Banda Ancha

ARQUITECTURA DE REDES SISTEMAS Y SERVICIOS.

2º Ing. Telecomunicación. Curso 2004/05

EL RETO DE LA BANDA ANCHA

1. INTRODUCCIÓN................................................................................................................. 2 1.1 1.2

NUEVOS MECANISMOS DE TRANSPORTE .........................................................................2 NUEVAS TECNOLOGÍAS DE ACCESO.................................................................................2

2. ATM ....................................................................................................................................... 4 2.1 2.2 2.3 2.4

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................4 EL CONCEPTO DE CONEXIÓN Y CÉLULA .........................................................................4 ESTABLECIMIENTO Y CONTROL DE CONEXIONES ..........................................................5 LA CONMUTACIÓN EN ATM ............................................................................................5

3. LA RED DE ACCESO.......................................................................................................... 9 3.1 3.2 3.3

TECNOLOGÍAS DSL ..........................................................................................................9 UMTS..............................................................................................................................10 REDES DE TELECOMUNICACIÓN POR CABLE. ..............................................................11

4. CONCLUSIONES ............................................................................................................... 14

2 El reto de la banda ancha

1.

INTRODUCCIÓN

Como se comentó en el tema anterior, el marco actual de las telecomunicaciones obliga a los proveedores de servicios a aumentar la variedad y calidad de servicios ofrecidos. Esto implica poder ofrecer al usuario accesos personalizados a la red con distintos anchos de banda y distintas calidades de servicio según sus necesidades, traducido por supuesto en distintas tarificaciones. Esta “revolución” de las redes tiene que venir acompañada de cambios tanto en la tecnología de transmisión utilizada como en la forma de acceso a la red (red de acceso). Los organismos de normalización utilizan el término Banda Ancha para referirse a sistemas que ofrezcan más de 2’048Mbps al usuario.

1.1

Nuevos mecanismos de transporte

En cuanto al primer punto el objetivo principal es desarrollar un sistema de transporte que optimice el uso de los medios de transmisión de gran ancho de banda, como la fibra óptica. Para ello se desarrolló ATM (Asynchronous Transfer Mode o Modo de Transferencia Asíncrono). Este sistema facilita la interconexión de distintas redes y permite una explotación óptima de los medios de alta capacidad sin tener que sustituir las redes ya existentes para ofrecer los nuevos servicios. Por tanto es imprescindible que pueda interoperar con los sistemas ya desplegados. El paradigma de división en capas utilizado en el desarrollo de redes facilita claramente esta tarea de interoperabilidad ya que el diseño de ATM se enfrenta como la introducción de algunas capas más en las arquitecturas ya existentes. La finalidad de estas nuevas capas será precisamente optimizar el ancho de banda disponible y facilitar la interconexión de redes. Para lograr este objetivo es necesario trabajar en los niveles bajos desplazando tantas funciones como sea posible al hardware para aumentar la velocidad. Por otro lado este mecanismo tiene que facilitar ofrecer un “trato” distinto a las conexiones en función de los requisitos de las mismas en cuanto a ancho de banda, retardo, seguridad… 1.2

Nuevas tecnologías de acceso

Para que este “negocio” tenga éxito es necesario que la población utilice los servicios ofrecidos y pague por ello, pero el usuario sólo pagará si se le ofrecen servicios que cubran sus necesidades y a un precio razonable. Se debe trabajar por tanto en dos frentes, diseñar servicios atractivos y reducir los costes de los mismos. En lo referente a este último punto hay que recordar que el despliegue de la red de acceso es la inversión más fuerte en la implantación de nuevas redes, sobre todo cuando se ven implicados grandes costes de obra civil como es el caso de la red telefónica conmutada o las redes de telecomunicación por cable. Si se pueden explotar las redes de acceso ya desplegadas para aumentar el ancho de banda ofrecido al usuario los nuevos servicios podrán ofrecerse a menor coste y serán más rentables. Si es necesario desplegar nuevas redes de acceso para ofrecer las nuevas prestaciones requeridas, el coste de los servicios será muy elevado porque el Arquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2004/05 Isabel Román Martínez

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operador tiene que recuperar su inversión y no será tan atractivo para el usuario. Si bien es cierto que actualmente siguen desplegándose nuevas redes, en especial redes de telecomunicación por cable o redes de telecomunicación móviles de tercera generación, esto suele reducirse a núcleos de población en los que la penetración prevista de estos nuevos servicios se considera rentable. En cuanto al diseño de nuevos servicios, el sueño de todo operador es conseguir la aplicación, o el servicio, “killer” aquél que sea capaz de hacerle ganar dinero y que justifique toda su inversión. Esto aun está por encontrar en estas “nuevas” redes de Banda Ancha.

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2.

ATM

2.1

Introducción

Como se ha visto en temas anteriores las redes tradicionalmente se han diseñado para un servicio específico por lo que las técnicas de conmutación utilizadas han sido las óptimas para ofrecer el servicio para el que la red se había creado. Esto dio lugar al desarrollo de redes de conmutación de circuitos, óptimas para la transmisión de voz, y de redes de conmutación de paquetes, que permitían un mejor aprovechamiento de los recursos para tráfico con pocas exigencias de tiempo, como el tráfico de datos. Sin embargo la panacea de las redes de telecomunicación es conseguir un mecanismo de conmutación que trate de la forma más óptima posible a todo tipo de tráfico, ATM se diseña con esta idea. Gracias a ATM se podrá ofrecer la calidad de servicio y el ancho de banda deseados en función de las necesidades de cada servicio utilizando siempre el mismo soporte de transporte, ATM. 2.2

El concepto de conexión y célula

ATM es una técnica orientada a conexión, entre dos entidades se establecerá un “camino de comunicación” que se mantendrá durante el intercambio de información. Por ejemplo, dos personas quieren jugar una partida de ajedrez utilizando una aplicación que permite jugar en red. Al comenzar la partida se establece un camino (a través de enlaces y nodos de conmutación) entre los dos jugadores y éste se mantiene hasta que se termina la partida. De manera que se utiliza una conexión para intercambiar datos sobre la partida. Se podría definir con un enlace lógico entre dos terminales que se mantiene durante toda la conexión. La idea de ATM es dividir la información que tiene que transmitirse en paquetes de tamaño fijo, estos paquetes se denominan células y tienen un tamaño de 53 octetos, 48 de datos y 5 de cabecera. El canal de transmisión tendrá que ser compartido entre distintas conexiones y para ello se divide en intervalos de tiempo iguales y en cada intervalo de tiempo se transmitirá una célula. Estos intervalos no están asignados de forma exclusiva a una conexión, es decir que no existe una reserva de intervalos de tiempo, así que se transmite en los intervalos de tiempo que estén libres y según la necesidad de cada conexión. De modo que, como se ve en la figura 1, la salida es un flujo continuo de células formado por flujos de menor capacidad. El ancho de banda usado por cada uno de estos flujos depende de las necesidades de la conexión a la que pertenecen, que dependerá del servicio que se esté utilizando. Así se consigue una multiplexión estadística y no estática, lo que optimiza el ancho de banda disponible. Como se puede apreciar en la figura 1 la información de una misma conexión no aparece de forma periódica, como ocurre cuando la multiplexión es estática, de ahí el nombre de modo de transferencia asíncrono.

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+ Células ociosas

Fig. 1 Multiplexión en ATM Cuestión1: ¿En qué se parece este mecanismo a la conmutación de circuitos?

2.3

Establecimiento y control de conexiones

ATM puede verse como una técnica de conmutación de paquetes, células en este caso, orientada a conexión. Esto implica que, a menos que se tenga contratada una conexión permanente, éstas tienen que establecerse bajo demanda. De este modo antes de establecer una conexión es necesario especificar qué características de servicio se espera obtener de la red (la calidad de servicio solicitada) así como los descriptores del patrón de tráfico que se transmita en esa conexión. Sólo si la red puede ofrecerle lo que pide se establecerá esta conexión. Estos mecanismos, con los que la red valora si se puede o no aceptar esa conexión, se denominan técnicas de control de adminisión de conexiones (CAC). Una vez que se ha admitido una conexión con determinados requisitos de calidad la red debe asegurarse de que realmente se le están ofreciendo las prestaciones contratadas. Para ello debe vigilar también que el patrón de tráfico que se está generando en esa conexión realmente cumple lo que se especificó durante el establecimiento de la conexión, pudiendo los nodos de red incluso eliminar células que no cumplan el patrón de tráfico especificado (se definen políticas de tráfico que es necesario cumplir). Toda esta gestión del tráfico cursado por la red, así como el control de la calidad de servicio ofrecida, es la parte más compleja de ATM y de cualquier técnica de transporte que pretenda ofrecer estas prestaciones, imprescindibles en las nuevas redes de banda ancha.

Cuestión2: Analiza por qué es importante controlar que el tráfico de la conexión se comporte como se especificó en principio 2.4

La conmutación en ATM

Dado que la conmutación es orientada a conexión será necesario identificar a qué conexión pertenece cada célula y tener en cuenta que todas las células pertenecientes a la misma conexión siguen el mismo camino. Arquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2004/05 Isabel Román Martínez

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Cuestión3: Recordar que implicaba ésto en cuanto a los datos que deben ir en la cabecera de los paquetes.

Para realizar la conmutación será necesario que los nodos identifiquen, en cada enlace de entrada a los mismos, a qué conexión pertenece cada célula, para así saber por qué enlace de salida enviar dicha célula. Esta identificación de la conexión a la que pertenece la célula se hace gracias a dos campos que están en la cabecera de la célula, el identificador de camino virtual (VPI) y el identificador de canal virtual (VCI). Una pareja VPI/VCI identificará las células que pertenecen a una misma conexión dentro de un enlace La figura 2 es una representación “abstracta” de cómo se identificarían las conexiones.

VCs

VP

VCs

VP

trayecto de transmisión (nivel físico)

VP

VCs

VP

VCs

Figura 2: División en caminos y canales virtuales Cada pequeño “cilindro” es una conexión, que se identifica con una pareja de VPI/VCI. Un camino virtual tendrá un conjunto de canales virtuales, de manera que varias conexiones pertenecerán al mismo camino virtual (compartirán el VPI), pero tendrán distintos canales virtuales (se diferenciarán en el VCI). Esto permite que la conmutación se pueda hacer a dos niveles; según el VPI (figura 3) o según la pareja VPI/VCI (figura 4).

E1

1 2

1

7

2

2

6 E2

1 4

3

5

7

1 2 1 4

S1

S2

Fig. 3: Conmutación por VPI

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E1

E2

1 2

1

7

2

1

6

2 7

2

5 6

3

S1

S2

Fig. 4: Conmutación parejas VPI/VCI Como se puede apreciar en las figuras 3 y 4 el conmutador puede cambiar el VPI y/o el VCI de las células cuando las vaya a enviar al enlace de salida. De manera que el conmutador trabaja con unas “tablas de encaminamiento” en las que se almacena el puerto de salida y la pareja VPI/VCI que tienen que tener una célula a la salida del conmutador, en función del puerto de entrada y la pareja VPI/VCI de la célula a la entrada al conmutador. Cuestión 4: Suponiendo que durante un periodo de observación de un conmutador ATM no se liberan ni establecen nuevas conexiones, ni hay ningún tipo de problema que obligue a un “reencaminamiento” de las conexiones. Indicar si son verdaderas o falsas estas afirmaciones y justificar las respuestas: a) Dos células ATM con el mismo VPI/VCI que entran por el mismo enlace (Ein) siempre salen por el mismo enlace (Eout) b) Dos células ATM con el mismo VPI/VCI que entran por distintos enlaces (Ein1, Ein2) siempre salen por el mismo enlace (Eout)

Por todas estas características se puede considerar ATM como un mecanismo que proporciona prestaciones a caballo entre la conmutación de circuitos y de paquetes orientada a conexión, ya que tiene características de ambas técnicas. La figura 5 presenta una analogía entre ATM y los otros tipos de conmutación (circuitos y paquetes orientado a conexión).

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Máxima simplicidad y velocidad

CC 64 Kb/s CC Rápida

•Uso de IT para delimitar células •Longitud IT fija •Control de flujo y errores simple (hardware) CC

Analogía CP

ATM CP Rápida CP X.25 Máxima flexibilidad

•Multiplexión estadística (asíncrona) •Tasa de bit variable para distintas conexiones •Cabecera en la célula para el encaminamiento

Fig. 5: Analogía con la conmutación de circuitos y la conmutación de paquetes

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3.

LA RED DE ACCESO

Actualmente las tres redes de acceso que llegan a mayor número de usuarios son; El bucle de abonado de la Red Telefónica Conmutada, el acceso radio de las redes móviles y, en menor proporción de población, las redes de acceso de las redes de telecomunicación por cable. 3.1

Tecnologías DSL

La idea de estas tecnologías es explotar el bucle de abonado ya existente, el tradicional cable de pares, aprovechando al máximo el ancho de banda del mismo (de aproximadamente 1MHz o incluso más) para proporcionar servicios que necesiten una mayor capacidad. Por supuesto se utilizará tecnología digital y no analógica como hasta ahora se había hecho en la RDI. Dentro de este conjunto de tecnologías se encuentran: ADSL, RADSL, HDSL, VDSL y SDSL. Vamos a ver sólo la primera por ser la más extendida. ADSL o línea de abonado digital asimétrica (Asymmetric Digital Subscriber Line): Se denomina asimétrica porque se proporcionan tasas de bits mayores en la dirección descendente (desde la central a la casa del abonado) que en la dirección ascendente. Esta idea es interesante porque uno de los servicios más utilizados por los abonados es la consulta y descarga de información desde sitios Web. Esto implica grandes volúmenes de datos en el enlace descendente mientras que la información que se envía en sentido contrario suele ser pequeña; petición de páginas, mensajes de correo electrónico… Con ADSL el ancho de banda de un cable de pares (aproximadamente 1MHz) se divide en tres bandas. Entre 0 y 24Khz se utiliza para el servicio telefónico tradicional. Aunque este servicio sólo utiliza 4KHz el resto se utiliza como banda de guarda para separar el canal vocal de los canales de datos. La banda entre 25 y 200 KHz se utiliza para la información en sentido ascendente, hacia la central telefónica. La banda entre 250KHz y 1MHz se utiliza para la información descendente, hacia el terminal. La ANSI normalizó una técnica de modulación conocida como multitono discreta (DMT, Discrete Multi-Tone). Que se representa en la figura 6. Con esta técnica se combinan la modulación QAM y la multiplexión FDM. El ancho de banda disponible en cada dirección se divide en canales de 4KHz, cada uno de los cuales tiene su propia frecuencia portadora. Los bits a transmitir se pasan por una serie de conversores serieparalelo, donde un bloque de N bits se divide en N flujos paralelos. Cada flujo se modula con QAM. Las N señales moduladas se multiplexan en frecuencia y se envían a la línea.

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Flujo con los bits 1 de cada bloque

Bloque de N bits

Flujo con los bits 2 de cada bloque QAM

Mux Frec.

Conversor Serie/Paralelo

1000101010010001111011

QAM

QAM Flujo con los bits N de cada bloque

Fig. 6: Esquema DMT La norma dada por la ANSI define una tasa de 60Kbps para cada canal de 4KHz, lo que significa que la modulación QAM tiene que ser de 15 bits por baudio. El esquema de un modem ADSL se presenta en la figura 7. Voz

Datos a transmitir FDM Bucle de abonado

DMT mod. DMT demod. Datos recibidos

Fig. 7: Esquema de un modem ADSL Cuestión5: Justifica matemáticamente esta conclusión Cuestión6: ¿Cuántos símbolos tiene esta modulación? Cuestión7: Calcula la tasa de bits máxima en el enlace descendente y ascendente 3.2

UMTS

En cuanto a la red de acceso en las redes de telecomunicación móvil ya hemos hablado algo en el tema anterior. En los sistemas de 3G se explotará el acceso radio y se gestionarán los radiocanales de forma más eficiente permitiendo ofrecer distintos Arquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2004/05 Isabel Román Martínez

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anchos de banda y calidades de servicio de forma personalizada a las necesidades del servicio solicitado. Este acceso radio se basará en tecnologías de multiplexión en frecuencia (FDMA) y por división de código (WCDMA). 3.3

Redes de Telecomunicación por Cable.

Las redes de telecomunicación por cable aún llegan sólo a una pequeña parte de la población ya que están limitadas, prácticamente, a grandes núcleos urbanos. Aunque no vamos a ver estas redes en detalle vamos a señalar algunas de sus características relacionándolas con el resto de temas de este curso. Los medios de transmisión utilizados en la mayoría de las redes de telecomunicación por cable son fibra óptica y coaxial, de ahí el nombre de redes HFC (Hybrid Fiber Coaxial). La estructura más típica de red es la mostrada en la figura 8. La red se divide en dos partes; la red troncal, de fibra óptica, y la red de distribución, de coaxial. La primera llega hasta el Nodo óptico terminal o nodo final y a partir de ahí se tiene la red de distribución. En función del número de hogares que se cubren desde el nodo final las redes de cable se clasifican en: •

Redes FTTF (Fiber To The Feeder): De 1.000 a 3.000 hogares por NODO

•

Redes FTTC (Fiber To The Curb): De 125 a 500 hogares por NODO

•

Redes FTTB (Fiber To The Building): NODO en cada edificio o agrupación de viviendas asimilable a edificio

•

Redes FTTH (Fiber To The Home): NODO en cada hogar. Red completamente óptica

La mayoría de las redes de cable se diseñan como redes FTTC, así por ejemplo la red de SuperCable cubre 500 hogares con cada Nodo óptico terminal. Nodo primario (40.000 HP)

Cabecera

Nodo secundario (2.000 HP)

Nodo final (500HP)

FTTF FTTC FTTB FTTH

Red troncal - topología en estrella - fibra óptica

Red de distribución - árbol-rama - coaxial

Fig. 8. Estructura de una red de telecomunicación por cable La topología lógica de la red es en estrella en la red troncal, como se muestra en la figura 8 con líneas punteadas, y en forma de árbol-rama en la red de distribución. Sin embargo la topología física de la red troncal es en anillo, en líneas más gruesas, lo que confiere redundancia de caminos a la red. Así la señal llega a cada nodo por dos caminos distintos eligiéndose en el nodo la mejor opción. Arquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2004/05 Isabel Román Martínez

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Es de destacar como, incluso en la red de distribución, el medio de transmisión es compartido por varios usuarios, es decir que no ocurre como en la red telefónica conmutada en la que a cada abonado llega su propio par. Al tener un medio compartido es necesario establecer algún mecanismo de reparto de capacidad y de resolución de posibles colisiones en el medio, para ello se han desarrollado protocolos específicos como DOCSIS, que solucionan los problemas de colisión optimizando al máximo el ancho de banda disponible. Estos protocolos permiten una personalización de la calidad de servicio y capacidad ofrecida a cada usuario en función de las necesidades del servicio solicitado. Los modems utilizados para los servicios de datos sobre el coaxial se basan en estos protocolos y tradicionalmente se denominan modems de cable. En España los operadores de cable obtienen una licencia que les permite desplegar la red, es decir crear la infraestructura, y explotarla posteriormente ofreciendo servicios, en otros países, como en el Reino Unido, no es así distinguiéndose licencias de infraestructuras y de servicios Los servicios para cuya prestación habilita el título concesional de telecomunicaciones por cable son los siguientes: •

Servicio portador de telecomunicaciones, se entenderá que el título habilitante del operador de cable incluye la habilitación para prestar cualquier tipo de servicio portador, pero tan sólo en el ámbito de su demarcación y excluido el servicio portador de televisión por ondas hertzianas

•

Servicios de difusión, servicios de vídeo bajo demanda y de vídeo a la carta, excluidos los de televisión terrestre por ondas hertzianas

•

Servicios de valor añadido, en especial los relacionados con formatos multimedia y con aplicaciones informáticas, una vez disponga de los correspondientes títulos habilitantes

•

Servicios finales, en especial el de telefonía básica, a partir de la fecha de su efectiva liberalización, previa obtención del correspondiente título habilitante de conformidad con lo que disponga la legislación vigente en ese momento

Como estamos poniendo de manifiesto en este tema un operador pretenderá sacar el máximo provecho económico a su red, que es una gran inversión en lo que al despliegue se refiere. La rentabilidad del negocio del cable estará en que los servicios ofrecidos sean muy numerosos y muy solicitados por los clientes. Sin embargo para determinados servicios, especialmente los de tiempo real como las comunicaciones telefónicas, los nuevos protocolos desarrollados para la explotación del coaxial compartido aún no proporcionan toda la calidad de servicio deseada. Pero el servicio telefónico es uno de los más solicitados y el operador no puede dejarlo pasar. Por ello la mayoría de los operadores despliegan una red superpuesta de telefonía, basada en las técnicas tradicionales de la RTC, y por tanto a cada hogar llegará un cable de pares solucionando todos estos problemas de calidad de servicio. Además sobre este cable de pares se podrán ofrecer servicios de datos utilizando modems como tradicionalmente se ha venido haciendo. La figura 9 muestra como sería esta red superpuesta y la 10 cómo quedaría, de forma esquemática, el reparto de servicios en estas redes.

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Nodo secundario (20.000 HP) Nodo primario (40.000 HP)

Red transporte SDH (fibra)

Cabecera (central de conmutación)

Red transporte SDH - topología en anillo - fibra óptica

Red de distribución - topología en estrella - pares de hilos, coax o fibra

Fig. 9. Estructura de la red superpuesta de telefonía

TRONCAL TV Voz Datos

DISTRIBUCIÓN TV Voz Datos

Fibra

TV/ Voz Datos Dat fibra

SDH fibra

Red integrada

Coaxial

TV/ Voz Datos Dat. Coa.

Red superpuesta

UTP

Fig. 10. Servicios en la red integrada v.s. la superpuesta Es de destacar como en el servicio de Televisión (analógica o digital) no existe este problema de compartir el canal ya que es un servicio de difusión. Salvo para servicios avanzados de televisión, como el pago por visión o el video bajo demanda, el único enlace que se usa es el descendente e incluso para los que necesitan usar el ascendente el ancho de banda necesario es normalmente muy reducido y se utilizan mecanismos sencillos como el sondeo/selección al Set-top-box, que es el equipo que está en casa del abonado gestionando todo lo relacionado con los servicios de televisión.

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4.

CONCLUSIONES

El objetivo de este tema ha sido mostrar los nuevos retos que se presentan ante la necesidad de ofrecer servicios de banda ancha y alta calidad al usuario final. Se ha presentado este problema desde dos puntos de vista. Por un lado la tecnología necesaria para ofrecer al usuario final un acceso que soporte estos grandes anchos de banda. Por el otro se presenta ATM como una técnica de transmisión capaz de conseguir diferenciar y gestionar las conexiones ofrecidas en función de las necesidades de cada servicio pero utilizando el mismo soporte de transmisión/conmutación para todo tipo de tráfico.

Cuestiones 1. Según la figura indique qué tipo de conmutación se está haciendo y rellene los VPI/VCI que faltan:

2. A un conmutador ATM entran dos células con los identificadores VPI=3/VCI=4 y VPI=3/VCI=7 ¿Hay algún caso en el que se pueda asegurar que las dos van a salir siempre por el mismo enlace? Justifique su respuesta. 3. Sabiendo que el campo VPI de una célula ATM tiene una longitud de 8 bits y el campo VCI de 16 bits. Si un conmutador tiene 32 puertos de entrada y 32 de salida. ¿Cuál es el número máximo de conexiones simultáneas que teóricamente podría llegar a soportar? 4. Indique brevemente en qué consisten los mecanismos de admisión de conexiones. 5. Las tablas que tiene a continuación muestran las bandas de frecuencia y las modulaciones usadas para DOCSIS. Analícelas y calcule la relación Baudios/bits por segundo en cada una de las modulaciones mostradas. Canal Descendente

USA

UE

Banda

42-850 MHz

65-850 MHz

Canal

6 MHz

8 MHz

Modulación

64-QAM (6 b/simbolo) 256-QAM (8 b/simbolo) (más rápido y más sensible ruido)

Vel. Transm.

64-QAM

256-QAM

6 MHz (USA) 5.2 Msim/s

31.2 Mbps

41.6 Mbps

8 MHz (UE) 6.9 Msim/s

41.4 Mbps

55.2 Mbps

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