba una estación debe seguir estos procesos. Sobre la llegada de paquetes de data, la estación genera una solicitud y envíos en una CS. En caso de un choque de CS, la estación entra en el proceso de resolución de contención en orden para retransmitir las solicitudes [5].
Como vemos, el canal aguas arriba exige una mayor atención que el canal aguas abajo por parte del operador de red si se quiere asegurar ciertas prestaciones en el enlace digital ascendentes. Una red HFC correctamente diseñada y con nodos que sirvan a unos 500 hogares constituyen un sistema de envidiables prestaciones de cara al establecimiento de todo tipo de servicios de telecomunicaciones.
Esquema de red HFC [3]
Acceso a Internet a alta velocidad: cablemódems
El acceso a Internet a velocidades cada vez mayores se
ha convertido en uno de los grandes negocios de las nuevas redes
de acceso de banda ancha. Las redes HFC, mediante el uso de
módems especialmente diseñados para las comunicaciones
digitales en redes de cable, tienen capacidad para ofrecer
servicios de acceso a redes de datos como Internet a velocidades
cientos de veces superiores a las que el usuario medio está
acostumbrado. Los módems de cable están convirtiendo las redes
de CATV en verdaderos proveedores de servicios de
telecomunicación de vídeo, voz, y datos.
Un cablemódem típico tiene las siguientes características:
La cabecera ha de disponer de unos equipos que realicen funciones de router y switch, y que adapten el tráfico de datos de la red HFC al protocolo IP. Además, debe existir un sistema de gestión de red y de abonados, pudiendo también existir un servidor que realice funciones de caching de información y actúe como Firewall.
La transmisión de datos en redes HFC se realiza a través de un medio de acceso compartido, en el que un grupo más o menos grande de usuarios comparte un ancho de banda generalmente grande, un canal de 6 MHz, por ejemplo, con una capacidad de entre 10 y 30 Mbps.
En la siguiente figura se puede observar una propuesta de Scientific Atlanta para mejora de redes HFC ya existentes, ampliando el ancho de banda ofrecido de 750 a 1000 Mhz. Este sistema puede ser rentable en áreas en las que la inversión necesaria para su implantación está justificada por una alta demanda de servicios digitales conmutados de banda ancha (vídeo, voz y datos).
Las redes HFC se diseñan de forma que cada nodo óptico sirve zonas de unos 500 hogares. De estos 500 hogares, no todos se abonan al servicio de CATV, y un porcentaje aún menor contrata el servicio de datos con módems de cable. De éstos, a lo mejor un 30% se conecta simultáneamente, con lo que la capacidad total disponible para este servicio se reparte realmente entre unos pocos abonados en cada instante de tiempo, lo cual se traduce en capacidades efectivas (máximas y medias) de transmisión por abonado muy elevadas, aún comparándolas con el acceso RDSI a 128 Kbps.
Organismos implicados en el proceso de Normalización
Por otra parte, el DAVIC y el grupo de trabajo 802.14 del IEEE desarrollan una norma para sistemas ATM sobre redes HFC. El grupo de trabajo del IEEE 802.14 tiene como objetivo desarrollar normas para el despliegue de todo tipo de servicios de banda ancha a través de las infraestructuras HFC de cable, y recibe propuestas de multitud de otros grupos y empresas que desarrollan tecnología para redes de cable. Concretamente, el IEEE 802.14 está trabajando en las capas MAC y PHY para cablemódems. Diferentes empresas han anunciado que fabricarán cablemódems de acuerdo con la norma IEEE 802.14, aunque la mayoría de estas empresas también ha manifestado que construirá cablemódems según las especificaciones del MCNS [6].
MCNS también desarrolla sus propias especificaciones para las capas MAC y PHY. Su gran poder económico valida automáticamente cualquier esfuerzo que realice. MCNS ha trabajado conjuntamente con el IEEE 802.14. Los fabricantes han lanzado al mercado una infinidad de productos para comunicaciones bidireccionales por cable, ya sea con retorno a través de la propia red HFC o a través de la red telefónica.
El elemento clave que permite el funcionamiento correcto y eficiente de un sistema de acceso compartido como es una red HFC es el protocolo MAC (Medium Access Control), que constituye el conjunto de reglas que deben seguir todos los usuarios de la red. El protocolo MAC asigna ancho de banda a los usuarios que lo solicitan y regula su actividad de manera que cada uno reciba la capacidad deseada, asegurándose de que el sistema se comporta de manera óptima.
Conclusión
El elemento clave que permite el funcionamiento correcto y eficiente de un sistema de acceso compartido como es una red HFC es el protocolo MAC (Medium Access Control), este constituye un conjunto de reglas que deben seguir todos los usuarios de red.
La arquitectura de red HFC posee una serie de características que la hacen atractiva, tanto a operadores de cable como a las empresas de telecomunicaciones, para ofertar servicios de banda ancha a los abonados. Éstos están usando de manera masiva los servicios que proporciona Internet.
Debido a la creciente demanda de servicios de datos a alta velocidad, los operadores de cable se encuentran en una posición óptima para generar ingresos a partir de la prestación de éstos a través de unas redes que optimizan la relación entre penetración de la fibra óptica y los costos de instalación del sistema. Para esto es necesario diseñar un sistema de cablemódem de bajo costo, sencillo de instalar, y fácil de usar por los abonados, estableciéndose así una sólida base para un crecimiento futuro del servicio.
Referencias
[1] IEEE, "IEEE standards help shape on-line future", http://stdsbbs.ieee.org/groups/802/standars.html
[2] IEEE, "IEEE 802.14 Working Group", 1998, http://stdsbbs.ieee.org/groups/802/index.html
[3] Comunicaciones World, "Redes de cable de banda ancha HFC (híbridas fibra óptica-coaxial)", http://usuarios.isid.es/users/amb/artichfc.
[4] http://facea.uach.cl/~cquezada/cable4.html
[5] IEEE Communications Surveys, "A Review of contention resolution algorithms for IEEE 802.14 Networks", 1999, http://www.comsoc.org/pubs/surveys
[6] Comunicaciones World, "El mercado de los cablemodems: fabricantes y estándares", http://usuarios.isid.es/users/amb/cablem3.htm
Biografía
Licenciada en Computación, egresada de la Universidad Nueva Esparta en Noviembre de 1998. Actualmente se desempeña como docente en la Unidad Educativa Instituto "San Antonio".