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Fiber Deep: Una Alternativa Para Optimizar Una Red de Cable
03-Julio-2007
Jorge Muñoz Miranda

La necesidad de contar con mayor capacidad para transmitir más información ha ido en aumento desde los inicios de la televisión por cable. En un principio, únicamente se necesitaba ancho de banda para retransmitir canales locales de televisión a lugares donde las señales aéreas no llegaban. Varios años más tarde, se fueron incorporando nuevos servicios a los sistemas de cable, llegaron los canales Premium, el Pago por Evento (PPV), las señales digitales y el acceso a Internet. Hoy en día, los operadores de cable se enfrentan con el reto de ofrecer una nueva gama de servicios como telefonía IP, transmisión de datos de alta velocidad (HSD), canales de televisión de alta definición (HDTV), varias clases de video por demanda (VoD) y otras aplicaciones avanzadas. Para poder ofrecer todos estos servicios satisfactoriamente (y los que aún están por llegar), es preciso contar con redes robustas y buscar estrategias tecnológicas que permitan mantener la calidad de servicio y lograr que el ancho de banda disponible en un sistema de cable no se convierta en un asunto crítico.

Los esquemas tradicionales de los servicios han evolucionado y ahora se requiere mayor ancho de banda o capacidad en ambos sentidos de transmisión (donwstream y upstream), tal es el caso de Internet. Las nuevas aplicaciones requieren altas velocidades no sólo para la descarga de información, sino también para los datos que los clientes envían hacia la red. Es por ello que las tendencias indican que el servicio de HSD tendrá que ser simétrico: tasas de transmisión similares en ambos sentidos, hacia y desde los suscriptores. De igual forma, el video por demanda ha cambiado; ahora se habla de varias clases de VoD dependiendo del esquema de comercialización: gratuito en demanda (FoD: Free on Demand), en demanda por suscripción (SoD: Subscription on Demand) y en demanda por pago (PoD: Pay on Demand). Asimismo, existe video en demanda de definición estándar o de alta definición. HDTV también está transformando la manera de ver televisión y la telefonía IP ha revolucionado el mercado convirtiéndose en un servicio clave para la denominada convergencia de servicios.

Las arquitecturas de sólo cable coaxial del tipo árbol y rama no ofrecen la confiabilidad que demandan los nuevos servicios. Estas arquitecturas presentan muchos problemas de ruido, atenuación y distorsión de señales. Muchos operadores ya han adoptado redes HFC (Híbridas de Fibra-Coaxial) debido a que la fibra óptica, al no transmitir señales de RF (radio frecuencia), está exenta de muchas de las interferencias y distorsiones que afectan a las señales que viajan a través del cable coaxial. Además, la atenuación que sufren las señales en la fibra óptica es mínima en comparación con las pérdidas inherentes al cable coaxial, evitando así las grandes cascadas de amplificadores que no sólo limitan el ancho de banda, sino que constituyen un gran riesgo de confiabilidad. Por estas y otras ventajas, la fibra óptica ha ganado más terreno dentro de las redes de cable.

Hoy en día, el espectro de las redes de cable en arquitecturas convencionales está saturado o se utiliza casi en su totalidad dejando poca capacidad para otras aplicaciones, especialmente las que tienen que ver con la ruta de retorno. En la Tabla 1 se observan algunas de las tendencias en los servicios para los próximos años.

Servicio	Oferta actual de los operadores de cable	Oferta de los operadores de cable a corto plazo	Oferta de los operadores de cable a largo plazo
Video	· Transmisión de video analógico y digital de definición estándar (SD). · Poco contenido VoD (SD). · Muy poco contenido de alta definición (HD).	· Transmisión de video analógico y digital de definición estándar (SD) · VoD (SD). · Paquetes de canales de alta definición (HD) y VoD de alta definición. · PVR (Grabación de contenidos).	· Reducción de la transmisión de video analógico. · Video digital y VoD en definición estándar. · VoD en alta definición. · Mayor oferta de contenidos en alta definición (HD). · PVR. · Oferta de IPTV.
Datos	· Servicios convencionales de Internet (tasas de transferencia asimétricas).	· Servicios avanzados de Internet, por ejemplo, descarga de contenido de alta definición. · Mayor simetría en las tasas de transferencia de downstream y upstream.	· Posibilidad de acceder a toda clase de contenidos a través de múltiples dispositivos y lugares.
Telefonía	· Servicio tradicional de telefonía.	· Servicio tradicional de telefonía.	· Servicio tradicional de telefonía. · Video telefonía, aplicaciones para sistemas de seguridad y vigilancia.

Tabla 1. Perspectivas de la oferta de servicios.

Los estudios indican que, para ofrecer a largo plazo (aproximadamente en 5 años), un paquete compuesto por video analógico, video digital, VoD, transmisión de datos de alta velocidad y telefonía, se necesitarían alrededor de 225 canales de 6 MHz, o bien, 1.35 GHz de ancho de banda. Esto excede claramente la capacidad actual de las redes de cable cuyo ancho de banda va de los 450, 550, 750 y/o 870 MHz para la mayoría de los sistemas de México.

Antes de comenzar a hablar de las alternativas para optimizar la capacidad de un sistema, es conveniente recordar que el ancho de banda recae en varias categorías [Figura 1]:

Ancho de banda general para downstream: ancho de banda utilizado para transmitir señales hacia todos los suscriptores sin tomar en cuenta si ellos son capaces de recibirlas o no (transmisión del tipo broadcasting). Un ejemplo puede ser la transmisión continua de un canal de alta definición hacia toda la red pero que únicamente puede ser visto por ciertos suscriptores autorizados.
Ancho de banda interactivo para downstream: ancho de banda ocupado por señales que son transmitidas para ciertos usuarios en particular (por ejemplo, para transmisiones narrowcasting). VoD, servicios de Internet o telefonía, representan ejemplos para esta categoría.
Ancho de banda para upstream: ancho de banda destinado para la transmisión de señales del suscriptor hacia el CRC (banda de retorno).

Figura 1. Clasificación del ancho de banda

¿Qué alternativas se tienen?

Para contar con mayor ancho de banda o incrementar la eficiencia de las redes de cable se tienen varias alternativas. Algunas de las opciones optimizan sólo el ancho de banda para donwstream mientras que otras lo hacen para downstream y upstream. Como ejemplos se tienen:

La migración de toda la red a una de mayor ancho de banda (por ejemplo a una red HFC de 870 MHz ó 1 GHz).
El incremento de la transmisión de señales digitales con la sustitución y/o reducción de la oferta de canales analógicos. Además de obtener ventajas en la calidad de las señales, se libera espacio o ancho de banda para otros servicios.
La división sistemática de las zonas de cobertura o áreas de servicio de los nodos.
La implantación de una nueva arquitectura de red.

La primera opción implica el rediseño parcial de la red y la sustitución de algunos dispositivos como amplificadores en la planta externa. La segunda alternativa requiere la instalación de equipo extra tanto en el CRC como en las instalaciones del suscriptor, es decir, equipos para procesar y enviar las señales digitales desde la Cabecera y cajas decodificadoras que permitan al suscriptor recibir las señales. Los operadores que ya cuentan con redes híbridas de fibra-coaxial (HFC) generalmente optan por la tercera alternativa ya que, con una reestructuración menor en la red, se logra un mayor ancho de banda para cada uno de los usuarios que pertenecen al nodo que se divide. En algunos casos, para el caso de sistemas con arquitecturas de sólo coaxial, es necesario tomar la cuarta opción y hacer la reestructuración o reconstrucción total de la red para lograr una red bidireccional de mayor capacidad.

En cuanto a las alternativas que sólo hacen más eficiente el ancho de banda en un sentido, existe una estrategia llamada SDV (Video Digital Conmutado, por sus siglas en inglés) que optimiza la transmisión de datos hacia el suscriptor. SDV no incrementa la capacidad de la red, lo único que hace es distribuir su potencial con mayor eficiencia. Cuando un suscriptor desea ver un canal y lo selecciona, la caja decodificadora envía una petición al servidor SDV que se encuentra en el CRC. Si el canal solicitado no se está transmitiendo al grupo de servicio a donde pertenece el suscriptor, entonces el CRC envía el canal junto con el resto de las señales. Una vez que el canal ya no se está viendo por cualquiera de los suscriptores que conforman el grupo de servicio, se suspende la transmisión de dicho canal. En este sentido, se observa que el SDV puede optimizar la transmisión de señales, sin embargo, también se dice que el SDV es una solución temporal debido a que sólo libera ancho de banda en un sentido: del CRC hacia el suscriptor (downstream). Además, tarde o temprano, cuando un mayor número de canales digitales de definición estándar sean sustituidos por canales de alta definición, SDV no será suficiente para la creciente demanda de ancho de banda.

Muchos operadores de cable buscan llevar la fibra óptica cada vez más cerca del suscriptor con el fin de aprovechar todas las ventajas que brinda la misma. Gracias a esto, han surgido las arquitecturas FTTX (Fibra hasta “X”, donde “X” es sustituida por el lugar hasta donde la fibra es llevada), que reducen considerablemente el uso de cable coaxial. Como ejemplos de arquitecturas FTTX se pueden citar:

FTTLA (Fiber To The Last Active): Fibra Hasta el Último Activo
FTTP (Fiber To The Premises): Fibra Hasta las Instalaciones
FTTB (Fiber To The Building): Fibra Hasta el Edificio
FTTC (Fiber To The Curb): Fibra Hasta la Acera
FTTH (Fiber To The Home): Fibra Hasta la Casa

En Estados Unidos algunos operadores han elegido FTTH obteniendo considerables beneficios en la operación de sus redes. Sin embargo, los costos de inversión son elevados ya que se debe hacer una fuerte reestructuración de la red. Es por este motivo que la alternativa más utilizada para llegar a las instalaciones del suscriptor (la última milla) sigue siendo la acometida de cable coaxial.

Operadores de cable en otros países han implementado otras opciones, por ejemplo las redes PON (Redes Ópticas Pasivas). Una red PON es una arquitectura de red del tipo FTTP. La arquitectura BPON (Red Óptica Pasiva de Banda Ancha) crea grupos de servicio para 32 casas. De acuerdo a estudios (que consideran el esquema de modulación 256 QAM para downstream y 16 QAM para upstream), BPON se traduce en 19.5 Mbps en downstream por casa pasada y 4.5 Mbps en upstream por casa pasada aproximadamente. El nuevo estándar GPON (Gigabit PON) da mayor flexibilidad al operador al utilizar grupos de 64 casas. Esta arquitectura ofrece un mejor rendimiento y puede proveer hasta 37.5 Mbps en downstream por casa pasada y aproximadamente 18.75 Mbps por casa pasada en upstream [Tabla 2]. Al compararlo con las redes tradicionales HFC (con nodos de 500 casas y con esquemas de modulación 256 QAM y 16 QAM para downstream y upstream respectivamente) se observa un notable incremento en las tasas de transmisión [Tabla 3].

Arquitectura	*Downstream*	*Upstream*
BPON	19.5 Mbps	4.5 Mbps
GPON	37.5 Mbps	18.75 Mbps

Tabla 2. Tasas de transferencias de las redes BPON y GPON
Fuente: Vyyo. Preparing for an Unknown Future.

Redes HFC	*Downstream*	*Upstream*
750 MHz	8.8 Mbps	0.18 Mbps
860 MHz	10.2 Mbps	0.18 Mbps
1 GHz	11.9 Mbps	0.18 Mbps

Tabla 3. Tasas de transferencias típicas de las redes HFC
Fuente: Vyyo. Preparing for an Unknown Future.

También existen redes APON (ATM PON) y EPON (Ethernet PON) que usan la misma estructura básica y cambian en que utilizan diferentes protocolos y tasas de transferencia.

¿Y qué sucede con el ancho de banda para el retorno?

Es importante mencionar que una limitante histórica en las redes de cable fue la asignación de la banda de retorno de los 5 a los 42 MHz únicamente. Una desventaja de este hecho es que se restringió el espacio o la porción de espectro para transmitir señales desde las instalaciones del suscriptor hacia el CRC (sin mencionar que la parte más baja de esta banda de frecuencias es más vulnerable a las interferencias e ingresos). Esta porción del espectro, también llamada sub-banda, originalmente se diseñó con la finalidad de la transmisión de señales de retorno, pero no para señales enviadas por cada uno de los suscriptores, sino para enviar señales de televisión generadas en algún estudio local o en cualquier punto de la red hacia el CRC. Las señales de televisión analógica de 6 MHz se modularían en alguno de los siete canales T contenidos en la sub-banda (así se les denominó, del T-7 al T-13), se enviarían hacia el CRC y de ahí se transmitirían con el resto de los canales. Como bien se sabe, actualmente esta banda de retorno tiene otra función, se utiliza para servicios interactivos, VoD, telefonía, Internet y en general para todas las señales que viajan desde el suscriptor hacia el CRC.

Otra de las opciones que tienen los operadores de cable es usar la técnica de Spectrum Overlay. Mediante esta práctica se puede hacer un mejor uso del espectro sin tener que efectuar inversiones tan altas para la reconstrucción de la red. Los promotores de esta solución indican que Spectrum Overlay permite utilizar varios bloques de ancho de banda extra en ambos sentidos de la red, específicamente un bloque de 700 MHz para downstream y cuatro bloques de 120 MHz para upstream. Esto se logra en la sección coaxial de la red HFC mediante un dispositivo que se coloca en el nodo óptico para la conversión de frecuencias. De esta manera, el ancho de banda extra se vuelve totalmente transparente para el CRC y para los equipos terminales sin necesidad de hacer otras modificaciones. Por consiguiente, se seguirán teniendo todos los servicios que la red de cable transportaba, incluyendo video digital, transmisión de datos de alta velocidad o telefonía IP. Vyyo es una de las compañías promotoras de esta solución.

¿Qué es Fiber Deep y cómo surge?

Fiber Deep es una arquitectura de red (del tipo FTTC) que busca aprovechar al máximo los beneficios de llevar la fibra óptica lo más cerca del suscriptor en una red de cable; busca eliminar los amplificadores de RF en la red. Fiber Deep no es una arquitectura totalmente nueva; la fibra óptica se ha empleado en redes de cable de diversas maneras desde 1991. Durante las primeras pruebas con fibra, se colocaban trasmisores y receptores ópticos en medio de grandes cascadas de amplificadores con la finalidad de sustituir tramos de cable coaxial, llevar las señales a mayores distancias y disminuir problemas y distorsiones. A mediados de 1994, Time Warner, una compañía de cable de los Estados Unidos, comenzó a estudiar el impacto financiero y técnico de las diferentes arquitecturas con fibra óptica. Dicha compañía llevó a cabo pruebas con fibra óptica en una ciudad de Pittsburgh. El sistema de cable se extendía por poco más de 330 millas con una densidad de 145 casas por milla aproximadamente y se reestructuraron 200 millas con el nuevo diseño de Fiber Deep.

Time Warner también utilizó una arquitectura denominada Fiber Rich. Ésta consistía en instalar fibra para limitar las cascadas de amplificadores a dos amplificadores troncales, un amplificador puente y tres amplificadores de distribución como máximo. Se comprobó la eficiencia de este diseño y de su viabilidad económica, ya que permitía actualizar un sistema de 300 MHz a 750 MHz con un costo aceptable. En el caso de Fiber Deep (en los primeros años de vida de esta arquitectura), se extendía la fibra desde el CRC hasta el amplificador puente reduciendo así el número de amplificadores en la red y eliminando los troncales. Estos amplificadores representaban puntos débiles de la red porque tendían a fallar con mayor frecuencia que los componentes ópticos. Haciendo una comparación, en esa época para Fiber Rich se tenían 6 amplificadores por milla mientras que para Fiber Deep, 5 amplificadores por milla aproximadamente.

En los sistemas de cable de hoy en día, la fibra óptica ha cobrado mayor importancia. La reducción de cascadas de amplificadores permite a su vez trabajar con niveles más altos a la salida de los dispositivos activos. Al llevar la fibra hasta al último activo (FTTLA) o hasta la acera (FTTC), se elimina la necesidad de colocar amplificadores en cascada, reduciendo así un sinnúmero de ruidos e interferencias asociados con el proceso de amplificación de señales de RF. Un sistema típico de Fiber Deep de hoy en día se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Diseño típico de Fiber Deep

Un nodo óptico en una red convencional HFC puede dar servicio a varios cientos de casas (de 500 a 2000 generalmente). Para el caso de las arquitecturas Fiber Deep los nodos dan servicio a grupos de casas más pequeños (de 50 a 150 típicamente) con un ancho de banda de 1 GHz. La mayoría de los operadores eligen nodos de 125 casas por cuestiones relativas al costo-beneficio. Si se tienen nodos de 64 casas, a la arquitectura se le conoce como Fiber Very Deep y, obviamente, el costo por casa se incrementa.

Existe un compromiso o una relación muy estrecha entre el ancho de banda de la red, el número de casas por nodo y la tasa de transferencia de datos. Para determinar una arquitectura de red, se debe evaluar los servicios que se quieren ofrecer, las necesidades de la población y aspectos financieros. En la Tabla 4 se muestra un ejemplo suponiendo una red con esquema de modulación 256 QAM para donwstream y 16 QAM para upstream con nodos de 500 casas.

Ancho de banda	*Tasa de transferencia de DS (Donwstream)*	*Tasa de transferencia de US (Upstream)*
750 MHz	8.8 Mbps / casa pasada	0.18 Mbps /casa pasada
860 MHz	10.2 Mbps / casa pasada	0.18 Mbps /casa pasada
1 GHz	11.9 Mbps / casa pasada	0.18 Mbps /casa pasada

Tabla 4. Tasas típicas de transferencia de datos para redes de cable
Fuente: Vyyo. Preparing for an unknown future

La reconstrucción de una red para su conversión en una arquitectura de tipo FTTX requiere, sin duda, altos costos de inversión inicial. No obstante, se observa un considerable decremento en los gastos destinados a su mantenimiento y se eleva notablemente la confiabilidad y disponibilidad de la red. Basta con recordar que el mantenimiento de una antigua arquitectura analógica de sólo coaxial puede convertirse en una carrera sin fin.

Tal como se aprecia en la Tabla 4, a medida que se requieren más servicios y de mayor capacidad, es inevitable incrementar el ancho de banda de la red. Los costos son muy variables y dependen del estado del sistema antes de la actualización, la extensión de la red, el proveedor de equipo y la solución empleada, entre otros. En la Tabla 5 se presenta para cuatro casos el costo estimado de la actualización de un sistema de 750 MHz.

Alternativa	Descripción	Costo aproximado por casa pasada
Estrategias para la optimización del ancho de banda	División de la zona de cobertura de nodos, SDV o alguna otra estrategia como Spectrum Overlay	$145 USD
Migración a un ancho de banda mayor	Actualización de toda la planta a un ancho de banda mayor	$165 USD
Arquitectura Fiber Deep	Implantación de la arquitectura Fiber Deep con nodos de 62 casas	$260 USD

Tabla 5. Costo estimado para la reconversión de un sistema
Fuente: Vyyo. First Strike Strategy is Key to Cable Victory in Telco Wars

Fabricantes y tipos de equipos

Muchos fabricantes ofrecen equipos diseñados específicamente para arquitecturas Fiber Deep. Algunas de estas soluciones permiten planear la migración o actualización de las redes de cable con la opción de seguir creciendo en el futuro. La flexibilidad de los equipos se determina por el número de sus accesorios, por ejemplo, dispositivos para el retorno como filtros diplexores y/o diferentes tipos de transmisores ópticos.

Algunos transmisores de retorno o de reversa permiten ya sea la comunicación bidireccional a través de fibras separadas o, en lugares donde no hay muchas fibras, la transmisión de señales hacia y desde el CRC a través de una sola fibra [Figura 3]. Esta tecnología se basa en la Multicanalización por División de Longitud de Onda (WDM).

Figura 3. Bidireccionalidad a través de una sola fibra.

Otros modelos de nodos ópticos especialmente diseñados para Fiber Deep brindan la posibilidad de tener receptores ópticos para redundancia o de soportar servicios de narrowcasting, es decir, contenidos que se transmiten sólo para algunos usuarios dentro de la red. Algunos otros nodos ofrecen altos niveles de salida de RF con bajos consumos de energía, buenos niveles de CNR (Relación Portadora a Ruido) y distorsiones muy bajas. Algunas de las principales compañías que han lanzado soluciones para arquitecturas Fiber Deep son Scientific Atlanta, Harmonic, C-COR, Aurora Networks, Arris y Motorola.

¿Y qué sigue?

La elección del tipo de actualización de la red no involucra únicamente cuestiones técnicas sino también de negocios. Es muy importante que los operadores decidan qué arquitecturas de red deben elegir con base en un profundo análisis de costos, opciones y beneficios de cada una de las soluciones. De esta manera podrán garantizar que sus redes estén por arriba del nivel de las de la competencia.

Afortunadamente, las actuales redes HFC proveen mayor flexibilidad y escalabilidad que otras redes de telecomunicaciones. No obstante, se dice que en este momento las redes de cable apenas están comenzando a explotar el enorme potencial que la fibra óptica ofrece.

Para brindar más y mejores servicios es indispensable preparar las redes de cable. Los clientes son ahora más exigentes y sabemos con certeza que la tendencia tecnológica será recibir “cualquier contenido en cualquier dispositivo a cualquier hora y lugar”. Actualizar la red y mantenerla en óptimas condiciones no es únicamente para los grandes operadores; si las redes de cable medianas y pequeñas desean mantenerse vigentes, deberán implantar programas de actualización y reconversión para no quedarse atrás frente a otras empresas de telecomunicaciones.