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Diseñando la Red de Cable (Parte 1)
28-Noviembre-2007
Jorge Muñoz Miranda

IMPORTANCIA DEL DISEÑO DE LAS REDES DE CABLE
Las redes de cable han experimentado una acelerada transformación en los últimos años. Esta evolución o adaptación se debe, principalmente, a la demanda de los consumidores de más y mejores servicios. Hace varios años, cuando el video analógico reinaba en las redes de cable, los suscriptores eran menos exigentes con la calidad de la imagen que recibían, quedaban satisfechos con un servicio de video que, en ocasiones, no cumplía cabalmente con los más altos estándares de calidad de hoy en día. Ahora, con las señales digitales y la convergencia de servicios, las redes de cable se han transformado considerablemente.

Así como las grandes obras arquitectónicas requieren un cuidadoso diseño de ingeniería para convertirse en realidad, las redes de cable necesitan un diseño que tome en cuenta normas, especificaciones, cálculos y otras condiciones muy particulares. Si una red de cable no se sustenta en sólidos cimientos de diseño, le pasará lo mismo que a una casa construida sin planos.

ASPECTOS QUE SE DEBEN CONSIDERAR ANTES DEL DISEÑO
Para el diseño de una red de cable se debe seguir un riguroso proceso que consta de varias etapas. Primero se debe partir de un estudio de las condiciones del mercado, es decir, una investigación que arroje resultados sobre el tipo de servicios de telecomunicaciones que necesita la población, competencia de otros operadores en la zona y cualquier otro dato que aporte información sobre el consumo de los servicios de telecomunicaciones de los habitantes. Con estos datos se podrá planear la inversión inicial para la implementación de equipos y tecnologías (generalmente por etapas), así como la definición de la arquitectura y de la capacidad requerida de la red para proveer cada uno de los servicios: señales analógicas, servicios digitales, acceso a Internet de banda ancha, telefonía, cajas decodificadoras para servicios avanzados, etc.

Una vez que se haya determinado y justificado la puesta en marcha de la red de cable, se procede a la realización de un levantamiento. El levantamiento [Figura 1], para el caso de la industria del cable, consiste en la recopilación sistemática de las características de la zona donde se va a construir la red. Siguiendo con la analogía de la obra arquitectónica, se debe registrar y analizar toda la información relacionada con las condiciones del terreno antes de comenzar a diseñar. En el plano de la población se recolectan datos como la localización exacta de los postes, el material de los mismos, las distancias interpostales, ubicación del CRC, casas pasadas, localización precisa de edificios, escuelas, hoteles, hospitales y cualquier otro recinto que pudiese solicitar algún servicio del sistema de cable en un futuro.

Figura 1. Fragmento de un levantamiento para el diseño de una red de cable.

Otros datos indispensables para el diseño de la red, además de los indicados en el levantamiento, son:
a)   Ancho de banda de la red
b)   Tipo de arquitectura
c)   Niveles mínimos en las salidas del tap (para frecuencias altas y bajas)
d)   Porcentaje de diseño
e)   Número máximo de amplificadores en cascada
f)   Niveles de entrada y salida de los amplificadores (en forward y reversa)
g)   Crossover

a) Ancho de banda de la red: El ancho de banda de la red es el rango de frecuencias que se puede utilizar para transmitir señales.

El ancho de banda del cable coaxial y de la fibra óptica es muy grande y está limitado básicamente por el ancho de banda de los equipos que se conectan a la red. Las antiguas redes de cable (construidas exclusivamente con coaxial) tenían un ancho de banda relativamente pequeño, inclusive menor a 450 MHz. Las redes de cable de hoy en día, para poder brindar varios servicios y más canales de televisión, se diseñan hasta a 1 GHz de ancho de banda.

Es importante determinar a qué ancho de banda se va a diseñar la red pues no todas las señales en el sistema se atenúan igual: las de mayor frecuencia se atenúan más que las de menor frecuencia.

b) Tipo de arquitectura: La arquitectura de la red determina la forma en que se construirá la red para llevar las señales a los abonados; en otras palabras, es la disposición física en la que se interconectan los suscriptores con el CRC.

La arquitectura más utilizada por los sistemas de cable en las primeras décadas de la industria del cable era la de “árbol y rama” en la cual las señales provenientes del CRC eran distribuidas a la población por medio de una serie de ramificaciones primarias y secundarias de cable coaxial. La desventaja de estas arquitecturas es que presentaban muchos problemas de ruido y distorsiones por las grandes cascadas de amplificadores (el término cascada se refiere a los amplificadores que se conectan en una misma línea de cable consecutivamente).

Actualmente se tienen otras alternativas de arquitecturas mucho más confiables debido a que la fibra óptica brinda mayor flexibilidad en los diseños y permite llevar señales a grandes distancias sin las desventajas propias del cable coaxial (gran atenuación y la necesidad de amplificación en distancias cortas). Las arquitecturas del tipo BLASTER (Estrategia de Arquitectura de Banda Ancha por Capas para Incrementar la Confiabilidad, del inglés Broadband Layered Architecture Strategy to Enhance Reliability) buscan optimizar al 100% el potencial de los amplificadores de la red. Es decir, se reduce el número de dispositivos activos pero se incrementa la cantidad de cable coaxial [Figura 2]. Para lograr esto, se hacen los cálculos de diseño como si cada amplificador diera servicio a una red independiente y después se unen por medio de una troncal.

Figura 2. Ejemplo de arquitectura BLASTER

Las redes HFC (Híbridas de Fibra-Coaxial) actualmente se diseñan segmentando y nodificando la red, es decir, haciendo pequeñas redes de cable coaxial que dan servicio a un determinado número de casas pasadas (típicamente de 250 a 1000 casas) conectadas al CRC por medio de fibra óptica (con opción de anillo, estrella o combinaciones).

La fibra óptica sigue ganando terreno en las redes de cable y, paradójicamente, desplazando al cable coaxial. Las arquitecturas FTTX (del inglés Fiber To The X, “Fibra Hasta X”) han comenzado a emplearse con mayor frecuencia en los sistemas de cable y pueden ser un ejemplo de redes en donde el único dispositivo activo es el nodo.

c) Niveles en las salidas del tap: El nivel de la señal en los puertos de salida del tap debe ser tal, que permita entregar la potencia adecuada de operación a los equipos terminales del suscriptor.

Se debe determinar el nivel mínimo de las señales a la frecuencia más alta y a la frecuencia más baja. Para lograr esto último, se calcula la atenuación que experimentan las señales con base en la longitud máxima permitida para las acometidas y a los equipos pasivos requeridos para una instalación con varios servicios [Figura 3].

Figura 3. Instalación de una acometida para varios servicios.

Es importante recordar que el nivel de entrada al televisor debe ser de 0 dBmV, y para el caso de los cablemodems (indispensables para el servicio de Internet), el rango de entrada va de los -15 dBmV a los 15 dBmV. Para el ejemplo de la Figura 3, y suponiendo que la máxima frecuencia del sistema es de 860 MHz, se tendría lo siguiente [Tabla 1]:

	Pérdidas @ 860 MHz
Elemento	TV	PC
30 m de cable RG-6 [≈ 20 dB/100m]	6 dB	6 dB
Acoplador direccional	1 dB	8 dB
20 m de cable RG-6 [≈ 20 dB/100m]	4 dB	4 dB
Divisor de 4	7 dB	-
Pérdida total	18 dB	18 dB

Tabla 1. Cálculo de la atenuación de señal en una acometida a 860 MHz.

De acuerdo con el cálculo de la Tabla 1, el nivel de las señales en la boca del tap a la máxima frecuencia del sistema debería ser de 18 dB para llegar con 0 dBmV a la entrada del televisor.

d) Porcentaje de diseño: Se refiere al número total de puertos de salida del tap en relación con el número de casas potenciales a las que dará servicio.

Los taps sólo tienen 2, 4 u 8 puertos de salida (siendo los más comunes de 4 y 8 salidas), por lo tanto se debe especificar en qué casos se colocará cada uno de ellos (ver Tabla 2). A este parámetro se le conoce como porcentaje de diseño porque frecuentemente se expresa en esos términos (como el porcentaje de las casas pasadas cubiertas por los taps).

Casas pasadas	No. de puertos de salida del tap
1	2
2	2
3	4
4	4
5	8
6	8
7	8
8	8
9	8 y 4
10	8 y 4
11	8 y 4
12	8 y 4
13	8 y 8
14	8 y 8
15	8 y 8
16	8 y 8

Tabla 2. Ejemplo de asignación de taps por casas pasadas (diseño al 100%)

Como se puede apreciar en la Tabla 2, los taps cubrirán en su totalidad las casas pasadas. Para algunos casos de la tabla, se observa que sobrarán varios puertos de salida de los taps. Por ejemplo, en el caso de 5, 6, 13 ó 14 casas pasadas se exceden las casas pasadas por 1, 2 ó 3 “bocas” de tap (pues no hay taps con ese número exacto de salidas). En realidad, no todos los habitantes contratarán servicios del sistema de cable, por lo que podrán sobrar aún más “bocas” de taps. Para solucionar este inconveniente, los sistemas de cable tienen la opción de diseñar su sistema a un porcentaje menor al 100%, por ejemplo, utilizar taps de 8 para los casos de 9 ó 10 casas pasadas. Esto se justifica porque algunas casas pasadas tienen otro proveedor para sus servicios de telecomunicaciones o, simplemente, no cuentan con dichos servicios.

e) Número máximo de amplificadores en cascada: Poco a poco, a través de la historia de la televisión por cable, las grandes cascadas de amplificadores han ido reduciendo su tamaño hasta convertirse, en ocasiones, en cascadas de 3 o menos amplificadores (se les conoce también como “nodo + 3”, “nodo + 2”, “nodo + n”). Hacer diseños con muchos amplificadores permite amplificar numerosas veces la señal y llegar a grandes distancias, no obstante, el ruido también se amplifica y las distorsiones generadas en este proceso reducen considerablemente la calidad de las señales. Así que ¿cómo saber cuántos amplificadores se pueden tener en cascada sin degradar el funcionamiento del sistema?

Para conocer con exactitud cuántos amplificadores se pueden colocar en cascada en un diseño, se deben realizar cálculos matemáticos tomando en cuenta las especificaciones de los equipos activos (más adelante en este artículo se explicará a detalle este procedimiento).

f) Niveles de entrada y salida de los amplificadores: Para llegar a los equipos terminales del suscriptor con los niveles adecuados (en altas y bajas frecuencias), la red de cable debe amplificar y ecualizar las señales en toda su trayectoria desde el CRC hasta las instalaciones del suscriptor, no sólo en forward, sino también en la ruta de retorno. La labor de los amplificadores en este proceso es crucial y consiste en entregar, a través de sus puertos de salida, señales con determinados niveles y con cierta pendiente o tilt (la pendiente se refiere a la relación entre la potencia de las señales de mayor frecuencia y las de menor frecuencia).

En una red diseñada a 1 GHz el tilt o pendiente a la salida de los amplificadores es típicamente 14.5 dB, es decir, la potencia de la señal de más baja frecuencia estará por debajo de la de mayor frecuencia 14.5 dB. Los niveles de salida y de entrada de los amplificadores se determinan con base en las especificaciones del fabricante.

g) Crossover: Depende de la longitud de la acometida y se refiere a la pendiente o diferencia de potencia entre la frecuencia baja y la más alta, medida a la salida del tap. El objetivo de este parámetro es lograr que los dispositivos terminales del suscriptor reciban un conjunto de señales con una pendiente lo menos pronunciada posible [Figura 4].

Figura 4. Nivel de entrada plano a los equipos terminales del suscriptor

DISPOSITIVOS ACTIVOS Y PASIVOS
La selección del equipo activo y pasivo juega un papel fundamental en el diseño. En cuanto al equipamiento activo, es necesario conocer las especificaciones técnicas para poder calcular parámetros como el ruido, la relación portadora a ruido (CNR) y las distorsiones como el CTB (Triple Batido Compuesto) o el CSO (Batidos de Segundo Orden).

En el caso de los dispositivos pasivos sucede algo similar. Resulta indispensable conocer las especificaciones del fabricante para poder realizar los cálculos de diseño. Por ejemplo, se debe conocer la pérdida de inserción de todos los equipos para determinar qué tanta señal se pierde al pasar por cada uno de ellos: taps, divisores, acopladores direccionales, ecualizadores de línea, etc. Es imprescindible conocer la pérdida de señal en los puertos de salida de todos los dispositivos empleados.

La selección del cable coaxial es muy importante pues no todos los modelos de cable atenúan por igual las señales que viajan en su interior, algunos tienen mayor blindaje frente a las interferencias electromagnéticas y otros están construidos específicamente para instalación aérea, subterránea, etc. Como regla general, entre más grande sea el diámetro de un cable coaxial, menor será la atenuación de las señales.

Continúa en la 2a. Parte...