4 ACCESO RESIDENCIAL DE BANDA ANCHA

Cuando se envían datos por un canal de transmisión analógico (por ejemplo una línea telefónica de RTB) es preciso modular la señal en origen y demodularla en el destino; el aparato que realiza esta función se llama módem. Inversamente, cuando enviamos una señal analógica por un canal de transmisión digital tenemos que codificarla en origen y decodificarla en destino, para lo cual se utiliza un aparato denominado códec; por ejemplo un teléfono RDSI es un códec, ya que convierte una señal analógica (la voz humana) en digital, y viceversa; un sistema de videoconferencia digital (que es el caso de la mayoría de los sistemas de videoconferencia actuales) es un códec puesto que convierte una señal analógica (la imagen en movimiento captada por la cámara) en una señal digital (la secuencia de bits transmitida por RDSI u otro medio); también hay un códec presente en cualquier sistema de grabación digital de sonido (CD, Minidisc, dcc, DAT). Es frecuente referirse a los códecs como conversores analógico-digital o conversores A/D, aunque en telecomunicaciones suele preferirse la denominación códec.

Para digitalizar la señal el códec debe muestrear periódicamente la onda y convertir su amplitud en una magnitud numérica. Por ejemplo los sistemas de grabación digital del sonido en CD muestrean la señal de audio 44 100 veces por segundo (44,1 KHz) y generan para cada muestra un número entero de 16 bits que representa la amplitud de la onda. El número de bits elegido limita el número de valores de amplitud posibles, por lo que se ha de utilizar el más próximo (por ejemplo con 16 bits hay 2¹⁶=65536 posibles valores de amplitud); esto introduce una distorsión en la onda digitalizada que se conoce como error de cuantización.

4.1.2 Teorema de Nyquist

Cualquier canal de transmisión tiene un ancho de banda limitado. A continuación damos algunos ejemplos:

Canal de transmisión	Ancho de banda (KHz)
Línea telefónica	3,1
Emisión de radio de onda media (AM)	4,5
Emisión de radio de FM	75
Emisión de televisión PAL	8 000
Red local Ethernet 10 Mb/s	10 000
Emisión de televisión de alta definición	30 000

Tabla 6.1.- Ancho de banda de algunos medios de transmisión habituales.

Los bits se transmiten por un canal realizando modificaciones en la onda portadora; por ejemplo en una línea telefónica podríamos utilizar una frecuencia de 1 KHz para representar el 0 y una de 2 KHz para el 1, esto se conoce como modulación de frecuencia; si sincronizamos dos equipos para que puedan cambiar la frecuencia de la portadora cada 3,333 milisegundos podremos transmitir datos a 300 bits por segundo, (si dos bits consecutivos son iguales en realidad no hay tal cambio); decimos entonces que transmitimos 300 símbolos por segundo, o simplemente 300 baudios (pero no 300 baudios por segundo, al decir baudios ya se sobreentiende que es por segundo). Si en vez de dos frecuencias utilizamos cuatro, por ejemplo 0,5, 1, 1,5 y 2 KHz, podremos transmitir dos bits por símbolo, al disponer de cuatro estados o niveles posibles; así manteniendo el caudal de 300 símbolos por segundo transmitimos 600 bits por segundo; análogamente si utilizamos ocho estados podremos transmitir 900 bits por segundo (tres bits por símbolo), y así sucesivamente; ganamos en velocidad, pero a cambio tenemos que ser mas precisos en la frecuencia ya que aumenta el número de valores posibles. Además de la frecuencia es posible modular la amplitud y la fase de la onda portadora; en la práctica los módems modernos modulan una compleja combinación de amplitud y fase para extraer el máximo provecho posible de las líneas telefónicas, es decir el máximo número de símbolos por segundo y el máximo número de bits por símbolo.

A pesar de la mejora en eficiencia conseguida con la sofisticación técnica los canales de transmisión tienen un límite. Ya en 1924 Nyquist observó la existencia de un límite fundamental en las transmisiones digitales sobre canales analógicos, que se conoce como teorema de Nyquist, y que establece que el número máximo de baudios que puede transmitirse por un canal no puede ser superior al doble de su ancho de banda. Así en el caso de la transmisión de datos por una línea telefónica, con un ancho de banda de 3,1 KHz, el máximo número de baudios que puede transmitirse es de 6.200.

Para comprender intuitivamente el Teorema de Nyquist imaginemos que codifica una información representando un bit por símbolo; para ello se elige un valor de amplitud de +1,0 V para representar el 1 y –1,0 V para el 0. La secuencia de bits a transmitir, que en principio es aleatoria, puede fluctuar entre dos situaciones extremas: transmitir siempre el mismo valor (11111... ó 00000...) o transmitir una secuencia alterna (010101...); la primera posibilidad genera una corriente continua de frecuencia 0 hertzios, mientras que la segunda produce una onda cuadrada de frecuencia igual a la mitad del número de bits transmitidos (ya que una onda completa estaría formada por dos bits, una cresta y un valle); la gama de frecuencias va pues de cero a la mitad del número de bits, con lo que la anchura de banda es igual a la mitad del número de bits transmitidos. Podríamos repetir el mismo razonamiento para el caso en que se transmita más de un bit por símbolo, es decir que haya más de dos posibles voltajes y veríamos como el ancho de banda correspondería a la mitad del número de símbolos por segundo.

El teorema de Nyquist no establece el número de bits por símbolo, que depende del número de estados que se utilicen.

Podemos expresar el teorema de Nyquist en forma de ecuación relacionándolo con el caudal máximo de información transmitida: si H es el ancho de banda y V el número de niveles o estados posibles, entonces el caudal máximo en bits por segundo C viene dado por:

C = 2 H log₂ V

Por ejemplo, un canal telefónico (H=3,1 KHz) con tres bits por baudio (ocho estados, V=8) tiene un caudal máximo de 18,6 Kb/s.

Podemos calcular también la eficiencia de un canal de comunicación, E, que es la relación entre el caudal máximo y el ancho de banda:

E = C/H

Así en nuestro ejemplo anterior la eficiencia era de 6 bits/Hz.

Combinando las dos fórmulas anteriores podemos expresar de otra forma el Teorema de Nyquist:

E = 2 log₂ V

Dicho de otro modo, la eficiencia máxima de un canal está fijada por el número de estados diferentes de la señal, o sea por la forma como se codifica ésta.

Debido a la relación directa que el teorema de Nyquist establece entre ancho de banda y capacidad de un canal es frecuente en telemática considerar ambas expresiones como sinónimos; así decimos por ejemplo que la transmisión de vídeo digital requiere un elevado ancho de banda queriendo decir que requiere una elevada capacidad de transmisión digital de información.

El teorema de Nyquist es bidireccional, es decir, también se aplica cuando se trata de una conversión analógico®digital. En este sentido establece que el muestreo de la señal analógica debe hacerse al menos con una frecuencia doble que la máxima frecuencia que se quiera captar. Por ejemplo, para que el códec de un teléfono RDSI pueda capturar la señal de audio sin mermar la calidad respecto a una línea analógica la frecuencia de muestreo deberá ser como mínimo de 6,2 KHz. En la práctica los teléfonos digitales muestrean a 8 KHz para disponer de un cierto margen de seguridad. Otro ejemplo lo constituyen los sistemas de grabación digital de alta fidelidad, que muestrean a 44,1 KHz, con lo que son capaces de captar sonidos de hasta 22 KHz lo cual excede la capacidad del oído humano (en la práctica suelen filtrarse todas las frecuencias superiores a 20 KHz). Cuando el teorema de Nyquist se aplica en este sentido se le suele denominar teorema de muestreo de Nyquist.

4.1.3 Ley de Shannon-Hartley

El Teorema de Nyquist fija un máximo en el número de símbolos por segundo, pero dado que no dice nada respecto al número de bits por símbolo la capacidad del canal en bits por segundo podría ser arbitrariamente grande utilizando una modulación capaz de transmitir un número lo bastante grande de bits por símbolo.

Sin embargo, a medida que aumenta el número de bits por símbolo se incrementa el número de estados diferentes que el receptor ha de poder discernir, y se reduce la distancia entre éstos. En canales muy ruidosos puede llegar a ser difícil distinguir dos estados muy próximos. Como cabría esperar, el número máximo de estados que el receptor pueda distinguir depende de la calidad del canal de transmisión, es decir de su relación señal/ruido. Ya en 1948 Shannon dedujo una expresión que cuantificaba la capacidad máxima de un canal analógico en función de su ancho de banda y su relación señal/ruido.

El valor de la relación señal/ruido se suele indicar en decibelios (dB), que equivalen a 10 log₁₀ S/N (así 10 dB equivalen a una relación S/R de 10, 20 dB a una relación de 100 y 30 dB a una de 1000). Dado que la percepción de la intensidad del sonido por el oído humano sigue una escala logarítmica la medida en decibelios da una idea más exacta de la impresión que producirá un nivel de ruido determinado (este parámetro es uno de los que se utilizan para medir la calidad de los componentes de un equipo de reproducción musical de alta fidelidad). En 1948 Shannon y Hartley generalizaron el teorema de Nyquist al caso de un canal de comunicación con ruido aleatorio, derivando lo que se conoce como la ley de Shannon-Hartley, que está expresada en la siguiente ecuación:

C = H log₂ (1 + S/N)

De nuevo aquí H representa el ancho de banda y C el caudal de transmisión de la información. Por ejemplo, con un ancho de banda de 3,1 KHz y una relación señal-ruido de 36 dB obtenemos un caudal máximo de 37,1 Kb/s; 36 dB equivale a una relación señal /ruido de 3981 y es el valor máximo que puede obtenerse en una comunicación telefónica, ya que esta es la cantidad de ruido que introduce el proceso de digitalización de un canal telefónico que se utiliza actualmente en la mayoría de las redes del mundo. Si la relación señal-ruido desciende a 20 dB (cosa bastante normal) la velocidad máxima baja a 20,6 Kb/s.

Si lo expresamos en términos de eficiencia obtendremos:

E = log₂ (1 + S/N)

Vista de este modo la Ley de Shannon-Hartley establece una eficiencia máxima en función de la relación señal-ruido, independientemente del ancho de banda asignado al canal. Así por ejemplo, para una relación señal-ruido de 40 dB la eficiencia máxima teórica es de 13,3 bps/Hz.

Conviene destacar que tanto el teorema de Nyqusit como la Ley de Shannon-Hartley han sido derivados en base a planteamientos puramente teóricos y no son fruto de experimentos; además de eso han sido verificados reiteradamente en la vida real. Por tanto su validez puede considerarse universal y los contraejemplos deberían tratarse con el mismo escepticismo que las máquinas de movimiento perpetuo. Haciendo un cierto paralelismo con la Termodinámica se podría decir que el Teorema de Nyquist equivale al primer principio de la Termodinámica (que postula la ley de conservación de la energía) y la Ley de Shannon-Hartley equivale al segundo principio, que establece que no es posible convertir totalmente en trabajo la energía térmica, o dicho de otro modo, que un motor nunca puede funcionar al 100% de eficiencia.

4.2 MEDIOS DE TRANSMISIÓN

El medio de transmisión es probablemente la parte más perdurable del diseño de una red. Esto unido a la existencia de múltiples opciones hace especialmente importante la acertada elección del medio de transmisión en el diseño de una red. Afortunadamente existen estándares de cableado que reducen a un pequeño número las posibilidades que merece la pena considerar. Como en cualquier diseño equilibrado de ingeniería para tomar una decisión acertada es necesario hacer una estimación objetiva de las necesidades actuales y futuras, y una valoración adecuada de las tecnologías disponibles tomando en cuenta su relación costo/prestaciones.

Ahora profundizaremos en los diversos medios de transmisión utilizados actualmente. El alumno debe tener en cuenta que éste es un campo muy dinámico en el que continuamente surgen nuevos productos y sistemas. Afortunadamente existen multitud de revistas que tratan con más o menos detalle las novedades que se producen en cuanto a medios de transmisión; los fabricantes de equipos suelen estar también bien informados de estos temas, y su literatura es una buena fuente de información. También puede encontrarse mucha información sobre este tema en Internet.

4.2.1 Cables metálicos

El cable metálico es el medio de transmisión más utilizado cuando se trata de cubrir distancias no muy grandes y/o se necesitan capacidades no demasiado elevadas. La información se transmite a través del cable en forma de ondas electromagnéticas, o sea corrientes eléctricas alternas de alta frecuencia. A los efectos que ahora nos ocupan la situación es prácticamente la misma tanto si los bits se transmiten de forma digital o analógica (es decir modulados en una señal portadora). El metal utilizado casi siempre es el cobre ya que combina una buena conductividad con un coste razonable.

4.2.1.1 Problemas de los cables metálicos

Como ya hemos visto por el Teorema de Nyquist cuando se quiere transmitir un caudal elevado de información es necesario en general utilizar un gran ancho de banda, lo cual conlleva el uso de frecuencias elevadas. Los principales problemas que se presentan al transmitir señales de elevada frecuencia en un cable de cobre son la atenuación, el desfase y la interferencia electromagnética. A continuación comentaremos cada uno de ellos en detalle.

Atenuación

Cualquier señal al propagarse por un medio de transmisión pierde potencia, es decir se atenúa con la distancia. En el caso del cable de cobre dicha atenuación se debe fundamentalmente a dos factores:

Resistencia del cable: esto provoca la pérdida en forma de calor de parte de la energía de la señal original. Aunque afortunadamente la cantidad de energía perdida por este motivo no plantea problemas de calentamiento en las instalaciones, supone una parte importante de la atenuación introducida. Dado que la resistencia disminuye con el aumento de sección del cable la atenuación debida a esta causa es menor cuanto mayor es el grosor de éste. Las frecuencias elevadas se transmiten utilizando únicamente la superficie del cable, cuanto mayor es la frecuencia mas superficial es la propagación (este fenómeno se denomina a veces ‘efecto piel’); por tanto las frecuencias elevadas aprovechan peor la sección del cable y se atenúan mas rápido.

Emisión electromagnética al ambiente: el cable por el que se propaga la onda electromagnética actúa como una antena emisora, por lo que parte de la energía se pierde en forma de emisión electromagnética al ambiente. Además de la atenuación que introduce esto impone un límite máximo en la potencia del emisor, puesto que es preciso respetar las limitaciones impuestas por las normativas en cuanto a emisión electromagnética al ambiente. La emisión electromagnética es también mayor cuanto mayor es la frecuencia de la señal. Los cables apantallados, en especial los coaxiales, producen una menor emisión electromagnética por lo que en general tiene una menor atenuación que los no apantallados. Además la atenuación será tanto menor cuanto mayor sea el grado de apantallamiento.

Como hemos visto, tanto por lo que se refiere a la resistencia como a la emisión electromagnética al ambiente la atenuación aumenta con la frecuencia. Como regla aproximada podemos decir que la atenuación para un cable dado es proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia de la señal transmitida.

Desfase

Cuando se propaga la onda electromagnética a través del medio la velocidad de propagación no es exactamente la misma a todas las frecuencias. El desfase es proporcional a la distancia recorrida; por otro lado el receptor será tanto más sensible al desfase cuanto mayor sea la velocidad con que se transmite la información. Por tanto el problema del desfase es mayor cuando se utiliza un canal con un gran ancho de banda para transmitir información a una gran velocidad y distancia. En muchos casos es posible transmitir a mayor distancia si se está dispuesto a reducir velocidad, e inversamente transmitir a mayor velocidad si se utiliza una distancia menor; por eso en algunos casos la capacidad de un medio de transmisión se expresa en términos de Mb/s * Km.

Interferencia Electromagnética

Además de emitir ondas electromagnéticas al ambiente el cable de cobre es también susceptible de recibir interferencias electromagnéticas del ambiente. Esto puede alterar la señal correspondiente a los datos transmitidos hasta un punto que la haga irreconocible. Este problema es menos grave en el caso del cable apantallado y raramente ocurre cuando se trata de cable coaxial. Para disminuir su efecto existe una serie de normativas y recomendaciones por ejemplo en cuanto a las distancias mínimas que debe haber entre el cableado de datos y el cableado de suministro de energía eléctrica.

Un tipo de interferencia electromagnética más difícil de evitar es el denominado crosstalk, que es la interferencia se produce entre señales que discurren simultáneamente por cables paralelos. El crosstalk es un problema sobre todo en cables de pares, por ejemplo entre las señales de ida y vuelta en un enlace Ethernet, o entre las señales de diferentes abonados en un mazo de cables telefónicos (bucles de abonado). El crosstalk es el fenómeno conocido como ‘cruce de líneas’ que a veces se da en la red telefónica, produciendo que oigamos una segunda conversación a lo lejos mientras mantenemos una comunicación telefónica. Un cierto grado de crosstalk es normal e inevitable en cualquier instalación y suele estar previsto en el diseño de los equipos; sin embargo en algunos casos se produce un crosstalk superior al máximo admisible, normalmente por defectos en el cableado. Los equipos de medida normalmente utilizados para verificar cableados permiten diagnosticar este tipo de problemas, llegando algunos incluso a indicar el punto o puntos del cable donde se encuentra el defecto.

4.3 XDSL

En los últimos años los usuarios particulares o residenciales demandan accesos a Internet de alta velocidad, cosa que las empresas de redes de televisión por cable están ofreciendo desde hace bastante tiempo y que las compañías telefónicas no pueden ofrecer con su red tradicional.

Aparte de la limitación en velocidad el uso de la red telefónica plantea a las operadoras otro problema, el de la saturación de la red debido a que los usuarios que navegan por Internet tienden a mantener establecida la conexión durante un tiempo mucho mayor que los que hacen una llamada convencional.

La limitación en velocidad que impone la red telefónica (33,6, 56 o 64 Kb/s según los casos) se debe fundamentalmente a la ‘tiranía’ de los 3,1 KHz, es decir a la escasa anchura del canal telefónico. En principio el par de cobre del bucle de abonado sería capaz de anchos de banda mucho mayores. Se han ideado varios sistemas que utilizan el bucle de abonado para conectar a éste con la central telefónica, pero a partir de aquí emplean una red de datos paralela con lo cual evitan por completo utilizar la red telefónica. Esto tiene una doble ventaja: por un lado se evita la limitación de capacidad debida a la escasa anchura del canal telefónico y por otro se evita ocupar la red telefónica con conexiones de datos, reduciendo así el problema de saturación que antes comentábamos debido a la larga duración de este tipo de conexiones. Los sistemas que emplean esta arquitectura se conocen genéricamente como DSL (Digital Subscriber Loop) y serán los que describiremos a continuación.

4.3.1 ADSL

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Loop) es la tecnología DSL más conocida. Nació con la finalidad de competir con las redes de televisión por cable, es decir ofrecer al usuario un servicio de transmisión de datos de alta velocidad a un precio asequible. La principal ventaja de ADSL es que utiliza el mismo cable de pares que el teléfono, lo cual lo sitúa en una posición altamente ventajosa frente a las redes de televisión por cable; mientras que el número de viviendas accesibles por cable telefónico es de unos mil millones se estima que solo 12 millones de viviendas en todo el mundo tienen acceso al servicio de red de televisión por cable bidireccional, que es el que resulta apropiado para transmisión de datos. Además ADSL es compatible con el teléfono analógico, es decir el usuario puede utilizar simultáneamente su teléfono y la conexión de datos de alta velocidad que suministra ADSL, aunque ambos servicios utilicen el mismo par de cobre. La compatibilidad normalmente solo es posible con telefonía analógica, no con accesos RDSI.

Como su nombre indica ADSL es un servicio asimétrico, es decir se obtiene un caudal superior en un sentido que en el contrario. En el denominado sentido ‘descendente’, del proveedor al usuario, se consiguen caudales de 2 a 8 Mb/s; en sentido ascendente (del usuario al proveedor) el caudal puede oscilar entre 200 Kb/s y 1 Mb/s. La capacidad máxima de ADSL depende de la distancia y de la calidad del cable utilizado en el bucle de abonado (grosor y número de empalmes fundamentalmente), como puede verse en la tabla 6.2. El alcance máximo es de 5,5 Km, similar al caso de RDSI.

Caudal Desc. (Mb/s)	Grosor (mm)	Alcance (Km)
2	0,5	5,5
2	0,4	4,6
6,1	0,5	3,7
6,1	0,4	2,7

Tabla 6.2.- Relación entre caudal, grosor y alcance en ADSL

La asimetría de ADSL resulta muy adecuada en el caso de un usuario residencial cuya principal finalidad es navegar por Internet, ya que en sentido descendente se transmite mucha más información que en ascendente (páginas web e imágenes frente a algunos comandos y clicks del ratón); pero la asimetría es perjudicial cuando se quiere hacer videoconferencia (que genera caudales simétricos) o si el usuario quiere montar un servidor que sea accesible desde la Internet, lo cual genera más tráfico ascendente que descendente.

Para transmitir los datos ADSL utiliza frecuencias en el rango de 30 KHz a 1100 KHz, aproximadamente. Las frecuencias inferiores a 30 KHz no se utilizan para evitar interferir con el teléfono analógico, que utiliza frecuencias hasta 4 KHz. Para evitar los problemas producidos por ecos y reducir el crosstalk se utiliza un rango de frecuencias diferente para el sentido ascendente y descendente.

Crear un canal con un ancho de banda tan grande como el de ADSL no es fácil, ya que el comportamiento del cable de pares es poco lineal, por ejemplo la atenuación es mucho mayor a 1100 KHz que a 30 KHz. Además si se produce una interferencia a una frecuencia determinada perjudica la calidad de todo el canal. Para evitar estos problemas se ha desarrollado una técnica conocida como DMT (Discrete Multi Tone) que consiste en dividir la gama de frecuencias en 256 subcanales denominados bins, que ADSL maneja de forma independiente. Los bins tienen todos una anchura de 4,3125 KHz y se numeran de 0 a 255. Los bins 0 a 5 (0-26 KHz) se reservan para el teléfono analógico, del 6 al 32 (26-142 KHz) se utilizan para el sentido ascendente y del 39 al 255 (168-1104 KHz) para el tráfico descendente. Los bins 33 a 38 (142-168 KHz) se pueden asignar tanto al sentido ascendente como al descendente. La asignación de un rango mayor en descendente conlleva la asimetría característica de ADSL, sin embargo la asimetría no es solo consecuencia de la distribución de frecuencias; el crosstalk es mayor en el sentido ascendente que en el descende y es mayor cuanto mayor es la frecuencia; por este motivo sería técnicamente más difícil desarrollar un ADSL simétrico o con la asimetría inversa (es decir un caudal mayor en ascendente que en descendente).

En cierto modo podemos imaginar una conexión entre dos módems ADSL como formada por una gran batería de módems convencionales transmitiendo en paralelo sobre líneas físicas diferentes. La cantidad de tareas que han de desempeñar los módems ADSL requieren procesadores muy potentes que hasta hace relativamente poco tiempo no era posible integrar en un solo chip, lo cual los hacía muy costosos. El hecho de que los bins sean estrechos asegura un comportamiento lineal, en atenuación y desfase por ejemplo, dentro de cada bin y además permite optimizar la transmisión utilizando en cada bin la técnica de modulación que mejor se adapta a su relación señal/ruido, cuanto mayor sea ésta mas eficiente será la modulación que se utilice y se transmitirán más bits por símbolo; por cada bin se transmiten 4.000 símbolos por segundo. Si se produce una fuerte interferencia a una determinada frecuencia el bin correspondiente puede llegar a anularse, pero el problema no repercute en los demás bins. En ADSL son relativamente normales las interferencias debidas a problemas en el bucle de abonado, por ejemplo antiguas derivaciones que no han sido suprimidas; también puede haber interferencias externas causadas por ejemplo por una emisora de radio cercana, ya que la onda media utiliza el mismo rango de frecuencias que ADSL y el cable que se utiliza no es apantallado.

A las frecuencias que utiliza ADSL la atenuación, en los casos de longitudes máximas, puede llegar a ser de 90 dB, es decir la potencia recibida en el destino puede ser una milmillonésima parte de la potencia emitida; además el emisor no puede utilizar una potencia demasiado elevada ya que el bucle de abonado viaja la mayor parte del trayecto en una manguera de cables que lleva multitud de cables pertenecientes a diferentes abonados y si la potencia fuera excesiva el crosstalk entre pares diferentes sería inaceptable. Resulta increíble que ADSL funcione en un medio tan hostil.

DMT es la técnica de modulación más extendida en ADSL pero no es la única. Otra técnica conocida como CAP (Carrierless Amplitude Phase) realiza un reparto similar del rango de frecuencias pero sin dividir el canal ascendente y descendente en bins. Al manejar un canal muy ancho de forma global el rendimiento que se obtiene es menor que con DMT, y hay que aplicar técnicas de ecualización adaptativa muy complejas para intentar corregir los problemas debidos a defectos en el bucle de abonado. En conjunto CAP es una técnica mas sencilla y fácil de implementar que DMT, pero menos robusta y eficiente. Además CAP no está estandarizada mientras que DMT es un estándar ITU-T. En algunas de las primeras implementaciones de ADSL se utilizaba CAP, pero la tendencia actual es hacia el uso generalizado de DMT.

Uno de los principales problemas que presenta ADSL es la incertidumbre de accesibilidad del servicio. De entrada el usuario que se encuentra a una distancia mayor de 5,5 Km de su central no puede acceder al servicio (se calcula que un 10% de los abonados se encuentra en esta situación) pero aún en el caso de que se encuentre a una distancia menor no es posible garantizar a priori la viabilidad del servicio sin antes hacer medidas y pruebas, ya que el estado del bucle de abonado, número de empalmes y derivaciones que tenga, etc., son circunstancias que influyen de forma decisiva en su calidad para la transmisión de señales de alta frecuencia. Estas características suelen estar poco o nada documentadas en las compañías telefónicas, por lo que la única forma de saber si un determinado bucle estará capacitado para ADSL es probándolo; en caso de que el resultado sea negativo se puede intentar reacondicionar el bucle o cambiar a ese abonado a otro par para intentar suministrarle el servicio. En cualquier caso se estima que solo el 5% de los bucles de abonado requiere este tipo de actuaciones.

Los módems ADSL pueden ser internos (conectados al bus PCI) o externos. En este último caso pueden conectarse al ordenador por Ethernet 10BASE-T, por ATM a 25 Mb/s o al puerto USB. También existen routers ADSL/Ethernet y conmutadores ADSL/ATM.

Independientemente de cómo sea la conexión entre el módem y el ordenador el tráfico en la parte ADSL de la red siempre se realiza por celdas ATM. En el caso de que el ordenador disponga de una tarjeta ADSL conectada al bus PCI o una interfaz ATM podrá acceder a las funcionalidades propias de ATM desde su ordenador

4.3.1.1 ADSL G.Lite

Los teléfonos no están preparados para recibir las frecuencias de hasta 1 MHz con que trabaja ADSL. Inversamente los módems ADSL no soportan muy bien las señales de baja frecuencia características del teléfono analógico. Para reducir la interferencia mutua entre el teléfono y el módem ADSL se instala un divisor de frecuencias o ‘splitter’ en ambos extremos del bucle de abonado, es decir en la central telefónica y en la vivienda. El divisor de frecuencias está formado por dos filtros, uno para las altas frecuencias y uno para las bajas, a los que se conecta respectivamente el teléfono y el módem ADSL. En la central telefónica la instalación del splitter no plantea problemas, pero en la vivienda su instalación aumenta de forma considerable los costos de instalación de un acceso ADSL. Por esta razón se ha desarrollado una versión de ADSL denominada ADSL G.Lite [1] que funciona sin necesidad del splitter en el lado de la vivienda; el del lado de la central telefónica se mantiene ya que su instalación no requiere el desplazamiento del técnico. Para reducir la interferencia producida entre el teléfono y el módem ADSL como consecuencia de la supresión del splitter se adoptan las siguientes medidas:

Se reduce la frecuencia máxima del canal descendente; por ejemplo cuando se utiliza modulación DMT en ADSL G.Lite el número total de bins se reduce a la mitad, con lo que la frecuencia máxima es de 552 KHz. Esto reduce la interferencia producida en el teléfono a costa de reducir la capacidad en el canal descendente.

Se reduce en 6 dB la potencia emitida por el módem ADSL situado en la vivienda, que es el que más puede afectar el funcionamiento del teléfono. Esto equivale a reducir la potencia a la cuarta parte. A cambio la relación señal/ruido disminuye en 6 dB, lo cual conlleva una reducción en la capacidad (o el alcance) del canal ascendente.

Se integra en el módem ADSL un filtro de bajas frecuencias para evitar que el módem ADSL sufra las interferencias producidas por el teléfono; dicho de otro modo, desde el punto de vista del módem ADSL el comportamiento es equivalente a cuando había un splitter.

Se utilizan modulaciones menos eficientes, para compensar por la mayor cantidad de ruido. Mientras que en ADSL normal (con splitter) pueden llegar a transmitirse 16 bits por símbolo, en ADSL G.Lite el máximo que se utiliza es de 8 bits por símbolo.

En conjunto ADSL G.Lite consigue unos rendimientos típicos máximos de 1,5 Mb/s en sentido descendente y de 200 Kb/s en ascendente. Aunque inferior al de ADSL normal es suficiente para muchas aplicaciones y a cambio simplifica y abarata considerablemente el costo de instalación. Existen equipos ADSL de central telefónica que pueden interoperar indistintamente con usuarios ADSL y ADSL G.Lite

4.3.1.2 RADSL

Otra variante de ADSL bastante extendida es la denominada RADSL (Rate adaptative ADSL). La idea de RADSL es la misma que el ‘retraining’ que ya hemos comentado al hablar de los módems V.34 de red conmutada, es decir dar la posibilidad de que los módems además de negociar la velocidad inicial de conexión en función de la calidad de la línea la revisen regularmente y ajusten la velocidad en mas o en menos de acuerdo con la calidad de ésta. Un equipo RADSL puede interoperar con uno no RADSL, si bien en este caso no se produce retraining a no ser que el usuario inicialice su módem. Hoy en día hay bastantes equipos en el mercado que son RADSL.

4.3.1.3 ADSL en España

Desde el 15 de septiembre de 1999 Teleline, la filial de Telefónica para acceso a Internet, ofrece el servicio GigADSL de conexión a Internet a través de ADSL. Se trata de un servicio con splitter que admite tres modalidades, Básica, Class y Premium, con caudales descendente/ascendente de 256/128, 512/256 y 2000/300 Kb/s, respectivamente. Las cuotas mensuales son de 8.017, 13.966 y 27.328 ptas. respectivamente. Para poder contratar el servicio es preciso encontrarse en una zona con cobertura, cosa que puede averiguarse fácilmente en www.sgc.mfom.es/legisla/tarifas/rdley16_99.htm,

4.3.2 VDSL

Al hablar de ADSL hemos visto como la capacidad aumentaba a medida que se reducía la distancia. El diseño de ADSL prevé una capacidad máxima de unos 8 Mb/s para una distancia de unos 2-3 Km. Aunque técnicamente sería posible conseguir una capacidad mayor a distancias menores ADSL no contempla velocidades mayores y por tanto no obtiene beneficio en estos casos. Para distancias menores de 1,5 Km se está experimentando otro sistema denominado VDSL (Very high data rate Digital Subscriber Loop), que permite mayores caudales; de nuevo la capacidad dependerá de la longitud y calidad del bucle de abonado, los valores típicos en sentido descendente aparecen en la tabla 6.3.

Distancia (m)	Caudal (Mb/s)
300	51,84-55,2
1000	25,92-27,6
1500	12,96-13,8

Tabla 6.3.- Velocidades típicas en sentido descendente de VDSL según la distancia

Para el sentido ascendente se barajan tres alternativas:

Un servicio fuertemente asimétrico con un caudal sensiblemente inferior, de 1,6-2,3 Mb/s
Un servicio de 19,2 Mb/s
Un servicio completamente simétrico

Las implementaciones de VDSL que se han desarrollado hasta la fecha utilizan la primera opción.

En cierto modo podemos considerar VDSL como un ‘super’ ADSL para cortas distancias. Aunque tenga una capacidad mayor es técnicamente mas sencillo que ADSL ya que la menor distancia simplifica las cosas de forma considerable.

VDSL se encuentra todavía en proceso de estandarización. Existen sin embargo ya algunas experiencias piloto de servicios comerciales en Estados Unidos basadas en el uso de esta tecnología.

Debido a su corto alcance VDSL sólo puede implantarse en un ámbito muy próximo a la central telefónica. Para su despliegue generalizado VDSL requiere la implantación de nodos de distribución muy cerca de las viviendas, por ejemplo en cada manzana o en cada vecindad; estos nodos necesitan una conexión con la central por fibra óptica, lo cual ha dado lugar a las redes denominadas FTTC (Fibre To The Curb, curb=acera en inglés), FTTB (Fibre To The Building) y FTTN (Fibre To The Neighborhood).

4.3.3 HDSL

HDSL (High speed Digital Subscriber Loop) es la tecnlogía DSL más extendida, la más antigua y la primera que se estandarizó y curiosamente es la menos conocida de las que hemos comentado hasta ahora. La razón es sencillamente que no es una tecnología viable para el acceso residencial de banda ancha.

A principios de los años ochenta los ingenieros de la Bell intentaban desarrollar una tecnología que les permitiera establecer enlaces T1 a través de pares de cobre de las mangueras normalmente utilizadas para los bucles de abonado. La finalidad fundamental era disponer de un mecanismo que permitiera establecer múltiples canales entre dos centrales telefónicas que solo estuvieran unidas mediante cable de pares, sin tener que utilizar un par diferente para cada canal. La tecnología utilizada entonces en las líneas T1 empleaba frecuencias tan elevadas e introducía tanto crosstalk en los pares vecinos que no era posible meter más de un enlace T1 en una misma manguera.

La solución a este problema, que fue el denominado HDSL, consistía en repartir el tráfico en dos o tres pares, y emplear técnicas de codificación más complejas que permitiera meter más bits por baudio, reduciendo así de forma sensible la frecuencia máxima utilizada y con ello el crosstalk en pares vecinos.

HDSL es la tecnología utilizada actualmente por las compañías telefónicas para instalar líneas T1 y E1 (1,5 y 2 Mb/s respectivamente). Además de permitir la instalación de varias líneas sobre una misma manguera de cables HDSL presenta la ventaja de tener un mayor alcance que la tecnología T1/E1 tradicional, con lo que la cantidad de repetidores a instalar se reduce.

HDSL no es interesante para acceso residencial por las siguientes razones:

Utiliza dos o tres pares de hilos para repartir la señal. Cualquier opción que suponga el uso de más de un par de cables por vivienda requiere recablear la red, lo cuale s impensable.
No reserva la zona de bajas frecuencias para la voz, por lo que es incompatible con el teléfono.
Es un servicio completamente simétrico que utiliza el mismo rango de frecuencias en cada sentido, por lo que resulta más sensible que ADSL al crosstalk, y además se ve afectado por el eco.

4.4 Redes de televisión por cable

4.4.1 Evolución de coaxial hacia HFC (Hybrid Fiber Coax)

Las redes CATV aparecieron en los Estados Unidos en 1949 para resolver las malas condiciones de recepción de la señal de televisión que se daban en algunas ciudades o barrios por orografía u otras razones. La solución consistía en instalar una antena en un sitio elevado con buenas condiciones de recepción, y desde allí distribuir la señal mediante cable coaxial a los usuarios. El hecho de que la antena se colocara en un lugar elevado dio lugar a la denominación ‘downstream’ o descendente que se utiliza para describir la comunicación en el sentido del centro emisor hacia el usuario.

El centro emisor, o cabecera de la red, puede tener una antena de superficie para captar la programación normal, varios receptores de canales vía satélite y una serie de canales de programación propia. Todas estas señales se distribuyen a los abonados a través de la red de cable coaxial, que puede abarcar muchos miles de usuarios.

En las redes CATV antiguas se utilizaba exclusivamente cable coaxial de 75 W como el de antena de televisión pero con mas apantallamiento, lo cual le confería la menor atenuación necesaria para cubrir grandes distancias. Para regenerar la señal se colocaban amplificadores cada 0,5 – 1,0 Km. La distancia entre amplificadores era función de la cantidad de usuarios en cada tramo (a mas usuarios menor distancia) y de la frecuencia máxima que utilizara la red (a mayor frecuencia máxima menor distancia). Esta frecuencia máxima era de 300-400 MHz. La señal podía tener que atravesar hasta 50 amplificadores para llegar a algunos usuarios. Cada amplificador degradaba la señal un poco, y la probabilidad de averías aumentaba al haber tantos elementos en serie. Desde el punto de vista del mantenimiento la red era muy compleja.

Las redes eran unidireccionales. No se contemplaba la necesidad de utilizarlas en sentido ascendente por lo que los amplificadores se diseñaban con la única función de amplificar la señal en sentido descendente y actuaban como verdaderas válvulas que impedían cualquier propagación de señales en sentido ascendente.

Para resolver los problemas de gestión y mantenimiento de las redes CATV coaxiales a finales de los años 80 empezaron a aparecer redes CATV con la arquitectura denominada HFC (Hibrid Fiber Coax), que consiste en formar dos niveles jerárquicos, el principal formado por un tendido de fibra óptica con topología de estrella distribuye la señal desde el centro emisor hasta cada zona de la ciudad. En cada zona hay un nodo (normalmente un armario ubicado en la acera) que se encarga de convertir la señal óptica en eléctrica para su distribución final en cable coaxial a los abonados. Cada zona abarca de 500 a 2000 viviendas. La transmisión por fibra óptica no requiere el uso de amplificadores, y en cuanto a la red de coaxial al tener que cubrir una distancia mucho menor el número de amplificadores máximo es de 5 (en muchas redes nunca hay más de 2 ó 3), con la consiguiente mejora en calidad de la señal y sencillez de mantenimiento. La figura 6.1 muestra la arquitectura de una red HFC.

Un elemento crucial en la implantación de redes HFC fue la posibilidad de enviar la señal analógica de televisión por fibra óptica sin necesidad de convertirla en digital.

Las redes HFC también facilitaron la utilización de la red para tráfico ascendente. Esto permitía labores de monitorización y servicios tales como el pago por visión. Dado que la señal de televisión utiliza frecuencias a partir de los 50-100 MHz se utilizan las frecuencias inferiores para la comunicación ascendente. Además se colocan amplificadores en sentido ascendente para el rango de bajas frecuencias, que no interfieren en la propagación de la señal descendente.

Cuando se utilizan para transmitir datos las redes HFC permiten la comunicación bidireccional sobre la misma red CATV, mientras que las redes antiguas (coaxiales puras) requieren el uso de una conexión telefónica, analógica o RDSI, para el canal de retorno. Esto reduce el rendimiento y además suprime una de las ventajas de las redes CATV que es la tarifa plana.

En España, dado que la mayoría de las redes CATV son de reciente creación, casi todas son del tipo HFC y por tanto bidireccionales. Nosotros en nuestra discusión nos limitaremos a hablar de este tipo de redes.

4.4.2 Estándares CATV

Existen fundamentalmente dos estándares que especifican la utilización de redes HFC para transmisión de datos, aparte de diversos sistemas propietarios; todos son incompatibles entre sí, lo cual ha influido negativamente en la utilización de estas redes para la transmisión de datos. Los estándares a los que nos referimos son los siguientes:

o DOCSIS (Data-Over-Cable Service Interface Specification). Estos estándares los elabora el MCNS (Multimedia Cable Network System),consorcio formado por algunos de los más importantes operadores de redes CATV de Estados Unidos. La versión 1.0 fue publicada en marzo de 1997. En marzo de 1999 se publicó la version 1.1. La mayoría de los equipos actualmente existentes en el Mercado corresponden a DOCSIS 1.0, y es previsible que evolucionen rápidamente a DOCSIS 1.1.

o DAVIC (Digital Audio-Visual Council). Este estándar está elaborado por el consorcio DVB (Digital Video Broadcast) y aunque su existencia es anterior a DOCSIS (las primeras versiones datan de 1995) no se ha implementado en productos comerciales hasta fechas muy recientes.

Había un tercer estándar que estaba siendo elaborado por el grupo de trabajo 802.14 del IEEE; este grupo, creado en mayo de 1994, llegó a producir un borrador de la norma en septiembre de 1998, pero ésta nunca llegó a ratificarse, fundamentalmente por falta de interés de la industria. En abril de 2000 los componentes del grupo 802.14 decidieron por unanimidad la disolución del grupo.

Actualmente hay una lucha entre DOCSIS y DAVIC por acaparar cuota de mercado. Aunque DOCSIS está más extendido y lleva aproximadamente un año de ventaja en la implementación de productos, no está aún claro que DAVIC tenga perdida la batalla. En general los fabricantes de Estados Unidos utilizan DOCSIS y los europeos prefieren DAVIC. La ITU-T ha adoptado como estándares tanto DOCSIS como DAVIC

Dado que DOCSIS es actualmente el estándar más extendido nosotros describiremos el funcionamiento de este tipo de redes, aunque los principios básicos de funcionamiento de ambas son similares.

4.4.3 Transmisión de datos en redes CATV

Cuando se utiliza una red CATV para transmitir datos se reserva un canal de televisión para el sentido descendente. Según se utilice la norma americana (NTSC) o europea (PAL o SECAM) el canal tendrá una anchura de 6 u 8 MHz, respectivamente.

En las redes CATV HFC se utiliza para el retorno el rango de frecuencias bajas en el que los amplificadores actúan en sentido inverso. En este rango se pueden definir canales de diversas anchuras.

Los rangos de frecuencia que utiliza DOCSIS para las redes bidireccionales son los que se muestran en la tabla 6.4.

Sentido	Europa (PAL, SECAM)	América (NTSC)	Relación señal/ruido
Ascendente	5-65 MHz	5-42 MHz	> 25 dB
Descendente	96-864 MHz	88-860 MHz	> 34 dB (típica 46 dB)

Tabla 6.4.- Reparto de frecuencias ascendentes y descendentes en redes de televisión por cable

La menor relación señal/ruido de la señal ascendente se debe a dos razones:

El rango de frecuencias es mas ‘sucio’ desde el punto de vista electromagnético, es decir está mas sujeto a interferencias externas de todo tipo

En el sentido ascendente los amplificadores recogen la señal de todos los abonados de la zona; una manipulación incorrecta de un abonado en su televisor puede introducir ruido en la red que será amplificado y afectará a todos los usuarios de la zona. Esto se conoce como efecto ‘embudo’. Este problema es aún mas acusado en redes coaxiales puras, ya que el efecto se suma para todos los usuarios de la red.

En la práctica las frecuencias por debajo de 30 MHz no se utilizan debido a la elevada cantidad de interferencia a que se ven sometidas.

Las redes de televisión por cable fueron diseñadas para enviar la señal de televisión, que es de tipo analógico. Por esto cuando se quiere enviar datos hay que modularlos sobre la portadora analógica correspondiente. Las técnicas de modulación empleadas en redes CATV son diferentes en sentido ascendente y descendente, ya que la menor relación señal/ruido del canal ascendente obliga a utilizar técnicas mas robustas que en el descendente. De acuerdo con lo que cabría esperar por la Ley de Shannon las modulaciones mas resistentes al ruido tienen una eficiencia en bits/símbolo menor. La tabla 4.19 muestra las técnicas de modulación utilizadas normalmente. En general las técnicas mas eficientes ( 16 QAM en ascendente y 256 QAM en descendente) requieren una mayor relación señal/ruido y unos circuitos mas complejos, por lo que los equipos son mas costosos. Generalmente se prefiere utilizar QPSK en ascendente y 256 QAM en descendente.

Modulación	Sentido	Bits/ Simb.	S/R mínima	Bits/simb. Shannon
QPSK	Ascendente	2	>21 dB	7
16 QAM	Ascendente	4	>24 dB	8
64 QAM	Descendente	6	>25 dB	8,3
256 QAM	Descendente	8	>33 dB	10,9

Tabla 6.5.- Técnicas de modulación para transmisión de datos en redes CATV

El caudal transmitido en símbolos por segundo depende de la anchura del canal utilizado. Una vez fijado éste y el tipo de modulación se puede deducir fácilmente cual será el caudal en bits por segundo. Los valores correspondientes al estándar DOCSIS se muestran en la tabla 4.20. En el caso del canal descendente los datos para 6 MHz corresponden al caso NTSC y los de 8 MHz al PAL-SECAM.

Los caudales que aparecen en la tabla 4.20 son caudales reales brutos. Las redes CATV utilizan códigos correctores Reed-Solomon que suponen un overhead de aproximadamente el 10%, por lo que a los caudales de la tabla habría que restarles el 10% para obtener valores que correspondan aproximadamente con los caudales útiles que realmente se pueden transmitir por la red. Generalmente los canales de datos ascendente y descendente son compartidos por todos los usuarios de una zona, por lo que los caudales son compartidos por todos ellos; por tanto el rendimiento percibido por un usuario dependerá del grado de utilización de la red por parte del resto de los usuarios. En la práctica los operadores suelen limitar por software el caudal máximo que un usuario puede utilizar a valores bastante inferiores a los que aparecen en la tabla 6.6.

Tipo de canal	Anchura (KHz)	Caudal símbolos	Caudal QPSK	Caudal 16 QAM	Caudal 64 QAM	Caudal 256 QAM
Ascendente	200	160 Ksym/s	320 Kb/s	640 Kb/s
Ascendente	400	320 Ksym/s	640 Kb/s	1280 Kb/s
Ascendente	800	640 Ksym/s	1280 Kb/s	2560 Kb/s
Ascendente	1600	1280 Ksym/s	2560 Kb/s	5120 Kb/s
Ascendente	3200	2560 Ksym/s	5120 Kb/s	10240 Kb/s

Descendente	6000	5057 Ksym/s			30342 Kb/s
Descendente	6000	5361 Ksym/s				42888 Kb/s
Descendente	8000	6952 Ksym/s			41712 Kb/s
Descendente	8000	6952 Ksym/s				55616 Kb/s

Tabla 6.6.- Caudales brutos en redes CATV

Cuando se planifica una red CATV se ha de decidir que rangos de frecuencias se asignarán en cada sentido al tráfico de datos. Generalmente para el descendente se asigna un canal 64 QAM en la parte alta de la banda disponible, y para el ascendente se asigna uno o varios canales de las anchuras y modulaciones deseadas en función de las necesidades previstas. Si mas adelante se observa que las previsiones iniciales eran insuficientes se puede adoptar una de las siguientes estrategias:

Cambiar a un esquema de modulación más eficiente. Podría ser por ejemplo reemplazar el canal descendente 64 QAM por uno 256 QAM. Esto aumentaría en algo la capacidad, pero tiene el inconveniente de que requiere sustituir todos los equipos con lo que el costo es considerable.

Asignar nuevos canales para datos. En este caso hay que asignar a los usuarios de la zona a uno u otro canal, es decir cada canal funciona como si se tratara de una zona diferente. Es posible realizar esta división únicamente para tráfico en un sentido, es decir combinar por ejemplo un determinado canal descendente con varios canales ascendentes que se reparten los usuarios de la zona.

Dividir la zona en zonas más pequeñas. Actualmente los tendidos de las redes de cable se hacen crenado zonas de 500 viviendas, pero con la previsión de poder pasar a zonas de 125 viviendas sin más que añadir algunos equipos en la red, sin modificaciones en el cableado. Esto permite cuadruplicar la capacidad sin tener que aumentar el número de canales dedicados a los datos en la red.

4.4.4 Comunicación en redes CATV

En una red CATV la información se transmite entre el dispositivo de cabecera, denominado CMTS (Cable Modem Termination System) y el CM o Cable Modem del usuario. Dado que el medio de comunicación es asimétrico por naturaleza los elementos que la hacen posible también lo son, y la funcionalidad de un CMTS no es la misma que la de un CM.

Debido a la forma como funcionan las redes CATV dos CMs no pueden comunicarse directamente aunque se encuentren en la misma zona, ya que por el canal ascendente solo pueden transmitir pero no recibir. Para ello necesitan hacer uso del CMTS de su zona, que actuará como intermediario entre ambos. Otra consecuencia curiosa de esto es que las redes CATV son broadcast pero solo en el sentido descendente, ya que en el ascendente el CMTS es el único destinatario posible de la información. Todas estas peculiaridades tienen sus consecuencias en el diseño del protocolo MAC, como veremos luego.

Normalmente el CM es un dispositivo externo que se conecta al PC mediante una interfaz Ethernet 10BASE-T. La conexión que el CM realiza con el CMTS simula el funcionamiento de un puente remoto transparente 802.1D, es decir el usuario posee una red local que se comunica a través de la red de cable con el exterior; por el canal de radiofrecuencia solo pasarán las tramas Ethernet correspondientes a destinos que no se encuentren en su red local, es decir el CM realizará un filtrado inteligente del tráfico. Respecto al caso de una comunicación normal entre dos Ethernets por puentes remotos la comunicación en una red CATV presenta dos peculiaridades:

El medio de comunicación entre ambos puentes (el CM y el CMTS) es asimétrico.

La información viaja cifrada (DES 56) para evitar que un usuario malintencionado pueda captar tramas no dirigidas a él. La clave de cifrado utilizada es intercambiada al inicio de la comunicación.

En principio un usuario podría conectar a través de un cable módem toda una red local con gran cantidad de ordenadores interconectados. En la práctica los operadores limitan (normalmente a uno) el número de equipos que el usuario puede conectar; para ello simplemente se controla la dirección MAC de origen de las tramas que envía el usuario. Además la asignación de direcciones IP se realiza normalmente por DHCP, con lo que el usuario no solo se ve limitado a usar una dirección MAC sino que tiene que utilizar la dirección MAC que tiene registrada en el servidor DHCP.

4.4.5 Protocolo MAC de redes CATV DOCSIS

Como ya hemos comentado la comunicación en una red CATV es asimétrica: el CMTS dispone para su uso exclusivo del canal descendente, mientras que los CMs han de compartir todos ellos el canal ascendente. Esta situación es muy similar a la que se presentaba en la red Alohanet de Abramson, y como entonces será preciso arbitrar algún protocolo MAC que permita la compartición de ese canal ascendente entre todos los CMs de una zona. Un principio básico en el diseño de este protocolo es minimizar la complejidad de los CMs a costa de aumentar la del CMTS, después de todo el CMTS es uno para toda la zona y los CMs estarán presentes en todas las viviendas que contraten el servicio y deben poder venderse a bajo precio.

Las redes CATV no pueden utilizar un protocolo MAC tradicional como CSMA/CD o Token Ring por diversas razones, la más importante de las cuales es la imposibilidad de los CMs de ‘oirse’ directamente unos a otros; esto impide por ejemplo la detección de colisiones por parte de los CMs. Además las grandes distancias (hasta 80 Km) que puede llegar a abarcar una red CATV harían sumamente ineficiente un protocolo tipo CSMA/CD

Aloha ranurado podría ser una solución, pero su baja eficiencia y el requisito de transmitir tramas de tamaño constante (para utilizar intervalos de tiempo constantes) suponen un inconveniente importante. En su lugar se ha preferido implementar un protocolo basado en créditos en el que el CMTS actúa como moderador, es decir asigna tiempos en el canal ascendente a los CMs que lo soliciten; una parte del canal ascendente tendrá que destinarse a esas peticiones de crédito, las cuales no tendrán más remedio que funcionar con un protocolo tipo Aloha; pero como se espera que dichas peticiones ocupen una parte proporcionalmente pequeña del canal ascendente la pérdida de capacidad producida por este motivo será también pequeña.

La figura 6.2 muestra el funcionamiento del protocolo MAC en una red CATV. El CMTS transmite por el canal descendente, además del tráfico de usuarios, información sobre el uso que los CMs pueden hacer del canal ascendente. Para ello el canal ascendente se divide en intervalos de tiempo de duración constante denominados mini-slots que se numeran. El CMTS informa a los CMs del mapa de asignación de los mini-slots, que pueden ser de tres tipos:

Asignados a CMs (marcados con óvalos en la figura): estos corresponden a CMs que previamente habían presentado su solicitud al CMTS y que ven así satisfecho su requerimiento. Durante estos mini-slots solo el CM designado puede transmitir por el canal ascendente.

De contención (representados por rectángulos): estos mini-slots quedan sin asignar y son los que permiten a los CM enviar sus solicitudes de tiempo al CMTS. En estos mini-slots puede haber colisiones y se aplica un protocolo tipo Aloha ranurado.

De mantenimiento (representados por rombos): estos mini-slots se reservan para funciones de mantenimiento de la red, entre las que se incluye por ejemplo la fase de inicialización y sincronización de los nuevos CMs que se incorporen a la red. En estos mini-slots también puede haber colisiones.

Un mini-slot tiene una duración de 64 símbolos, por lo que equivale a 128 bits en modulación QPSK y 256 en 16 QAM. La duración en tiempo de un mini-slot dependerá por tanto de la anchura del canal ascendente.

La asignación de mini-slots a estaciones concretas permite aprovechar eficientemente el canal ascendente en condiciones de saturación, ya que las colisiones solo pueden ocurrir en los mini-slots de contención o mantenimiento, que son menores a medida que la red se satura.

En DOCSIS 1.0 cuando una estación quiere transmitir una trama (que puede contener hasta 1500 bytes de datos) la ha de transmitir en su totalidad una vez recibe asignación de mini-slots por parte del CMTS. En redes con una elevada ocupación y un canal ascendente de baja capacidad esto puede llegar a suponer un retardo tal que no haga posible el uso de ciertas aplicaciones en tiempo real, tales como voz sobre IP. La principal innovación de DOCSIS 1.1 es permitir que en estos casos el emisor fragmente la trama, evitando de esta forma que un CM monopolice el canal ascendente durante un intervalo de tiempo peligrosamente grande.

4.5 SATÉLITES DE COMUNICACIONES

Los satélites artificiales son un medio estupendo para emitir señales de radio en zonas amplias o poco desarrolladas, ya que pueden utilizarse como enormes antenas suspendidas del cielo. El primer satélite de comunicaciones se puso en órbita en 1962. La primera transmisión de televisión vía satélite se llevó a cabo en 1964. Dado que no hay problema de visión directa las emisiones vía satélite suelen utilizar frecuencias elevadas, en el rango de los GHz que son más inmunes a las interferencias; además la elevada direccionalidad de las ondas a estas frecuencias permite 'alumbrar' zonas concretas de la tierra.

Los satélites comerciales funcionan en tres bandas de frecuencias llamadas C, Ku y Ka; análogamente a lo que ocurría en GSM se utiliza un rango distinto para la comunicación ascendente (tierra®satélite) que para la descendente (satélite®tierra), según se detalla en la tabla siguiente:

Banda	Frecuencia descendente (GHz)	Frecuencia ascendente (GHz)	Anchura (GHz)	Problemas	Ejemplos
C	3,7-4,2	5,92-6,42	0,5	Interferencia terrestre	Intelsat, Telecom
Ku	10,7-12,75	13,0-15,0	2,0	Lluvia	Astra, Eutelsat, Hispasat, Intelsat, Telecom.
Ka	17,7-21,7	27,5-30,5	4-3	Lluvia, costo equipos	Teledesic

Tabla 6.7.- Bandas utilizadas en las comunicaciones vía satélite

La mayoría de las emisiones de televisión vía satélite se producen en la banda Ku.

4.5.1 Satélites geoestacionarios

El período orbital de los satélites depende de su distancia a la Tierra, cuanto más cerca más corto es éste. Los primeros satélites de comunicaciones tenían un período orbital que no coincidía con el de rotación de la Tierra sobre su eje, por lo que tenían un movimiento aparente en el cielo; esto hacía difícil la orientación de las antenas, y cuando el satélite desaparecía en el horizonte la comunicación se interrumpía.

A una altura de exactamente 35.876,04 Km el período orbital del satélite coincide exactamente con el de rotación de la tierra. A esta órbita se la conoce como el cinturón de Clarke, ya que fue el famoso escritor de ciencia ficción Arthur C. Clarke el primero en sugerir esta idea en el año 1945 (además de escritor Clarke era un científico que trabajaba en el campo de los satélites artificiales). Vistos desde la tierra los satélites que giran en esta órbita parecen estar inmóviles en el cielo, por lo que se les llama satélites geoestacionarios o satélites GEO. Los satélites geoestacionarios tienen dos ventajas importantes para las comunicaciones: permiten el uso de antenas fijas pues su orientación no cambia y aseguran un contacto permanente con el satélite ya que no desaparecen por el horizonte.

No es conveniente poner muy próximos en el espacio dos satélites que funcionen en la misma banda de frecuencias, ya que pueden interferirse. En la banda C la distancia mínima es de 2 grados, y en Ku y Ka de un grado. Esto limita en la práctica el número total de satélites que puede haber en toda la órbita geoestacionaria a 180 en la banda C y 360 en las Ku y Ka. La distribución de bandas y espacio en la órbita geoestacionaria se realiza mediante acuerdos internacionales.

Cada una de las bandas utilizadas en los satélites se divide en canales. Para cada canal suele haber en el satélite un repetidor, llamado transponder o transpondedor, que se ocupa de captar la señal ascendente y retransmitirla de nuevo hacia la tierra en la frecuencia que le corresponde. Dado que el transpondedor ha de ser ligero y consumir poca potencia eléctrica las emisiones descendentes no suelen ser muy potentes, del orden de 50 a 100 vatios. Para llegar a la tierra con una potencia así las emisiones se hacen muy direccionales y en tierra se utiliza antenas parabólicas muy direccionales y de alta ganancia. El uso de antenas altamente direccionales junto a la elevada direccionalidad de las altas frecuencias hace posible concentrar las emisiones vía satélite a regiones geográficas muy concretas, hasta de unos pocos cientos de kilómetros. Esto permite evitar la recepción en zonas no deseadas y reducir la potencia de emisión necesaria, o bien concentrar el haz para así aumentar la potencia recibida por el receptor reduciendo así el tamaño de la antena parabólica necesaria. Por ejemplo el satélite Astra tiene una huella que se aproxima bastante al continente europeo.

Cada transponder puede tener un ancho de banda de 26 a 72 MHz, y puede utilizarse para enviar señales analógicas de vídeo y/o audio, o señales digitales moduladas en una portadora analógica como ocurre en el caso de la televisión digital que envía la información de vídeo codificada en flujos MPEG-2; también puede enviarse audio digital (con una calidad comparable al CD), conversaciones telefónicas digitalizadas, datos, etc., pero siempre modulados en la portadora analógica correspondiente. La modulación utilizada es la denominada QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) que da una eficiencia de 2 bits por símbolo; por ejemplo un transponder del Eutelsat tiene una anchura de 38 MHz y transmite 27,5 Msímbolos/s o sea 55 Mb/s.

Para la transmisión de datos vía satélite se utilizan estaciones de emisión-recepción de bajo costo llamadas VSAT (Very Small Aperture Terminal). Una estación VSAT típica tiene una antena de 1 metro de diámetro y un emisor de 1 vatio de potencia. Normalmente las estaciones VSAT no tienen potencia suficiente para comunicar entre sí a través del satélite (VSAT-satélite-VSAT), por lo que se suele utilizar una estación repetidora en tierra denominada hub (centro o eje en inglés) que actúa como repetidor; así la comunicación ocurre con dos saltos tierra-aire (VSAT-satélite-hub-satélite-VSAT); un solo hub puede dar servicio a múltiples comunicaciones VSAT.

En los últimos años han empezado a aparecer ISPs que ofrecen acceso a Internet vía satélite. En la implantación de estos servicios ha influido de manera decisiva el estándar DVB-S (Digital Video Broadcast – Satellite) y la difusión en el mercado de equipos receptores de bajo costo aprovechando los mismos componentes que se utilizan en los decodificadores de televisión digital vía satélite. Normalmente se trata de tarjetas PCI que se instalan en el PC e incorporan la conexión para la antena vía satélite. Los caudales que se consiguen normalmente están entre 300 Kb/s y 2 Mb/s. Dado que estos equipos suelen ser únicamente receptores el retorno se realiza mediante módem o RDSI, lo cual da una comunicación asimétrica, como en el caso de ADSL. También es posible, con un costo considerablemente superior, realizar el retorno vía satélite, pero aún en este caso el caudal suele ser asimétrico.

La comunicación vía satélites geoestacionarios tiene algunas características singulares. Por un lado la transmisión a grandes distancias introduce un retardo inusualmente elevado en la propagación de la señal. Con 36.000 Km de altura orbital el viaje de ida y vuelta al satélite que ha de realizar la señal supone un retardo de unos 270 ms [2]. En una comunicación en la que el retorno se haga también vía satélite estos tiempos se duplican, y si se trata de una comunicación VSAT-VSAT los tiempos se duplican nuevamente debido a la necesidad de pasar por el hub. A título comparativo en una comunicación terrestre por fibra óptica a 10.000 Km de distancia el retardo puede suponer 50 milisegundos. Estos retardos suponen una limitación importante en aplicaciones interactivas, como videoconferencia o voz sobre IP. En el caso de protocolos de transporte que requieren el envío de acuses de recibo (como TCP) estos retardos limitan el rendimiento máximo que es posible obtener. En el caso de TCP hay una modificación denominada ‘ventana grande’ (RFC 1106) que resuelve este problema.

Otra característica singular de los satélites es que sus emisiones siempre son broadcast por naturaleza. Tiene el mismo costo enviar una señal a una estación que enviarla a todas las estaciones que se encuentren dentro de la huella del satélite. Para algunas aplicaciones esto es muy interesante, mientras que para otras donde la seguridad es importante es un inconveniente, ya que las transmisiones han de ser encriptadas.

Una tercera característica que se deriva de la anterior es el hecho de que el medio de comunicación sea compartido. Es necesario implementar entonces un protocolo de acceso al medio o protocolo MAC, ya que se plantean problemas similares a los de una red local de tipo broadcast.

El costo de una transmisión vía satélite es independiente de la distancia, siempre que las dos estaciones se encuentren dentro de la huella del mismo satélite. Además no hay necesidad de desarrollar infraestructuras terrestres y el equipamiento necesario es relativamente reducido, por lo que los satélites son especialmente adecuados para enlazar instalaciones provisionales, que tengan cierta movilidad o que se encuentren en zonas donde la infraestructura de comunicaciones está poco desarrollada.

4.5.2 Satélites de órbita baja

Como hemos dicho los satélites con órbitas inferiores a 36.000 Km tienen un período de rotación inferior al de la Tierra, por lo que su posición relativa en el cielo cambia constantemente. La movilidad es tanto más rápida cuanto menor es su órbita. En los últimos años se han puesto en marcha diversos proyectos que pretenden ofrecer servicios de comunicaciones basados en el uso de satélites de órbita baja o LEO (Lowe Earth Orbit), entre 750 y 1500 Km de altura. A estas alturas el período orbital es menor de 24 horas, por ejemplo a 750 Km es de 90 minutos. Esto hace que el satélite desaparezca de la vista a los pocos minutos, lo cual hace la comunicación poco útil. Para evitar este problema se ponen en la misma órbita varios satélites adecuadamente espaciados entre sí, de forma que cuando uno desaparece ya está el siguiente a la vista. Además se establecen varias órbitas circumpolares (siguiendo los meridianos) de forma que la cobertura puede abarcar amplias zonas geográficas, en algunos casos todo el planeta. El conjunto de satélites forma pues una malla ‘colgada del cielo’ de tal forma que siempre haya uno a la vista; los satélites se reparten la superficie del globo creando una estructura de celdas similar a la de una red GSM, con la salvedad de que en este caso las estaciones base se mueven. La tabla 2.16 recoge las principales características de los servicios LEO más conocidos. El primer proyecto LEO que se puso en marcha fue Iridium, iniciado por Motorola en el año 1990. Los servicios de voz de Iridium empezaron a funcionar en 1999.

Satélite	Frecuencia Subida (GHz)	Frecuencia Bajada (GHz)	Número de Satélites	Altura Órbita (Km)	Caudal max. (datos)	Puesta en marcha	Conmutación
Globalstar	1,61-1,626	2,483-2,5	6x8=48	1414	9,6 Kb/s	2000	Tierra
Iridium	1,616-1,625	1,616-1,625	11x6=66	750	4,8 Kb/s	1999	Satélite
Teledesic	28,6-29,1	18,8-19,3	24x12=288	1375	64 Mb/s desc. 2 Mb/s asc.	2004	Satélite

Tabla 6.8.- Caracterísitcas principales de los servicios LEO más conocidos

La baja altura de los satélites LEO tiene dos consecuencias importantes que los diferencian de los satélites geoestacionarios. En primer lugar el retardo en la propagación de la señal es mucho menor, similar a las comunicaciones por superficie, por lo que tienen una total compatibilidad en software y protocolos con los medios terrestres. En segundo lugar, al tener que cubrir distancias menores es posible utilizar emisores de baja potencia que pueden integrarse en equipos móviles de peso reducido alimentados por baterías y no es necesario recurrir al uso de antenas parabólicas altamente direccionales. Los servicios Iridium y Globalstar por ejemplo utilizan un teléfono un poco mas grande que un GSM. Ambos están orientados primordialmente para la voz. En cambio Teledesic está diseñado para datos y no contempla movilidad mientras se transmiten datos (aunque es posible cambiar de ubicación con facilidad).

En algunos sistemas, como Globalstar, el satélite devuelve inmediatamente la señal a la tierra, donde es transportada hasta la célula de destino; una vez allí es enviada al satélite correspondiente que a su vez la transmite al destinatario. En otros sistemas, como Iridium o Teledesic, la conmutación se realiza totalmente en el cielo, sin pasar por la tierra en ningún punto intermedio del trayecto.

Teledesic es un ambicioso proyecto que pretende competir con tecnologías de banda ancha residencial, tales como redes de televisión por cable o ADSL. El protocolo de red utilizado por los satélites Teledesic para comunicarse entre ellos es no orientado a conexión y se asemeja en muchos aspectos a IP; algunos se refieren a Teledesic como una Internet ‘colgada del cielo’. En Teledesic los satélites dividen la superficie de la tierra en células cuadradas de 53 Km de lado (un satélite abarca múltiples células); cada célula tiene una capacidad total de 64 Mb/s, capacidad que es asignada bajo demanda a los usuarios de la misma.

4.6 EJERCICIOS

1. Indique si es verdadera o falsa cada una de las siguientes afirmaciones:

a) Según la ley de Shannon-Hartley cuando se envía información digital por un canal analógico la capacidad máxima de transmisión de información es directamente proporcional al ancho de banda para una relación señal/ruido constante.

b) Cuando se transmiten datos de forma analógica la eficiencia máxima teórica (bits/Hz) solo depende de la relación señal/ruido y no del ancho de banda utilizado.

c) La atenuación en cables de cobre (medida en dB/m o dB/Km) depende únicamente del tipo de cable y no de la frecuencia o intensidad de la señal transmitida.

d) La transmisión de datos en redes de televisión por cable utiliza multiplexación por división en frecuencia y por división en el tiempo.

2. ¿Cuál es la máxima velocidad (en bps) a la que podrían transmitirse datos en un canal sin ruido con un ancho de banda de 6 KHz?

3. Suponga que en una conexión ADSL se utilizan los bins 35 a 255 para el tráfico descendente. En el proceso de inicialización de los módems ADSL éstos miden la calidad (la relación señal/ruido) de cada uno de los bins, y eligen la técnica de modulación más eficiente en cada caso. Suponga que en el proceso de inicialización el resultado ha sido el siguiente:

o 117 bins con S/R de 20 dB

o 88 bins con S/R de 15 dB

o 16 bins desactivados por exceso de ruido

Calcule la capacidad máxima teórica de la comunicación en este caso.

4.7 SOLUCIONES

S1.-

a) Verdadera. Si la relación señal/ruido es constante la eficiencia (medida en bits/Hz) es también constante, con lo que la capacidad es directamente proporcional al ancho de banda.

b) Verdadera. Evidentemente al ser la eficiencia una magnitud que viene dividida por el ancho de banda (bits/Hz) es independiente de éste.

c) Falsa. La atenuación depende del tipo de cable y de la frecuencia de la señal (pero no de su intensidad). A mayor frecuencia mayor atenuación.

d) Falsa. Sólo se utiliza multiplexación por división en frecuencia.

S2.-

La velocidad de transmisión de un canal sin ruido es ilimitada, ya que si aplicamos la ley de Shannon obtendremos una eficiencia teórica infinita. Si la pregunta hubiera sido cual es la máxima capacidad en baudios la respuesta habría sido 12 Kbaudios, aplicando el teorema de Nyquist.

S3.-

La anchura de un bin es 4,3125 KHz. Para calcular la eficiencia de cada bin utilizaremos la aproximación de la ley de Shannon expresada por la fórmula:

Eficiencia (en bps/Hz) = S/R (en dB) / 3

S/R 20 dB -> Eficiencia 6,7 bits/Hz -> 6,7 * 4,3125 -> 28,89 Kb/s

S/R 15 dB -> Eficiencia 5 bits/Hz -> 5 * 4,3125 -> 21,56 Kb/s

28,89 * 117 = 3,380 Mb/s

21,56 * 88 = 1,897 Mb/s

La capacidad total es de 5,277 Mb/s

[1]También llamada ADSL Universal o ADSL ‘Splitterless’.

[2] A 300.000 Km/s que es la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el aire y en el vacío (en el vidrio o en el cobre es de unos 200.000 Km/s)