La red híbrida de fibra óptica y cable coaxial ( HFC ) es una red de telecomunicaciones de banda ancha que combina fibra óptica y cable coaxial . Los operadores de televisión por cable la emplean desde principios de los años 1990 en todo el mundo. [1]
En un sistema de cable híbrido de fibra óptica y coaxial, los canales de televisión se envían desde la instalación de distribución del sistema de cable, la cabecera , a las comunidades locales a través de líneas de abonado de fibra óptica . En la comunidad local, un nodo óptico traduce la señal de un haz de luz a radiofrecuencia (RF) y la envía a través de líneas de cable coaxial para su distribución a las residencias de los abonados. [2] Las líneas troncales de fibra óptica proporcionan suficiente ancho de banda para permitir servicios adicionales que requieren un uso intensivo del ancho de banda, como el acceso a Internet por cable a través de DOCSIS . Por lo tanto, algunos o la mayoría, si no todos, los canales de televisión pueden usarse en su lugar para transmitir Internet a los clientes. [3] El ancho de banda se comparte entre los usuarios de un HFC. [4] Se utiliza cifrado para evitar escuchas clandestinas. [5] Los clientes se agrupan en grupos de servicio, que son grupos de clientes que comparten el ancho de banda entre sí, ya que utilizan los mismos canales de RF para comunicarse con la empresa.
La red de fibra óptica se extiende desde la cabecera principal de los operadores de cable , a veces a las cabeceras regionales, y luego al centro de operaciones de un vecindario, y finalmente a un nodo de cable óptico a coaxial que generalmente sirve de 25 a 2000 hogares. Una cabecera principal generalmente tendrá antenas parabólicas para la recepción de señales de video distantes, así como enrutadores de agregación IP . Algunas cabeceras principales también albergan equipos de telefonía (como centrales telefónicas automáticas ) para brindar servicios de telecomunicaciones a la comunidad. En una red HFC, la telefonía se proporciona mediante PacketCable .
Una cabecera/centro regional o de área recibirá la señal de video de la cabecera maestra [6] y le agregará los canales de televisión por cable de acceso público, educativo y gubernamental (PEG) según lo requieran las autoridades de franquicia locales o insertará publicidad dirigida que sea atractiva para un área local, junto con Internet desde un CMTS (un CMTS integrado, que incluye todas las partes requeridas para la operación) o un CCAP que proporciona Internet y video.
Los QAM de borde separados se pueden utilizar para proporcionar video modulado QAM adecuado para transmisión en una red de cable coaxial, desde fuentes de video digital. [7] [8] Los QAM de borde también se pueden conectar a un CMTS para proporcionar datos de Internet en lugar de video, en una arquitectura CMTS modular. [9] [10] Los CCAP tienen como objetivo reemplazar el CMTS integrado convencional que solo proporciona datos y los QAM de borde utilizados para video que son piezas separadas de equipo. [11]
El vídeo se puede codificar según estándares como NTSC, MPEG-2, DVB-C o el estándar QAM y los datos según DOCSIS, el vídeo analógico se puede codificar, [12] las señales se pueden modular mediante moduladores de vídeo analógicos o digitales, incluidos moduladores QAM [13] o QAM de borde para vídeo y/o datos, dependiendo de si se utiliza un CMTS modular, en el CMTS solo para datos, [14] [15] [16] o en el CCAP para vídeo y datos, y se pueden convertir a portadoras de RF en este equipo.
Los diversos servicios de los CMTS, CCAP, Edge QAM y moduladores QAM se combinan en una única señal eléctrica de RF mediante módulos de gestión de RF de cabecera, como divisores y combinadores [17] [18] [19] y las señales resultantes se insertan en un transmisor óptico de banda ancha que, en la práctica, es un módulo transmisor en una "plataforma óptica" o plataforma de cabecera, como un Arris CH3000, Scientific Atlanta Prisma o un Cisco Prisma II. [20] [21] Estas plataformas albergan varios transmisores y receptores, los últimos de los cuales se pueden utilizar para Internet por cable y también pueden albergar amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) para ampliar el alcance de las señales ópticas en fibra óptica. [22] [23] Cada transmisor y receptor da servicio a un nodo óptico. [24]
Este transmisor óptico convierte la señal eléctrica de RF en una señal modulada ópticamente que se envía a los nodos. Los cables de fibra óptica conectan la cabecera o el concentrador a los nodos ópticos en una topología punto a punto o en estrella [25] o , en algunos casos, en una topología de anillo protegido . Cada nodo se puede conectar a través de su propia fibra dedicada [26] , por lo que los cables de fibra óptica tendidos al aire libre en la planta exterior pueden tener desde varias [27] docenas hasta varios cientos o incluso miles de fibras, siendo un ejemplo extremo las fibras 6912 [28] .
Un nodo de fibra óptica tiene un receptor óptico de banda ancha, que convierte la señal modulada ópticamente de bajada que proviene de la cabecera o concentrador en una señal eléctrica que va a los clientes. A partir de 2015, [update]la señal de bajada es una señal modulada de RF que normalmente comienza en 50 MHz y varía de 550 a 1000 MHz en el extremo superior. El nodo de fibra óptica también contiene un transmisor de ruta inversa o de retorno que envía la comunicación desde los clientes de vuelta a la cabecera. En América del Norte, esta señal inversa es una RF modulada que va de 5 a 42 MHz, mientras que en otras partes del mundo, el rango es de 5 a 65 MHz. Esta señal eléctrica luego se emite a través de un cable coaxial para formar un enlace troncal coaxial.
La parte óptica de la red proporciona una gran flexibilidad. Si no hay muchos cables de fibra óptica que lleguen al nodo, se puede utilizar la multiplexación por división de longitud de onda para combinar varias señales ópticas en la misma fibra. Se utilizan filtros ópticos para combinar y dividir longitudes de onda ópticas en una sola fibra. Por ejemplo, la señal descendente podría tener una longitud de onda de 1550 nm y la señal de retorno podría tener una longitud de onda de 1310 nm. [29] [30]
La parte troncal coaxial de la red conecta entre 25 y 2000 hogares (500 es lo típico) [31] en una configuración de árbol y rama fuera del nodo. [32] [33]
Los cables coaxiales troncales se conectan al nodo óptico [34] [35] y forman una red troncal coaxial a la que se conectan cables de distribución más pequeños. Los amplificadores de RF llamados amplificadores troncales se utilizan a intervalos en el troncal para superar la atenuación del cable y las pérdidas pasivas de las señales eléctricas causadas por la división o "derivación" del cable coaxial. Los cables troncales también transportan energía de CA que se agrega a la línea de cable generalmente a 60 o 90 V mediante una fuente de alimentación (con una batería de respaldo de plomo-ácido en el interior) y un insertador de energía. La energía se agrega a la línea de cable de modo que los nodos ópticos, los amplificadores troncales y de distribución no necesiten una fuente de alimentación externa individual. [36] La fuente de alimentación puede tener un medidor de energía al lado según las regulaciones de la compañía eléctrica local.
Desde los cables troncales, se conectan cables de distribución más pequeños a un puerto de uno de los amplificadores troncales llamado puenteador para llevar la señal de RF y la energía de CA por calles individuales. Por lo general, los amplificadores troncales tienen dos puertos de salida: uno para el troncal y otro como puenteador. Los amplificadores de distribución (también llamados amplificadores de sistema) se pueden conectar desde un puerto puenteador para conectar varios cables de distribución al troncal si se necesita más capacidad, ya que tienen múltiples puertos de salida. Alternativamente, los extensores de línea, que son amplificadores de distribución más pequeños con un solo puerto de salida, se pueden conectar al cable de distribución que sale del puerto puenteador en el troncal y se pueden usar para aumentar las señales en los cables de distribución [37] para mantener la potencia de la señal de televisión a un nivel que el televisor pueda aceptar. Luego, la línea de distribución se "toma" y se usa para conectar las bajadas individuales a los hogares de los clientes. [38]
Estas tomas de RF pasan la señal de RF y bloquean la alimentación de CA a menos que haya dispositivos de telefonía que necesiten la confiabilidad de la energía de respaldo proporcionada por el sistema de energía coaxial. [39] La toma termina en una pequeña caída coaxial que utiliza un conector tipo tornillo estándar conocido como conector F.
La derivación se conecta entonces a la casa, donde un bloque de conexión a tierra protege el sistema de voltajes dispersos. Según el diseño de la red, la señal puede pasar a través de un divisor a varios televisores o a varios decodificadores (decodificadores de cable) que luego pueden conectarse a un televisor. Si se utilizan demasiados divisores para conectar varios televisores, los niveles de señal disminuirán y la calidad de la imagen en los canales analógicos disminuirá. La señal en los televisores que estén más allá de esos divisores perderá calidad y requerirá el uso de un amplificador de "derivación" o "casa" para restaurar la señal. [40]
Históricamente, la tendencia entre los operadores de cable ha sido reducir la cantidad de cable coaxial utilizado en sus redes para mejorar la calidad de la señal, lo que inicialmente llevó a la adopción de HFC. [41] HFC reemplazó las redes de cable coaxial que tenían cables troncales coaxiales que se originaban en la cabecera de la red, y HFC reemplazó parte de estos cables troncales con cables de fibra óptica y nodos ópticos. En estas redes coaxiales, los amplificadores troncales se colocaron a lo largo de los cables troncales para mantener niveles de señal adecuados en los troncales, [42] [43] se podían usar cables de alimentación de distribución para distribuir señales desde los troncales a calles individuales, [44] [45] [46] se usaban acopladores direccionales para mejorar la calidad de la señal, [47] los amplificadores troncales podían estar equipados con control automático de nivel o control automático de ganancia, [48] también se podían usar amplificadores híbridos, que tienen un circuito integrado híbrido [49] [50] , [51] y se usaban puenteadores separados para conectar el troncal a los alimentadores de distribución. [52] [53] [54]
En 1953, C-COR fue el primero en introducir la alimentación por cable que transmite energía a través de cables coaxiales para alimentar amplificadores de cable. En 1965, introdujo el uso de circuitos integrados en amplificadores utilizados en postes de servicios públicos y en 1969 fue el primero en utilizar aletas térmicas en amplificadores. [55] [56] Los primeros amplificadores en carcasas exteriores con bisagras y sellos, para instalación entre postes de servicios públicos colgados de cables mensajeros, se ofrecieron en 1965. [57] Alrededor de 1973, los concentradores comenzaron a usarse en redes de cable para aumentar la calidad de la señal como resultado de la expansión de la red, y los operadores de cable hicieron esfuerzos para reducir el número de amplificadores en cascada en partes coaxiales de la red de alrededor de 20 a 5. [58] [59] Se utilizaron supertroncos hechos de cable coaxial con señales de video moduladas en FM, [60] [56] fibra óptica o enlaces de microondas para conectar cabeceras a concentradores. [61] [62] [63] [58] La fibra óptica se utilizó por primera vez como supertroncal en 1976. [64] El vídeo FM también podía transportarse por fibra óptica, [65] y la fibra óptica acabó sustituyendo a los cables coaxiales en los supertroncales. [56] El ancho de banda de las redes de cable aumentó de 216 MHz a 300 MHz en los años 1970, [49] a 400 MHz en los años 1980, [56] [66] [67] a 550 MHz, 600 MHz y 750 MHz en los años 1990, [66] [68] [69] y a 870 MHz en el año 2000. [70]
Para hacer frente a las necesidades de mayor ancho de banda digital, como por ejemplo para Internet DOCSIS, los operadores de cable han implementado expansiones en el espectro de RF en redes HFC más allá de 1 GHz a 1,2 GHz, [71] [72] han hecho la transición a manejar únicamente tráfico IP en la red, eliminando así canales de RF de video dedicados, han usado adaptadores de transporte digital (DTAs) para transmitir señales normalmente analógicas, o han usado Video Digital Conmutado (SDV) [73] [74] que permite reducir la cantidad de canales de televisión en cables coaxiales sin reducir la cantidad de canales que se ofrecen. [75] [76]
Hacia fines de la década de 1990, se introdujeron los transistores de GaAs (arseniuro de galio) en los nodos y amplificadores HFC, reemplazando a los transistores de silicio, lo que permitió una expansión del espectro utilizado en HFC de 870 MHz a 1 GHz en 2006. [70] Los transistores de GaN, introducidos en 2008 [49] y adoptados en la década de 2010, permitieron otra expansión a 1,2 GHz, o una expansión de 550 MHz a 750 MHz en redes más antiguas a 1 GHz sin cambiar el espaciado entre amplificadores. [77] [78] [79]
Remote PHY es una evolución de la red HFC que tiene como objetivo reducir el uso de cable coaxial en la red y mejorar la calidad de la señal. En una red HFC convencional, los equipos de cabecera como los CMTS y los CCAP se conectan a la red HFC mediante interfaces de RF que físicamente son conexiones de cable coaxial [80] [81] [82] y las señales ópticas en los cables de fibra óptica en la red son analógicas. En Remote PHY, los equipos como CMTS o CCAP se conectan directamente a la red HFC mediante fibra óptica que transporta señales digitales, eliminando la interfaz de RF y los cables coaxiales en el CMTS/CCAP y la modulación de RF en la cabecera, [83] y reemplazando las señales analógicas en los cables de fibra óptica en la red, con señales digitales como las señales Ethernet de 10 Gigabit, [20] que eliminan la necesidad de calibrar la red HFC dos veces al año, extienden el alcance de la red, reducen el costo del equipo y el mantenimiento, [84] y mejoran la calidad de la señal y permiten una modulación como 4096 QAM en lugar de 1024 QAM, lo que permite transmitir más información a la vez, por bit. Esto requiere nodos ópticos más sofisticados que también puedan convertir señales de digitales a analógicas realizando la modulación, a diferencia de los nodos ópticos convencionales que solo necesitan convertir señales de ópticas a eléctricas. [83] Estos dispositivos se conocen como dispositivos Remote PHY (RPD) o dispositivos Remote MACPHY (RMD). Los RPD vienen en variantes de estante que se pueden instalar en edificios de apartamentos (MDU, unidades multifamiliares) y también se pueden instalar en nodos ópticos o en un pequeño concentrador que distribuye señales de manera similar a una red HFC convencional. [20] [74] [85] [37] [86] Alternativamente, Remote PHY puede permitir que un CMTS/CCAP se ubique en un centro de datos remoto lejos de los clientes. [87]
Además de lograr el mismo propósito que Remote PHY, Remote MACPHY también mueve toda la funcionalidad del protocolo DOCSIS al nodo óptico o a la planta externa, lo que puede reducir la latencia en comparación con Remote PHY. [88] [89] Remote CMTS/Remote CCAP se basa en esto al mover toda la funcionalidad CMTS/CCAP a la planta externa. [85] [87] Distributed Access Architecture (DAA) cubre Remote PHY y Remote MACPHY y tiene como objetivo acercar las funciones a los clientes finales, lo que permite expansiones de capacidad más fáciles a medida que las instalaciones centralizadas para equipos se reducen o potencialmente se eliminan, y versiones más nuevas de DOCSIS más allá de DOCSIS 3.1 con velocidades más altas. Remote PHY permite cierta reutilización de equipos existentes, como CMTS/CCAP, al reemplazar componentes. [88] [90]
Los CCAP virtuales (vCCAP) o CMTS virtuales (vCMTS) se implementan en servidores comerciales basados en x86 con software especializado, [91] a menudo se implementan junto con DAA [92] y se pueden usar para aumentar la capacidad de servicio sin comprar nuevos chasis CMTS/CCAP o agregar funciones al CMTS/CCAP más rápidamente. [74]
La mejora de la velocidad de Internet para los clientes se puede llevar a cabo reduciendo el número de grupos de servicio con abonados de 500 abonados a no más de 128, en lo que se conoce como una arquitectura n+0, con un único nodo y sin amplificadores. [93] [94] [83] Se han explorado redes HFC que operan a 1,8 GHz [95] a 3 GHz con transistores GaN. [96] [97] Se han propuesto cambios en el rango de frecuencia utilizado para las señales de subida: una división media que utiliza frecuencias de 5 a 85 MHz para la subida, una división alta que utiliza un rango de 5 a 205 MHz y una división ultra alta con varias opciones que permiten rangos de hasta 5 a 684 MHz. [98] La DOCSIS full duplex (FDX) permite que las señales de subida y bajada ocupen simultáneamente un único rango de frecuencia sin multiplexación por división de tiempo. [99] Los operadores de cable han ido cambiando gradualmente a redes FTTP utilizando PON ( redes ópticas pasivas ). [100] [101] [102]
Al utilizar multiplexación por división de frecuencia , una red HFC puede transportar una variedad de servicios, incluidos televisión analógica, televisión digital ( SDTV o HDTV ), video a pedido , telefonía y tráfico de Internet. Los servicios en estos sistemas se transportan en señales de RF en la banda de frecuencia de 5 MHz a 1000 MHz.
La red HFC funciona normalmente de forma bidireccional, lo que significa que las señales se transmiten en ambas direcciones en la misma red desde la oficina de la cabecera/centro hasta el hogar, y desde el hogar hasta la oficina de la cabecera/centro. Las señales de ida o de bajada transmiten información desde la oficina de la cabecera/centro hasta el hogar, como contenido de vídeo, voz y tráfico de Internet. Las primeras redes HFC, y las redes HFC muy antiguas que no se han actualizado, son sólo sistemas unidireccionales. Los equipos para sistemas unidireccionales pueden utilizar redes POTS o de radio para comunicarse con la cabecera. [103] La HFC hace que la comunicación bidireccional a través de una red de cable sea práctica porque reduce la cantidad de amplificadores en estas redes. [1]
Las señales de retorno o de subida transportan información desde el hogar hasta la oficina central o de cabecera, como señales de control para solicitar una película o tráfico de subida de Internet. La vía de ida y la de retorno se transmiten por el mismo cable coaxial en ambas direcciones entre el nodo óptico y el hogar.
Para evitar la interferencia de señales, la banda de frecuencia se divide en dos secciones. En los países que tradicionalmente han utilizado el sistema NTSC M , las secciones son de 52 a 1000 MHz para señales de vía directa y de 5 a 42 MHz para señales de vía de retorno. [98] Otros países utilizan tamaños de banda diferentes, pero son similares en el sentido de que hay mucho más ancho de banda para la comunicación descendente que para la comunicación ascendente.
Tradicionalmente, como el contenido de vídeo se enviaba únicamente a los hogares, la red HFC estaba estructurada de forma asimétrica : una dirección tiene mucha más capacidad de transporte de datos que la otra. La ruta de retorno se utilizaba originalmente sólo para algunas señales de control para pedir películas, etc., que requerían muy poco ancho de banda. A medida que se han ido añadiendo servicios adicionales a la red HFC, como el acceso a Internet y la telefonía, la ruta de retorno se está utilizando más.
Los operadores multisistema (MSO) desarrollaron métodos para enviar los distintos servicios a través de señales de radiofrecuencia por cables de cobre coaxiales y de fibra óptica. El método original para transportar vídeo a través de la red HFC, que sigue siendo el más utilizado, es la modulación de los canales de televisión analógica estándar, que es similar al método utilizado para la transmisión de emisiones por aire.
Un canal de televisión analógica ocupa una banda de frecuencia de 6 MHz de ancho en sistemas basados en NTSC , o una banda de frecuencia de 8 MHz de ancho en sistemas basados en PAL o SECAM. Cada canal está centrado en una portadora de frecuencia específica para que no haya interferencias con canales adyacentes o armónicos. Para poder ver un canal modulado digitalmente, se requiere que los equipos domésticos o de las instalaciones del cliente (CPE), por ejemplo, televisores digitales, computadoras o decodificadores , conviertan las señales de RF en señales que sean compatibles con dispositivos de visualización como televisores analógicos o monitores de computadora. La Comisión Federal de Comunicaciones de los EE. UU. (FCC) ha dictaminado que los consumidores pueden obtener una tarjeta de cable de su MSO local para autorizar la visualización de canales digitales.
Al utilizar técnicas de compresión de video digital, se pueden transportar múltiples canales de televisión estándar y de alta definición en una portadora de frecuencia de 6 u 8 MHz, aumentando así la capacidad de transporte de canales de la red HFC en 10 veces o más en comparación con una red totalmente analógica.
La línea de abonado digital (DSL) es una tecnología que utilizan las compañías telefónicas tradicionales para ofrecer servicios avanzados (datos de alta velocidad y, a veces, vídeo) a través de cables telefónicos de cobre de par trenzado. Normalmente tiene una capacidad de transporte de datos menor que las redes HFC y la velocidad de los datos puede verse limitada por la longitud y la calidad de la línea.
La televisión por satélite compite muy bien con las redes HFC en la prestación de servicios de transmisión de vídeo. Los sistemas de satélite interactivos son menos competitivos en entornos urbanos debido a sus largos tiempos de retardo de ida y vuelta , pero son atractivos en zonas rurales y otros entornos con infraestructura terrestre insuficiente o inexistente.
De manera similar a HFC, la tecnología de fibra en el bucle (FITL) es utilizada por los operadores de central telefónica local para brindar servicios avanzados a los clientes telefónicos a través del bucle local del servicio telefónico tradicional (POTS) .
En la década de 2000, las empresas de telecomunicaciones comenzaron a implementar de manera significativa soluciones de fibra hasta la red (FTTX), como redes ópticas pasivas, para ofrecer video, datos y voz y competir con los operadores de cable. Estas soluciones pueden resultar costosas de implementar, pero pueden brindar una gran capacidad de ancho de banda, especialmente para servicios de datos.
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