Identificando problemas comunes en las redes DOCSIS
Efectivamente, DOCSIS es un puente Ethernet transparente sobre una red HFC. Hay dos componentes funcionales en una red DOCSIS – el cablemódem (CM) en el sitio del suscriptor y el sistema de terminación de cablemodems (CMTS, por sus siglas en inglés) en la cabecera o en el sitio hub. El CMTS se comunica con los cablemodems por un canal de 6 MHz de ancho (8 MHz en las implantaciones EuroDOCSIS) con una señal 64 ó 256 QAM de RF codificada digitalmente que viaja por el flujo descendente (downstream) de la red HFC, entre 88 y 860 MHz. Los cablemodems se comunican con el CMTS usando una modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK, por sus siglas en inglés) o una señal 8-, 16-, 32- ó 64-QAM que se transmite por el flujo ascendente (upstream) de la planta HFC en una frecuencia entre 5 - 42 MHz (5 – 65 MHz en EuroDOCSIS).
Los datos digitales incluyen información del control de acceso al medio (MAC, por sus siglas en inglés) la cual permite la coexistencia de unos cablemodems con otros mediante el uso del esquema del acceso múltiple por división de tiempo (TDMA, por sus siglas en inglés). [DOCSIS 2.0 también soporta el acceso múltiple por división de código con “spread spectrum (espectro expandido) síncrono” (S-CDMA)]. En esencia, el CMTS es el programador del sistema que coordina el nivel de potencia, la frecuencia, el tiempo de transmisión y la pre-ecualización de todas las señales de los cablemodems en la red DOCSIS.
Debido a que los cablemodems y el CMTS son capaces de convenir la transmisión de datos digitales entre ellos en la red HFC para los procesos de “orden y control”, también pueden transmitir paquetes que contienen otros datos no relacionados con la MAC de DOCSIS. Esto facilita fundamentalmente la habilidad de enviar tráfico Ethernet bidireccional sobre una red HFC. La red CMTS-CM de DOCSIS transporta tráfico IP bajo el mismo método que se usa para comunicar el protocolo MAC entre los dispositivos. Ahora que el tráfico IP puede atravesar la red HFC, los usuarios terminales pueden utilizar esta red para transmitir/recibir contenido dirigido hacia/desde la multitud de servicios de datos disponibles tales como el correo electrónico, la navegación Web, el video IP y la VoIP.
En resumen, a cada usuario se le asigna un cablemódem único con una dirección MAC única. El CMTS trabaja como un controlador/programador del sistema permitiendo que varios cablemodems residan en la misma red de RF. Las técnicas TDMA y/o S-CDMA se utilizan para asignar un tiempo finito a cada cablemódem para que transmitan y reciban datos IP. Para el usuario, la red parece ser un simple puente Ethernet.
Redes compatibles con DOCSIS
La siguiente tabla muestra la especificación de la Interfaz de RF (RFI) de DOCSIS 2.0 y detalla las especificaciones de RF para el flujo descendente de una planta HFC compatible con DOCSIS.
A pesar de que la relación portadora a ruido (CNR), el batido de segundo orden (CSO) y el triple batido compuesto (CTB) se consideran generalmente como fallas ‘analógicas’, éstas también afectan a las señales de RF moduladas digitalmente. El CSO y el CTB provenientes de las señales analógicas de intermodulación caerán por debajo de las señales digitales. Estos batidos no son coherentes pero degradarán la tasa de modulación en error (MER, por sus siglas en inglés).
Las microreflexiones tienen impacto en las transmisiones de un cablemódem reflejando la señal transmitida hacia la fuente de la señal. Las señales incidente y reflejada interactúan para producir un rizado en la amplitud y un retraso de grupo que degradan el MER y la interferencia entre símbolos (ISI). Esto puede causar resultados inesperados incluyendo fallas en el registro de los cablemodems, pérdida intermitente de datos y pobre calidad de voz en las redes de VoIP.
En una red en operación, el estándar DOCSIS requiere una tasa de bits en error (BER) de 10-8 después de la etapa de post-corrección de errores. Esto se traduce a no más de 1 error por cada 100 millones de bits de datos transmitidos. Para lograr esta BER, la siguiente tabla muestra el respectivo MER requerido para ambos canales DOCSIS de 64- y 256 QAM descendentes (downstream).
La especificación de portadora a interferencia >25 dB es efectivamente el CNR más cualquier ingreso que pudiera existir en el retorno. La portadora DOCSIS ascendente (upstream) es especialmente susceptible a fallas, tales como el ruido impulsivo que causa errores en los datos transmitidos. Las modulaciones de alto orden, tales como 64 QAM, pudieran requerir una CNR mayor a 25 dB para operar sin errores.
El rizado de la amplitud y el retraso de grupo se pueden clasificar juntos; si hay problemas con alguno de estos parámetros, es probable que también haya problemas con el otro. La gráfica de la amplitud vs. frecuencia (o uniformidad) debiera ser plana. Conforme el rizado aumenta en amplitud, también lo hace el retraso de grupo. Ambos afectarán la habilidad del CMTS para recuperar las señales transmitidas por los cablemodems. Las señales deterioradas por perturbaciones en frecuencia o un retraso excesivo de grupo ocasionarán pérdida de paquetes en el CMTS. Mientras que el retraso de grupo típicamente ha sido considerado como una falla en los bordes de la banda del retorno debido a la pendiente de corte (roll-off) de los filtros diplexores, éste se puede presentar a lo largo del retorno en cualquier ubicación del espectro que tenga problemas de respuesta en frecuencia.
Las microreflexiones son causadas por un desacoplamiento de impedancia (pobre pérdida de retorno). La detección de microreflexiones es todo un reto y puede hacerse con un reflectómetros en el dominio del tiempo (TDR), con un sistema de barrido del enlace ascendente, herramientas de caracterización del enlace ascendente o en caso de no contar con equipo de medición adecuado, mediante el reemplazo de cable y componentes posiblemente defectuosos.
Aunque en apariencia parece sencillo, la actual implantación de redes DOCCSIS tiene muchas complejidades que causan problemas y fallas en la red. Las fallas en la capa física de transporte de RF pueden generar comunicaciones pobres o pérdidas en la capa IP. Los temas de interoperabilidad entre distintos dispositivos DOCSIS (CMTS y cablemodems de diferentes fabricantes), además del uso excesivo de la red DOCSIS pueden ocasionar pérdida de paquetes, retraso y jitter. Finalmente, todas las fallas que existen en las redes Ethernet tal como colisiones, retraso, saturación del buffer y errores de ruteo, ocasionan pérdida de paquetes, retraso y jitter.
Fallas en el flujo ascendente (upstream) de RF
El flujo ascendente (upstream) en una red HFC puede considerarse como el “tendón de Aquiles” de un sistema de VoIP debido a que usualmente es aquí donde está la mayor fuente de fallas. Una breve lista de fallas y su correspondiente especificación DOCSIS se muestra en la siguiente tabla:
La amplia variedad de fallas en el flujo ascendente pueden causar que los datos provenientes de los cablemodems y de los adaptadores terminales multimedia integrados (EMTA, por sus siglas en inglés) sean corrompidos antes de llegar al CMTS. Si el CMTS no es capaz de demodular correctamente una señal corrompida, entonces la eliminará. Durante el tráfico normal de datos, éstos serán retransmitidos por una aplicación de más alto nivel, pero en la VoIP no hay retransmisión porque éste es un protocolo en tiempo real (RTP, por sus siglas en inglés). Las tramas perdidas se pierden para siempre.
Relación portadora a ruido
Para detectar ruido en el flujo ascendente (upstream), coloque un analizador de espectros con la función MAX HOLD (máxima retención) en la cabecera o en el sitio hub en el retorno que va hacia el puerto del flujo ascendente del CMTS. Para hacer una medición básica de CNR, coloque un marcador en el borde superior de la pila de señales DOCSIS y un marcador delta en el pico del piso de ruido adyacente a esta pila de señales DOCSIS. La lectura del marcador delta mostrará el CNR. DOCSIS requiere un CNR igual o mayor a 25 dB.
Retraso de grupo
El retraso de grupo es una falla de RF que manifestará una gran cantidad de síntomas en una red DOCSIS incluyendo fallas en el registro de los cablemodems, frecuente incapacidad para registrarse, bajas tasas de transmisión de datos, incapacidad para soportar mayores órdenes de modulación, baja calidad en la voz durante las llamadas y llamadas que no se pueden conectar, entre otros. Una función problemática del retraso de grupo es que a menudo parece ser una falla relacionada con IP porque es virtualmente invisible en el dominio de RF. El retraso de grupo ocurre cuando la relación fase vs. frecuencia no es lineal (rizado/pendiente de la amplitud ocurre cuando la relación amplitud vs. frecuencia no es lineal). El retraso de grupo usualmente ocurre en la pendiente de corte (roll-off) de los filtros diplexores y su impacto aumenta con una mayor cantidad de filtros en la cascada. El retraso de grupo también puede ocurrir debido a cambios de amplitud a lo largo del espectro de transmisión.
El mejor método para observar el retraso de grupo consiste en usar un generador QAM especial y un analizador de espectros con un demodulador QAM específicamente diseñado para caracterizar el enlace ascendente (upstream) como se muestra en la siguiente figura. El trazo superior es la gráfica del ecualizador adaptivo que muestra una microreflexión de ~2.5 µs de -23 dBc. La microreflexión causó 1.6 dB entre el pico y el valle en el rizado de la amplitud del canal (segundo trazo) con los rizados espaciados cada 400 kHz, y un retraso de grupo de ~270 ns entre pico y pico dentro del canal (trazo inferior). Observe que el rizado del retraso de grupo está fuera de la escala en el tercer trazo pero se muestra en escala completa en la segunda pantalla.
La especificación DOCSIS para el retraso de grupo ascendente es <200 nseg/MHz, pero este canal tiene 270 ns/MHz que excede por mucho la especificación – indicación de un severo desacoplamiento de impedancia.
Puede usar la fórmula D = 492 x Vp/F para calcular la distancia aproximada a un desacoplamiento de impedancia. D es la distancia en pies (feet) hasta la falla desde el punto de prueba; Vp es la velocidad de propagación del cable (típicamente de ~0.87 para cable rígido), y F es el incremento de frecuencia en MHz entre los sucesivos picos de onda que se encuentran durante el trazo del barrido. El rizado de la amplitud espaciado cada 400 kHz sugiere un desacoplamiento de impedancia a aproximadamente 1,070 pies desde el punto de prueba. Para observar el rizado espaciado cada 400 kHz en un barrido de reversa convencional, será necesario tener puntos de barrido por lo menos a cada 200 kHz.
Recorte (clipping) del láser
Aunque en una red DOCSIS el retorno esté definido entre 5 – 42 MHz, los láseres de retorno típicamente transmiten entre 0 – 200 MHz. Por ello, mucha más información estará disponible si el analizador de espectro se configura entre 0 y 200 MHz. Esto proporciona un método ideal para identificar la operación de los láseres en un modo de operación no lineal, comúnmente conocido como recorte (clipping).
La siguiente figura muestra un analizador de espectros configurado con una apertura (span) de 200 MHz. El canal ascendente (upstream) de DOCSIS es la señal más alta. Ahí también hay un tercer armónico y una imagen completa de la banda de paso entre 5 – 42 MHz y de la portadora de DOCSIS mayor a 140 MHz. Esta es una clara indicación de que el láser está en compresión y probablemente esté causando la caída de paquetes de VoIP debido al recorte (clipping) del láser.
Nota: Siempre observe debajo de los 5 MHz para detectar ingreso por difusión de radio en AM (0.5 a 1.7 MHz) y/o ingreso por radio civil cerca de 1.8 y 3.5 MHz
Resumen
Las fallas en una red DOCSIS van más allá de las propias fuerzas y de los métodos empíricos. Los suscriptores de hoy en día que usan los servicios finales, demandan soluciones rápidas a cualquier falla que pudiera afectar su estilo de vida. Para ser proveedores de soluciones eficientes, los operadores de cable y sus técnicos deben comprender la necesidad de dar mantenimiento a la red DOCSIS y de conocer las fallas que la afectan. Además, deben ser muy diestros en la técnica ‘divide y conquistarás’ en la red para identificar rápidamente la causa de cualquier problema.
