Tecnologías de acceso de banda ancha y su integración con ATM

1. Resumen
2. Introducción
3. Tecnologías de acceso a la red
4. Las tecnologías xDSL en la red de acceso
5. ADSL
7. VoDSL
8. Redes Ópticas Pasivas ATM-APON
9. Conclusiones
10. Bibliografía

Resumen

El acceso de banda ancha es un desafío que se viene logrando desde la década pasada. El problema fundamental está en desarrollar tecnologías que permitan altas velocidades en la última milla, a través de medios de transmisión convencionales como el par trenzado telefónico, el cable coaxial de las redes de cable o el espacio radioeléctrico. Otro hecho es, lograr que sobre este acceso se pueda brindar al usuario garantías de QoS, donde el ATM juega un papel fundamental.

En este trabajo se realiza un estudio de algunas tecnologías de acceso de banda ancha que permiten brindar al usuario una gama de servicios integrados que incluyen, servicio de Internet de alta velocidad, servicios de voz y de video, interconexión de redes LAN, entre otros.

Palabras Claves: ATM, QoS, AAL, Banda ancha, DSL, Video bajo demanda VoD.

1. Introducción

La Red de Acceso abarca los elementos tecnológicos que soportan los enlaces de telecomunicaciones entre los usuarios finales y el último nodo de la red. A menudo se denomina lazo de abonado o simplemente la última milla. Sus principales componentes son: los medios de comunicación (par de cobre, cable coaxial, fibra óptica, canal radioeléctrico) y los elementos que realizan la adecuación de la señal a los mismos.

Se estima que existan en la actualidad alrededor de 1100 millones de accesos fijos y 1000 millones de accesos móviles. El lazo local, sin lugar a dudas, constituye un punto de mira de los científicos, tecnólogos y economistas en la búsqueda de alternativas para incrementar el aprovechamiento del espacio de señal dentro de los medios de transmisión, a un precio que permita la asimilación por los abonados finales, aprovechándose de la creciente necesidad de ancho de banda para la satisfacción de las necesidades naturales o inducidas de información, comunicación y entretenimiento en que la época actual nos sumerge.

Este trabajo se centra principalmente en aquellas tecnologías de acceso que en la actualidad dan soporte al ATM, de tal forma que se brinde un servicio fiable y con QoS garantizada de extremo a extremo. Específicamente se abordan las tecnologías ADSL (Línea de Abonado Digital Asimétrica), VDSL (Línea de Abonado Digital de Muy Alta Velocidad) y ATMPON (Redes Ópticas Pasivas ATM).

2. Tecnologías de acceso a la red.

La necesidad de ancho de banda ha hecho nacer varias tecnologías de acceso de banda ancha: DSL (Línea de Abonado Digital) en todas sus formas simétricas y asimétricas, utiliza la infraestructura de cobre para dar servicios a velocidades de hasta algunos megabits por segundo; LMDS, los servicios locales de distribución multipunto ofrecen velocidades de banda ancha a usuarios residenciales y a profesionales independientes (SOHO) vía tecnología inalámbrica; CMTS (Sistema de terminación de módem por cable) emplea el cable coaxial para entregar servicios digitales a muchos usuarios; UMTS, fue concebido para servicios de voz y de datos de tercera generación.

Figura 1. Red de Acceso.

A pesar de las enormes diferencias entre estas tecnologías, todas ellas se caracterizan por el aumento de la velocidad de transferencia de datos al usuario final en un orden de magnitud muy superior en comparación con las soluciones de banda estrecha que les precedieron. En consecuencia, todas abren la puerta a un conjunto amplio de nuevos servicios. Otra similitud está en que todas pueden compartir el mismo protocolo subyacente: ATM. Como consecuencia, aunque el servicio final esté generalmente relacionado con las aplicaciones IP, el tráfico se monta en ATM antes de entregarlo a la red de transmisión.

Es en la parte de acceso de la red donde ATM realmente brilla debido a las técnicas de compresión habilitadas por los operadores, permitiendo recoger los beneficios y eficiencias en costo, de una plataforma multiservicio. En el núcleo de la red, la principal ventaja de ATM está en la escalabilidad y en la disponibilidad.

De forma general, en documentos especializados se acostumbra a clasificar las redes de acceso en cuatro grupos principales según el medio de soporte: par trenzado, fibra/coaxial, inalámbrico, y todo fibra. La Figura 2 muestra algunas de las tecnologías e implementaciones que caen en las categorías anteriores.

Figura 2. Alternativas de Acceso.

3. Las tecnologías xDSL en la red de acceso.

La tecnología xDSL, surge por la necesidad de aumentar la capacidad de transmisión del par de cobre. Hace referencia a toda la familia DSL las cuales utilizan técnicas de modulación modernas ayudadas por los avances en el procesamiento digital de señales para lograr transmitir a altas velocidades sobre el lazo de abonado local. En la Tabla 1 se muestra un resumen comparativo entre algunas de las tecnologías xDSL.

Tabla 1 Comparativa entre algunos tipos de xDSL.

La cantidad de abonados DSL ha venido aumentado a una gran velocidad, a finales del tercer cuatrimestre del pasado año ya había más de 30 millones de usuarios individuales y de negocios servidos por DSL, y se esperaba que el año concluyera con más de 36 millones si se mantenía la tasa de crecimiento mensual de 1.67 millones de accesos.

La técnica ADSL, por su carácter asimétrico, se adapta mejor al mercado residencial por lo que ha sido la más extendida a nivel mundial. Ésta va a ser objeto de análisis al igual que VDSL, que se puede emplear tanto en el sector residencial como en el corporativo.

4. ADSL.

El ADSL es una técnica para la transmisión de datos a gran velocidad sobre el par de cobre. Una diferencia entre el esquema de modulación empleado por ella y las usadas por los módems en banda vocal (V.32 a V.90), es que estos últimos sólo transmiten en la banda de frecuencias usada en telefonía (300 Hz a 3400 Hz), mientras que los módems ADSL operan en un margen de frecuencias mucho más amplio que va desde los 24 KHz hasta los 1104 KHz, aproximadamente. Esto hace que el ADSL pueda coexistir en un mismo lazo de abonado con el servicio telefónico, pues no se solapan sus intervalos de frecuencia, cosa que no es posible con un módem convencional pues opera en banda vocal, la misma que la telefonía, lo que constituye otra diferencia de gran importancia.

Funcionamiento y características de ADSL

Al tratarse de una modulación asimétrica, o sea, en la que se transmiten diferentes caudales en los sentidos Usuario-Red y Red-Usuario, el módem ADSL situado en el extremo del usuario es distinto del ubicado al otro lado del lazo, en la central local. En la Figura 3 se muestra un enlace ADSL entre un usuario y la central local de la que depende. En dicha figura se observa que además de los módems situados en el domicilio del usuario (ATU-R o ADSL Terminal Unit-Remote) y en la central (ATU-C o ADSL Terminal Unit-Central), delante de cada uno de ellos se ha de colocar un dispositivo denominado "splitter" (divisor). Este dispositivo no es más que un conjunto de dos filtros: uno paso alto y otro paso bajo. La finalidad de estos filtros es la de separar las señales transmitidas, o sea, las señales de baja frecuencia (telefonía) de las de alta frecuencia (ADSL).

Figura 3. Enlace ADSL.

En una primera etapa coexistieron dos técnicas de modulación para el ADSL: CAP (Carrierless Amplitude/Phase, Modulación de fase y amplitud con supresión de portadora) y DMT (Discrete MultiTone, Modulación multitono discreto). Finalmente los organismos de estandarización (ANSI, ETSI e ITU) optaron por la solución DMT. Básicamente consiste en el empleo de múltiples portadoras y no sólo una, que es lo que se hace en los módems de banda vocal. Cada una de estas portadoras (denominadas subportadoras) es modulada en cuadratura (modulación QAM) por una parte del flujo total de datos que se van a transmitir. Estas subportadoras están separadas entre sí 4,3125 KHz, y el ancho de banda que ocupa cada subportadora modulada es de 4 KHz. El reparto del flujo de datos entre subportadoras se hace en función de la estimación de la relación Señal/Ruido en la banda asignada a cada una de ellas. Cuanto mayor es esta relación, tanto mayor es el caudal que puede transmitir por una subportadora. Esta estimación de la relación Señal/Ruido se hace al comienzo, cuando se establece el enlace entre el ATU-R y el ATU-C, por medio de una secuencia de entrenamiento predefinida.

La técnica de modulación usada es la misma tanto en el ATU-R como en el ATU-C. La única diferencia consiste en que el ATU-C dispone de hasta 256 subportadoras, mientras que el ATU-R sólo puede disponer como máximo de 32. El algoritmo de modulación se traduce en una IFFT (Transformada Rápida de Fourier Inversa) en el modulador, y en una FFT (Transformada Rápida de Fourier) en el demodulador situado al otro lado del enlace. Estas operaciones se efectúan fácilmente por el núcleo del módem al desarrollarse sobre un DSP; las mismas se describen a continuación:

• El modulador del ATU-C, hace una IFFT de 512 muestras sobre el flujo de datos que se ha de enviar en sentido descendente.
• El modulador del ATU-R, hace una IFFT de 64 muestras sobre el flujo de datos que se ha de enviar en sentido ascendente.
• El demodulador del ATU-C, hace una FFT de 64 muestras tomadas de la señal ascendente que recibe.
• El demodulador del ATU-R, hace una FFT, sobre 512 muestras de la señal descendente recibida.

Las últimas modificaciones a los estándares sobre ADSL han llevado al desarrollo de una nueva generación de módems capaces de transmitir hasta 8,192 Mbps en sentido descendente y hasta 0,928 Mbps en sentido ascendente. La separación de los trayectos en ADSL se efectúa por Multiplexación por División en Frecuencias (FDM) o por Cancelación de Eco, siendo esta última la que se ha impuesto.

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Figura 4. Modulación ADSL DMT con FDM.

En las Figuras 4 y 5 se han presentado las dos modalidades dentro del ADSL con modulación DMT: FDM y cancelación de ecos. En la primera, los espectros de las señales ascendente y descendente no se solapan, lo que simplifica el diseño de los módems, aunque reduce la capacidad de transmisión en sentido descendente, no tanto por el menor número de subportadoras disponibles como por el hecho de que las de menor frecuencia, aquellas para las que la atenuación del par de cobre es menor, no están disponibles. La segunda modalidad, basada en un cancelador de eco para la separación de las señales correspondientes a los dos sentidos de transmisión, permite mayores caudales a costa de una mayor complejidad en el diseño.

Como se puede ver, los espectros nunca se solapan con la banda reservada para el servicio telefónico básico (POTS, Plain Old Telephone Service), y en cambio sí se solapan con los correspondientes al acceso básico RDSI. Por ello el ADSL y el acceso básico RDSI son incompatibles, aunque existen implementaciones que logran la compatibilidad.

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Figura 5. Modulación ADSL DMT con Cancelación de Eco.

En un par de cobre la atenuación por unidad de longitud aumenta a medida que se incrementa la frecuencia de las señales transmitidas, y cuanto mayor es la longitud de la línea, tanto mayor es la atenuación total que sufren las señales transmitidas.

Ambas cosas explican que el caudal máximo que se puede conseguir mediante los módems ADSL varíe en función de la longitud de la línea de abonado. La presencia de ruido externo provoca la reducción de la relación Señal/Ruido con la que trabaja cada una de las subportadoras, y esa disminución se traduce en una reducción del caudal de datos que modula a cada subportadora, lo que a su vez implica una reducción del caudal total que se puede transmitir a través del enlace entre el ATU-R y el ATU-C.

Hasta una distancia de 2.6 Km de la central, en presencia de muy altos niveles de ruido (peor caso), se obtiene un caudal de 2 Mbps en sentido descendente y 0,9 Mbps en sentido ascendente. Esto supone que en la práctica, teniendo en cuenta la longitud media de la línea de abonado en las zonas urbanas, la mayor parte de los usuarios están en condiciones de recibir por medio del ADSL un caudal superior a los 2 Mbps. Este caudal es suficiente para muchos servicios de banda ancha, y desde luego puede satisfacer las necesidades de cualquier internauta, teletrabajador así como de muchas empresas pequeñas y medianas.

Analizado el funcionamiento del ADSL, podemos destacar las principales ventajas del acceso a través de esta tecnología:

1. Gran ancho de banda en el acceso: permite el intercambio de información en formato digital a gran velocidad entre un usuario y la central local a la que se conecta mediante un par de cobre.
2. Este ancho de banda está disponible de forma permanente.
3. Se aprovecha una infraestructura ya desplegada, por lo que los tiempos de implantación de los servicios sobre la nueva modalidad de acceso se acortan.
4. El acceso es sobre un medio no compartido, y por tanto, intrínsecamente seguro.

El estándar G.992.2 de la UIT, más conocido con el nombre G.Lite y que es un tipo de ADSL se diferencia de éste en que se sustituyen los splitters del lado del cliente por microfiltros conectados en serie con el teléfono, que actúan como filtros pasobajo por lo que su implementación se ve favorecida. Esto hace que el ancho de banda se vea limitado, soportando velocidades menores que ADSL, 1.536 Mbps y 512 Kbps en sentido descendente y ascendente respectivamente pero no requiere intervención en el lado del cliente del operador de telecomunicaciones. G.Lite soporta solo transporte ATM a diferencia del anterior que soporta tanto ATM como STM. En la actualidad, muchas de las computadoras presentes en el mercado integran módems G.Lite por lo que se ha extendido en gran medida su uso.

Multiplexor de acceso DSL

El DSLAM (Multiplexor de Acceso DSL) es un equipo ubicado en la central que agrupa gran número de tarjetas, cada una de las cuales consta de varios módems ATU-C, y que además concentra el tráfico de todos los enlaces ADSL hacia la red WAN (Figura 6). Su utilización favoreció el despliegue de ADSL, al requerir menos espacio en las centrales.

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Figura 6. Multiplexor de Acceso DSL (DSLAM).

La integración de varios ATU-Cs en el DSLAM es un factor fundamental que ha hecho posible el despliegue masivo del ADSL ya que facilita la instalación de todo el sistema.

Integración de ATM y ADSL

Las redes de comunicaciones de banda ancha en su mayoría emplean el ATM para la conmutación en banda ancha. Desde un primer momento, dado que el ADSL se concibió como una solución de acceso de banda ancha, se pensó en el envío de la información en forma de celdas ATM sobre los enlaces ADSL y de esta forma se sacaría provecho a la gran velocidad de acceso del ADSL.

A nivel de enlace, algunos suministradores de equipos de central para ADSL plantearon otras alternativas al ATM, como PPP sobre ADSL y Frame-Relay sobre ADSL, pero finalmente se ha impuesto el primero. Otra alternativa que está siendo desplegada actualmente es el Ethernet sobre ADSL.

La Figura 7 muestra el modelo de referencia específico de ADSL para el modo ATM, el cual se asemeja del establecido para la RDSI pero con algunas diferencias.

TC-F: Convergencia de la Transmisión de la trayectoria Rápida.

TC-I: Convergencia de la Transmisión de la trayectoria de Entrelazado.

Figura 7. Modelo de referencia específico ADSL para el modo ATM.

La interfaz V conecta la red de núcleo y el nodo de acceso (AN). Dentro del AN, una interfaz lógica llamada V-C, como se define en T1.413, conecta las funciones individuales del ATU-C a las funciones correspondientes de capa ATM.

La interfaz U conecta los ATU-R individuales en la B-NT remota a los correspondientes ATU-Cs en el nodo de acceso.

La interfaz S y T, conecta el bloque Terminación de Red (NT) al equipamiento de distribución de red (PDN) o al Equipo Terminal (TE). Dentro de la NT, una interfaz lógica llamada T-R, como se define en las recomendaciones ADSL PHY, conecta la función del ATU-R a la función de capa ATM.

La interfaz R, conecta el bloque Adaptador Terminal (TA) al PDN o TE no basado en ATM.

La información, ya sean tramas de vídeo MPEG2 o paquetes IP, se distribuye en celdas ATM, y el conjunto de celdas ATM así obtenido constituye el flujo de datos que modulan las subportadoras del ADSL DMT.

El ATM al permitir asignar el ancho de banda dinámicamente entre una serie de servicios y al ofrecer a los portadores las herramientas de gestión que le dan conocimiento de los niveles de rendimiento especificados de acuerdo al SLA, constituye la mejor variante para integrarse con ADSL.

La amplia adopción de ATM por la gran mayoría de proveedores DSL extiende los beneficios de ATM desde la última milla hasta el núcleo de la red. A su vez, la gran flexibilidad y adaptabilidad que presenta ATM para interoperar con otras tecnologías (TDM, GigE, POS/IP, Frame-Relay etc.), dan al operador la protección de su inversión reduciendo significativamente el costo y permitiendo así, introducirse en los segmentos competitivos del mercado.

En la actualidad, la evolución a la integración de Voz sobre DSL (VoDSL) en el lazo local, ha estimulado las inversiones de ATM en el área de acceso y núcleo de la red. Además, la evolución de los conmutadores ATM a soportar funcionalidades MPLS, visto en los conmutadores MPLS ATM LSR extienden la disponibilidad a MPLS, para el transporte de IP en el núcleo de la red.

Si en un enlace ADSL se usa ATM como protocolo de enlace, se pueden definir varios circuitos virtuales permanentes (CVPs) ATM sobre el enlace ADSL entre el ATU-R y el ATU-C. De este modo, sobre un enlace físico se pueden definir múltiples conexiones lógicas cada una de ellas dedicadas a un servicio diferente. Por ello, ATM sobre un enlace ADSL aumenta la potencialidad de este tipo de acceso al añadir flexibilidad para múltiples servicios a un gran ancho de banda.

Otra ventaja añadida al uso de ATM sobre ADSL es el hecho de que en el ATM se contemplan diferentes categorías de servicio como CBR, VBR-rt, VBR-nrt, UBR, ABR, GFR, y UBR+ (UBR con MDCR), con distintos parámetros de tráfico y de calidad de servicio para cada VCC, vistos en el Capítulo 1. De este modo, además de definir múltiples circuitos sobre un enlace ADSL, se puede dar un tratamiento diferenciado a cada una de estas conexiones, lo que a su vez permite dedicar el circuito con los parámetros de calidad más adecuados a un determinado servicio (voz, vídeo o datos).

La categoría de servicio más difundida para los servicios de datos es UBR, la cual no especifica parámetros de QoS o de tráfico. Las aplicaciones que no son de tiempo real no tienen gran necesidad de estos parámetros. Sin embargo, debido al impacto potencial de la congestión, muchos prefieren tener un mínimo de ancho de banda garantizado disponible para su uso. Esto se logra con las categorías GFR o UBR+. La especificación UBR original no incorpora mecanismos para tratar la congestión tal como PPD/EPD, que ha sido incorporado en muchos productos y en el estándar UBR+.

Como IP está presente antes de la capa ATM, se han definido mecanismos QoS/CoS (Calidad de Servicio/Clases de Servicio) IP en dos formas:

• Mediante la arquitectura INTSERV, la cual realiza un mapeo entre los mecanismos QoS INTSERV (mejor esfuerzo, servicio garantizado y carga controlada) y ATM, como se define en las RFCs 2380 a la 2382:
• 2380: Requerimientos para la implementación de RSVP sobre ATM.
• 2381: Interoperación del Servicio de Carga Controlada y Servicios Garantizados con ATM.
• 2382: Estructura para Servicios Integrados y RSVP sobre ATM.
• Mediante la arquitectura DIFFSERV, que presenta distintos tipos de servicios como el Premium Services, con el mecanismo EF (Expedited Forwarding, reenvío apresurado) y el Servicio Asegurado, con el mecanismo AF (Assured Forwarding, reenvío asegurado), pero que no tiene definido un mapeo ATM específico, pero se han venido realizando importantes trabajos para lograrlo en el grupo de trabajo TM del ATM Forum y por otros investigadores.

En los módems ADSL se definen dos canales, el canal rápido y el canal de entrelazado. El primero agrupa los CVPs ATM dedicados a aplicaciones que pueden ser sensibles al retardo, como puede ser la transmisión de voz. El canal de entrelazado, llamado así porque en él se aplican técnicas de entrelazado para evitar pérdidas de información por interferencias, agrupa los CVPs ATM asignados a aplicaciones que no son sensibles a retardos, como puede ser la transmisión de datos.

Los estándares y la industria han impuesto mayormente el modelo de ATM sobre ADSL. En ese contexto, el DSLAM pasa a ser un conmutador ATM con múltiples interfaces (Figura 8), las interfaces WAN pueden pudieran ser STM-1, STM-4, E3 u otras estandarizadas, y el resto ADSL-DMT. El núcleo del DSLAM es una matriz de conmutación ATM. De este modo, el DSLAM puede ejercer funciones de control de parámetros y conformado sobre el tráfico de los usuarios con acceso ADSL.

Figura 8.

DSLAM ATM.

En la Figura 9 se muestra una aproximación de la torre de protocolos del ATM sobre ADSL.

Figura 9 Torre de protocolos de ATM sobre ADSL.

Modelo para ofrecer servicios

El ADSL Forum ha propuesto distintos modelos para ofrecer servicios, teniendo en cuenta las distintas alternativas de transporte en cada enlace de la conexión, los que se muestran en la siguiente figura.

Figura 10. Modelos para la prestación de servicios con acceso ADSL.

De acuerdo con lo explicado anteriormente, la solución que se ha impuesto ha sido el envío de celdas ATM sobre el enlace ADSL (entre el ATU-R y el ATU-C situado en el DSLAM). Por lo tanto, de los seis modelos que propone el ADSL Forum, mostrados en la Figura 10, los más comunes son los dos últimos.

No obstante al amplio uso de ATM sobre DSL, algunas empresas como Net to Net Technologies, han empezado a fabricar equipamiento basado en el estándar Ethernet, que son relativamente más baratos en costo y encapsulan a IP directamente sobre Ethernet. Mayormente, los usuarios que requieren muy altas garantías de seguridad y acuerdos de nivel de servicio (SLAs) estrictos, optan por la QoS de ATM y no por la CoS (Clases de Servicio) de IP.

Encapsulado de datos

Teniendo en cuenta que la mayoría de las aplicaciones ejecutadas por el usuario, están basadas en TCP/IP, para el acceso a Internet, se hace necesario establecer un mecanismo de encapsulado del protocolo IP sobre ATM. Existen varias opciones para lograr tal propósito. Una opción aceptable es el encapsulado de IP sobre ATM según la RFC 1483 del IETF, con la modalidad de "routing", como se puede apreciar en la Figura 11. La información útil para el usuario ("payload" o carga útil) contenida en el paquete IP, lleva varias cabeceras. Estas cabeceras, que son necesarias para que la información llegue a su destino, pero que no proporcionan información al usuario, son las que explican que el caudal percibido por el usuario sea inferior a la velocidad a la que la información se transmite realmente.

Figura 11 Encapsulado de IP sobre ATM según la RFC 1483 (modalidad "routing").

La RFC 1483 describe dos métodos para el transporte de tráfico sin conexión sobre ATM AAL5. PDUs enrutadas, y PDUs puenteadas.

1. Modalidad Routing: Permite multiplexación de múltiples protocolos sobre un único VC ATM. El protocolo encapsulado se identifica precediendo a la PDU de un encabezado IEEE 802.2 LLC. Se conoce como Encapsulado LLC.
2. Modalidad Bridging: Cada protocolo es transportado sobre un VC separado, y ejecuta multiplexación basada en los VC. Se conoce como Multiplexación de VCs. En ella los puntos finales de la conexión AAL son entidades de protocolo de capa 3, por lo que un VC llevará solamente un protocolo.

Ambas PDUs son transportadas en el campo de carga útil de la Subcapa de Convergencia de Partes Comunes (CPCS) de la AAL5.

En el Encapsulado LLC el protocolo de la PDU enrutada se identifica por el encabezado IEEE 802.2 LLC, el cual puede ir seguido de un encabezado IEEE 802.1a SNAP (SubNetwork Attachment Point) como cuando se encapsula IP. El header LLC está constituido de tres campos de un octeto cada uno:

En el encapsulado de PDU enrutada el campo CTRL toma siempre el valor 0x03 especificando una PDU de información.

DSAP: Destination Service Access Point

SSAP: Source Service Access Point

Cuando se está encapsulando IP, la identificación de éste está en el header SNAP que sigue al LLC. Para ello el LLC toma un valor específico que indica la presencia del SNAP, el valor 0xAA-AA-03. El header SNAP tiene la forma siguiente:

OUI (Organizationally Unique Identifier): Identifica una organización la cual administra el significado de los siguientes dos octetos.

PID (Protocol Identifier): Identifica el tipo de protocolo en cuestión que será encapsulado.

Unidos ellos identifican distintos protocolos de enrutamiento o puente. El valor OUI de 0x00-00-00 especifica que el PID corresponde a un EtherType. Un valor PID de 0x0800 especifica IP, 0x0806 ARP, 0x8137 IPX, entre otros.

Servicios de vídeo sobre ADSL

La arquitectura de servicios de video punto a punto ofrece la provisión de nuevas aplicaciones de servicios de video entre las que se incluyen televisión de difusión, VoD, servicio de video personalizado estilo VCR (Video Cassette Recorder), difusión interactiva y comercio por TV (T-Commerce).

El suministro de servicios de video que usan tecnología ADSL es una alternativa competitiva para la próxima generación de TV interactiva por infraestructuras de cable y de satélites. La red ADSL es punto a punto desde el DSLAM al abonado, suministrando un enlace dedicado en los dos sentidos al abonado.

En la dirección descendente, sólo se entrega al abonado el contenido de video seleccionado, tanto como canal de TV de difusión, como programa VoD. El ADSL da más escalabilidad que los servicios ofrecidos por cable y satélite, los cuales llegan hasta aproximadamente 500 canales de emisión. Una red ADSL puede ofrecer alrededor de mil canales. (Teóricamente no hay límite, ya que la última milla es un enlace dedicado).

Con el desarrollo de la tecnología ADSL y de algoritmos mejorados de compresión de video, los suministradores de servicios de telecomunicaciones pueden ofrecer canales de video de alta calidad, como una calidad DVD codificada a una velocidad de 3.5 Mbps MPEG-2. Algunos vendedores de código suministran velocidades binarias MPEG-2 menores de 3 Mbps, mientras que MPEG-4 mantiene la promesa de video con calidad de emisión a velocidades menores de 1.5 Mbps, y una calidad de TV analógica a una tasa de bits de 500 a 700 Kbps. Esto hace que el despliegue comercial de este servicio ya pueda comenzar.

El ADSL puede entregar un flujo de bits de hasta 8 Mbps en líneas de alta calidad y en distancias relativamente cortas. Mientras que muchas líneas no soportarán esta velocidad binaria, las tecnologías que ofrecen ancho de banda incrementado, tales como VDSL, algoritmos más potentes de compresión, procesadores de vídeo de alto rendimiento y un mayor crecimiento de la red, prometen que el alcance de video con DSL llegue a la mayoría de los hogares en los próximos años.

Arquitectura de una red de distribución de video

La arquitectura utilizada por un suministrador de servicios de telecomunicaciones para producir servicios de video puede variar. Un ejemplo típico se muestra en la Figura 12.

En la red de acceso, el ATM suministra conectividad de capa 2 sobre ADSL. De esta forma, cada DSLAM podría ser un multiplexor ATM. Como resultado, los programas de video deben ser producidos tanto en formato MPEG sobre ATM, como en formato MPEG sobre IP sobre ATM. Ambas tecnologías están actualmente disponibles, pero el mercado tiende a elegir el IP como el vehículo de entrega a la capa de red. Aunque el IP añade alguna tara al flujo de vídeo, simplifica la distribución en el hogar sobre medios compatibles con Ethernet. Además, hay más aplicaciones disponibles para IP, lo que aumenta su audiencia. En ambos casos, las redes de cabecera y de transporte son similares.

Figura 12. Arquitectura típica para producir servicios de video.

Cabecera

El término cabecera indica una posición en la que el contenido se añade a los canales de TV, al VoD, a los portales de T-Commerce, al acceso Internet, etc. Ya que el contenido de video se entrega al usuario sobre la red de acceso ATM, se puede incluir en la red en casi cualquier posición.

En el caso de un servicio de TV de difusión, el video llega de varias fuentes sobre diferentes medios, tal como DBS (Digital Broadcast Satellite), difusión local y estudios de TV. El contenido de todas estas fuentes tiene que ser enviado a una plataforma de codificación y convertido a formato MPEG, si aún no está en este formato. Cada canal de emisión normalmente se codifica como un único flujo de transporte de programa, y se asocia con una ID específica del canal, ensamblándose en un flujo de datos de difusión selectiva IP (cada canal está asociado a una única dirección IP de multidifusión).

En el caso de VoD, el contenido es almacenado en los servidores que pueden atender decenas, centenas e incluso millares de flujos simultáneos. El dimensionamiento de los servidores está basado tanto para la cantidad de contenido que debe almacenar, como para la cantidad de abonados activos que piden datos. Estos servidores pueden desplegarse por diferentes puntos en la red. Situarlos en la cabecera de red minimiza su número y simplifica la gestión del contenido, mientras que situarlos cerca de la periferia de red, reduce la necesidad del ancho de banda al cual debe hacer frente la red de transporte.

Normalmente los canales salientes se entregan a una red ATM con encapsulado tanto MPEG sobre IP sobre ATM, como MPEG sobre ATM. En el escenario IP, la multidifusión es una aplicación perfecta.

La cabecera en una arquitectura de video sobre DSL se puede centralizar o distribuir. Ya que el contenido se distribuye usando IP y/o ATM, la conectividad es muy flexible.

Red de transporte

El papel de la red de transporte es entregar el contenido desde las posiciones de la cabecera a los DSLAMs adecuados, o a sus centrales y/o routers asociados, en la red de acceso. La red de transporte debe transportar dos tipos especiales de tráfico: multidifusión y unidifusión, correspondientes a los servicios de difusión e interactivos.

El tráfico de difusión se transporta como multidifusión IP, como ATM punto a multipunto o como una combinación de ambos (Figura 13 14).

Una buena solución para una red de multidifusión es utilizar conexiones ATM punto a multipunto en un entorno de conmutación ATM. El ATM es una tecnología estable con capacidad probada para replicar datos de gran ancho de banda.

Los servicios interactivos, que generan tráfico de unidifusión, requieren una red bidireccional. Dadas las limitaciones de la red de acceso, estos se suministran mejor mediante circuitos virtuales ATM, soportando tanto un encapsulado nativo ATM como IP sobre ATM. Dada la abundancia de aplicaciones que se soportan fácilmente con el IP, lo más probable es que el IP sobre ATM domine el mercado.

Figura 13. Multidifusión IP usando ATM.

Figura 14. Multidifusión IP usando routers.

Red de Acceso

En la red de acceso se encuentra el DSLAM, éste es el último elemento en la red de acceso antes del domicilio del abonado y, por tanto, el vehículo para entregar los servicios de video. Es responsable de la conmutación de los canales de video entregados al abonado y va a ser el dispositivo de multidifusión más cercano al abonado y el de mejor servicio ofrecido en aras de dar respuesta rápida al servicio ofrecido (ej. cambio rápido de canal).

La función de conmutación de multidifusión integrada dentro del DSLAM ofrece la mejor mezcla de rendimiento y precio en la entrega de servicios de difusión, ahorrando en equipamiento externo. El DSLAM debe soportar entonces, la multidifusión en el hardware (Figura 15).

Figura 15. Replicación de multidifusión del DSLAM.

El enfoque anterior no es ideal en los casos que el suministrador de servicio tenga una base instalada de DSLAM que no soporta facilidades de multidifusión requiriendo un dispositivo externo que realice esta función, el cual pudiera ser, un router IP, un conmutador ATM, o una combinación de ambos.

El hecho de usar ATM en la red de acceso, favorece las necesidades del usuario en cuanto a calidad de servicio. La fuerza de la red de acceso ATM reside en el uso de circuitos virtuales, pues cada servicio, tiene un VC determinado, pudiendo tratarse las celdas de distintos circuitos de manera distinta.

Red doméstica

Una vez llega e canal de video sobre DSL a la instalación del abonado a través de un módem DSL, es necesario distribuir el contenido al STB (Set top Box, Unidad de Adaptación), de forma que se pueda ver en la TV. Esto normalmente se hace vía Ethernet, y también se puede conectar al PC. Cuando el video va encapsulado como MPEG sobre IP sobre ATM, hay más opciones de medios compatibles con Ethernet para la distribución en el hogar como el Ethernet inalámbrico (802.11b), HPNA (Home Phoneline Network Access) y Ethernet alambrado.

La HPNA es la tecnología más eficaz en el caso de que dos STBs sirvan a dos televisores sintonizados a dos programas diferentes. Esta tecnología LAN ofrece hasta 20 Mbps con y mecanismos de QoS, haciendo uso del cableado telefónico de la casa. La HPNA funciona en un espectro de frecuencia propio por encima de los 2 MHz lo que lo hace espectralmente compatible con telefonía POTS y ADSL.

El estado actual de los servicios de video sobre DSL a nivel mundial no se ha visto muy desarrollado por parte de los operadores a pesar de que el equipamiento lo permite, pues no han llegado a captar el potencial total del ADSL. El factor fundamental que ha influido sobre ello ha sido la longitud de la línea, que mayormente es demasiado grande para soportar altas velocidades por encima de 2 Mbps. No obstante, muchos operadores se encuentran en estado de prueba de multiservicios de banda ancha. Para poner un ejemplo, se presenta el servicio que ofrece, en pruebas, la operadora Telecom Italia con equipamiento Alcatel a 21 usuarios repartidos entre Roma y Milán.

Servicio ofrecido en pruebas por Telecom Italia

Cada usuario recibe acceso rápido a Internet (256 Kbps) por televisión y PC, y 23 canales de TV. En la cabecera se recibe el contenido vía satélite, la señal analógica resultante es codificada en formato MPEG-2 en tiempo real, ocupando un ancho de banda del orden de 4 Mbps. Una vez codificados, los canales se transportan vía una red Ethernet a un BRAS Alcatel 7411 que encapsula los paquetes IP en las celdas ATM utilizando AAL2, después lleva a cabo la multidifusión si es necesario. Los flujos de video se combinan con los requeridos para el acceso a Internet en el conmutador ATM, en este caso, un Alcatel Omniswitch. El flujo de video es transportado sobre un PVC, mientras que el tráfico Internet del mismo usuario se transporta sobre un PVC separado. El contenido hacia la red de acceso se suministra a través de un enlace de 155 Mbps STM-1.

La red de acceso utilizada para la experimentación está basada en el Alcatel 7300 ASAM, que se encarga de entregar el servicio, transportándolo sobre ADSL hasta la instalación del usuario, terminando en un módem ADSL que distribuye la señal de video a una unidad de adaptación multimedia (STB) y el tráfico Internet hacia la PC, todo sobre un enlace Ethernet.