Arquitecturas Redes Catv

Diferentes Arquitecturas Utilizadas en Redes de CATV

Ing Juan Ramón García Bish [email protected]

Arquitectura Tipo Arbol y Rama (Tree & Branch)  

    

Es la arquitectura tradicionalmente utilizada en las redes de CATV desde 1950 hasta 1990 Consta de dos partes básicas : - Línea troncal que se va ramificando. - Línea de distribución que se deriva de la troncal. Conexiones a usuarios se toman de la distribución Cascada de amplificadores troncales = 30 o 40 amp Cascada de distribucion = 1 Bridger + 3 extensores Ancho de banda típico 220 MHz hasta 550 MHz. Espaciamiento típico 22 a 25 dB.

Arquitectura Tipo Arbol y Rama Esquema Básico

Arquitectura Tipo Arbol y Rama 









Calidad de señal muy dependiente de la ubicación del cliente respecto al headend. Fluctuaciones de nivel de señal al final de la linea por la gran cantidad de dispositivos en cascada. Poco confiable, gran cantidad de dispositivos encadenados genera multiples puntos de falla. Inapropiada para servicios bidireccionales : - Baja capacidad de retorno compartida entre muchos - Efecto de acumulacion de ingreso interferencias Limitacion de ancho de banda

Arquitecturas tipo HFC HFC = Arquitectura hibrida de fibra optica y cable coaxil  Cada variacion de diseño tiene su acronismo - CAN = Cable Area Network - FBB = Fiber Backbone - FTF = Fiber to the Feeder - FTLA = Fiber to the Last Active - FTTC = Fiber to the Curb FTTH = Fiber to the Home 

Arquitecturas Tipo HFC 

 



Esta arquitectura se basa en una estructura celular donde enlaces de fibra óptica vinculan pequeñas celdas (nodos) con la cabecera del sistema. Característica de las construcciones desde 1990. Tamaño del nodo óptico : - 1990-1995 => 2000 a 5000 hogares - 1995-2000 => 1000 a 2000 hogares - 2000-2005 => 100 a 1000 hogares Ancho de Banda : - 1990-1995 => 550 a 750 MHz - 1995-2000 => 750 a 860 MHz - 2000-2005 => 860 a 1000 MHz

Cable Area Network - CAN     

Mas que una arquitectura se trata de una herramienta de actualización del sistema (upgrade). Consiste en reemplazar partes de la linea troncal por enlaces de fibra óptica. Permite mejorar la confiabilidad y la calidad de la señal al reducir cascadas de amplificadores. Permite implementar sistemas redundantes si se utiliza la vieja troncal como reserva. Permite utilizar este recurso como alternativa para ampliar el ancho de banda reemplazando troncales por equipos de mayor ganancia (superior a 30 dB)

Cable Area Network

Fiber Backbone 





Si se invierte la posicion de algunos amplificadores de la vieja troncal se logra optimizar la relación entre cascada y cantidad de enlaces de fibra. Se pierde la redundancia al no poder utilizarse la vieja troncal como reserva. Esta arquitectura se utilizo tanto en actualización como en nuevas construcciones a fines de los 80s

Fiber Backbone

Fiber to the Feeder 







Esta arquitectura parte de definir el alcance del nodo optico en funcion de una cierta cantidad de casas pasadas o extension geografica. La calidad de señal buscada tambien limita la extension del nodo optico. En el tramo coaxil diferenciamos lineas expreso (express feeder) y lineas de distribucion. Es practica comun no intercalar derivadores domiciliarios (multitaps) sobre las lineas expreso.

Fiber to the Feeder

Fiber to the Last Active 

  



Esta arquitectura ubica un nodo óptico con varias salidas operando en alto nivel para alimentar una gran cantidad de clientes. Nodos pequeños, menos de 100 hogares típico. No existen amplificadores en cascada. La distribución es totalmente pasiva PON = Passive Optical network. Arquitectura eficiente en areas de densidad media o alta.

Fiber to the Last Active

Fiber to the Curb 



 

 

El cable de fibra optica llega hasta la puerta de la casa del suscriptor (curb = cordon de la vereda). Esta arquitectura se basa en mini-nodos de bajo costo con 4 , 8 o 16 salidas. Nodos muy pequenos, menos de 20 hogares Igual que la arquitectura de fibra hasta el ultimo activo es totalmente pasiva. Arquitectura muy rica en tendido de fibra La unica limitacion de ancho de banda esta en el enlace optico

Fiber to the Home El cable de fibra optica ingresa a la casa del cliente  Se requieren cables de gran cantidad de fibras opticas.  Todavia no resulta economicamente viable 

Consideraciones sobre la Cantidad de Fibras 







Fiber count = cantidad de fibras opticas que se asignan a cada nodo. Debe definirse si se va a permitir dividir la senal optica en la calle. Es preferible hacer todo el manejo de las señales ópticas (division, conmutacion y combinacion) en el headend. Minima cantidad de fibras = 2 por nodo (1 fibra para directa y 1 fibra para reversa) Cantidad de fibras recomendada 8 a 12 por nodo 12 fibras = 4 directa + 4 reversa + 4 reserva

Arquitectura HFC Evolución 



 

A medida que el tamaño del nodo va disminuyendo cada vez se requiere que mas fibras ópticas lleguen hasta la cabecera del sistema. En sistemas sin redundancia el numero de fibras en los cables se ira reduciendo a medida que nos alejemos de la cabecera (modulo escalonado) En sistemas redundantes tendremos un anillo con cantidad constante de fibras (modulo constante) Con nodos pequeños se tiene casi la misma calidad de señal en cualquier punto del sistema.

Arquitectura HFC Estrellas de Fibra - Módulo Decreciente

Arquitectura HFC Anillos de Fibra – Modulo Constante

Arquitectura HFC Caso Real - Cantidad de Fibras 



Consideremos los siguientes parámetros : - Ciudad de 1.000.000 hogares (Buenos Aires) - Nodos de 1000 hogares pasados. - Prevision de 12 fibras ópticas por nodo. Con estas hipótesis resulta : - Cantidad total de nodos = 1000 - Cantidad total de fibras ópticas llegando a la cabecera del sistema = 12000

Arquitectura HFC - Segmentación 

 

Para reducir la cantidad de fibras que llegan al Headend dividimos al sistema en unidades menores denominadas HUBs . Desde el Headend llegamos a los HUBs con enlaces redundantes de fibra (anillos). Desde los hubs llegamos a los nodos con : - Enlaces redundantes (anillos) - Enlaces no redundantes (estrella o modulo decreciente)

Arquitecturas HFC modernas    

De acuerdo a las consideraciones anteriores resultan tres arquitecturas modernas tipo HFC. Anillo – Estrella : Anillo entre HUBs y estrella al nodo. Doble Anillo : Anillo entre HUBs y anillo entre los nodos. Anillo – Anillo – Estrella Introduce el concepto de HUB secundario. Anillo HUBs primarios y anillo HUBs secundarios Estrella de Hub secundario al nodo.

Arquitectura HFC Tipo Anillo - Estrella

Arquitectura HFC Tipo Anillo - Anillo

Arquitectura HFC Tipo Anillo – Anillo - Estrella

Anillo Óptico Headend – Hub Dividiendo la señal Óptica en Headend

Anillo Óptico Headend – Hub Dividiendo la señal Óptica en Anillo

Broadcast & Narrowcast 



Broadcast = La misma información esta presente en todos los puntos del sistema. Estructura típica de transmisión en la arquitectura tipo “Árbol y Rama” (Tree & Branch) Narrowcast = Se transmite información difernciada según el cliente o la región geografica. Las diferentes variantes de la arquitectura HFC permiten segmentar el area de cobertura enviando información especifica según el nodo, grupo de nodos o HUB.

Servicios Tipo Narrowcast     

Canal de información local o regional. (Diferenciado por HUB o grupo de HUBs) Servicios de Video por Demanda (VOD). (Diferenciado por nodo o grupo de nodos) Servicios de Telefonía y Datos . (Diferenciado por nodo o grupo de nodos) Inserción de publicidad diferenciada por target de audiencia.(Diferenciado por nodo o grupo de nodos) Al direccionar la información solo al usuario que debe recibirla se logra optimizar el uso del ancho de banda (permite el reuso de frecuencias)

Arquitecturas de Narrowcast Narrowcast a nivel RF desde el HUB.  CWDM (Coarse Wave Division Multiplexing): 1550nm Broadcast / 1310 Narrowcast  DWDM (Dense wave Division multiplexing): 1310nm Narrowcast / 1550 Broadcast  DWDM (Dense Wave Division Multiplexing): 1550nm Narrowcast / 1550 Broadcast 

Narrowcast a Nivel RF desde el Hub

CWDM – Narrowcast en 1310 nm

DWDM – Narrowcast en 1550 nm

DWDM – Narrowcast en 1550 nm

Multiplicación Capacidad Upstream 

Dedicacion de mas fibras al retorno.

Apilado de frecuencia, conv. en bloque. (Frequency Stacking , Block Conversion)  WDM , CWDM, SWDM, DWDM (Wave Division Multiplexing)  Retorno Digital  Combinacion de las anteriores 

Dedicacion de mas Fibras al Retorno 









Es el metodo mas economico si existe suficiente cantidad de fibras de reserva. Permite utilizar transmisores opticos tipo Fabry-Perrot (FP) o DFB. Transmisores FP: economicos pero baja pefomance (problemas de ruido y de estabilidad termica) Metodo caro si hay que instalar nuevo cable de F.O., sobre todo en zonas urbanas. Tipicamente se preveen 4 fibras por nodo para retorno lo cual permite segmentar el nodo en cuatro partes.

Multiples Fibras de Retorno por Nodo

Conversion en Bloque 





Se efectua una conversion hacia frecuencias mas altas para multiplexar cuatro retornos dentro de una banda de 200 MHz de ancho de banda. No permite el uso de transmisores opticos tipo FP pues se requiere una mayor linealidad. Solo se puede trabajar con transmisores tipo DFB. La perfomance del sistema depende de las caracteristicas de cada conversor en bloque : - Rango Dinamico Estabilidad en Frecuencia - Ruido de Fase

Conversion en bloque

Multiplexación por long de onda 





WDM o CWDM (coarse wave division multiplexing) Una longitud de onda cercana a los 1310 nm y otra a los 1550 nm SWDM (sparse wave division multiplexing) Una long de onda de 1310 nm se combina con hasta 8 de 1550 nm. DWDM (dense wave division multiplexing) Idem al caso anterior pero llegando hasta 16 longitudes de onda para operación analogica y 32 en el caso digital

SWDM – Sparse Wave Division Multip.   





Estabilidad de los laser DFB = 15 nm . Longitudes de onda espaciadas = 20 nm . Valores nominales de longitud de onda = 1490, 1510, 1530, 1550, 1570, 1590 y 1610 nm. Amplio rango de longitudes de onda no permite el uso de amplificadores ópticos EDFA (Erbium Doped Fibre Amplifier) Adecuado para cubrir links de hasta 13 dB de presupuesto óptico.

DWDM – Dense Wave Division multiplexing  

  

Usualmente cubre la banda C = 1520 - 1570 nm. La ITU (International Telecommunications Union) ha definido un set de longitudes de onda standard que se conoce como grilla ITU. Espaciamiento grilla ITU = 100 GHz o 0.8 nm. Canales ITU comienzan con CH 0 = 1577.86 nm Tecnologia actual permite transmision de señales analogicas con tecnicas DWDM hasta 8 long. de onda por fibra (16 en condiciones especiales).

SWDM – DWDM en el Hub Hub Activo

DWDM en el Hub - Hub Pasivo

Retorno Digital 





  

El sistema mas basico consiste en digitalizar la señal analogica de 0 a 42 MHz. Para un rango dinamico adecuado se requieren conversores Analogico-Digitales de 10 a 12 bits y frecuencias de muestreo superiores a 90 MHz. En estas condiciones se requiere un link digital de 2.5 Gbps para transmitir dos retornos independientes. Permite utilizar transmisores opticos de bajo costo. Mayor robustez permite SWDM con links de 23 dB. Digital DWDM permite hasta 32 longit. de onda.

Retorno Digital

Conversion en Bloque + DWDM 





Combina tecnicas de conversion en bloque en el Nodo con DWDM en el Nodo o Hub. Permite implementar estructuras centralizadas sin incrementar considerablemente la cantidad de fibras que llegan a la cabecera. Multiplexando : - 4 bloques sobre 8 lambdas = 32 retornos x fibra - 4 bloques sobre 16 lambdas = 64 retornos x fibra - 8 bloques sobre 16 lambdas = 128 retornos x fibra

Conversion en Bloque + DWDM

Nodo Escalable Escalabilidad vs Redundancia 





Nodo escalable admite los siguientes modulos : - 4 Receptores opticos - 4 Transmisores opticos - 2 Fuentes de alimentacion Maxima escalabilidad sin redundancia = 4 x 4 Division en 4 downstreams + 4 upstreams Maxima escalabilidad con redundancia = 2 x 2 Division en 2 downstreams + 2 upstreams

Escalabilidad vs Redundancia Downstream

Escalabilidad X2 Sin redundancia

Escalabilidad X2 Escalabilidad X4 Con redundancia Sin redundancia

Escalabilidad vs Redundancia Upstream

Sin escalar

Escalabilidad X2 Escalabilidad X4

Con redundancia

Con redundancia Sin redundancia

Esquema Hub Downstream

Esquema Hub Upstream