Diferentes Arquitecturas Utilizadas en Redes de CATV

1. Diferentes Arquitecturas Utilizadas en Redes de CATV Ing Juan Ramón García Bish jrgbish@hotmail.com

2. 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.

3. Arquitectura Tipo Arbol y RamaEsquema Básico

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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)

8. Cable Area Network

9. 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

10. Fiber Backbone

11. 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.

12. Fiber to the Feeder

13. 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.

14. Fiber to the Last Active

15. 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

16. 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

17. 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

18. Arquitectura HFCEvolución • 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.

19. Arquitectura HFCEstrellas de Fibra - Módulo Decreciente

20. Arquitectura HFCAnillos de Fibra – Modulo Constante

21. Arquitectura HFCCaso 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

22. 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)

23. 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.

24. Arquitectura HFCTipo Anillo - Estrella

25. Arquitectura HFCTipo Anillo - Anillo

26. Arquitectura HFCTipo Anillo – Anillo - Estrella

27. Anillo Óptico Headend – HubDividiendo la señal Óptica en Headend

28. Anillo Óptico Headend – HubDividiendo la señal Óptica en Anillo

29. 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.

30. 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)

31. 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

32. Narrowcast a Nivel RF desde el Hub

33. CWDM – Narrowcast en 1310 nm

34. DWDM – Narrowcast en 1550 nm

35. DWDM – Narrowcast en 1550 nm

36. 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 - DWDM + Frequency Stacking - DWDM + Retorno Digital

37. 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.

38. Multiples Fibras de Retorno por Nodo

39. 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

40. Conversion en bloque

41. 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

42. 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.

43. 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).

44. SWDM – DWDM en el HubHub Activo

45. DWDM en el Hub - Hub Pasivo

46. 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.

47. Retorno Digital

48. 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

49. Conversion en Bloque + DWDM

50. Nodo EscalableEscalabilidad 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