La fibra híbrida-coaxial ( HFC ) es una red de telecomunicaciones de banda ancha que combina fibra óptica y cable coaxial . Los operadores de televisión por cable lo han utilizado habitualmente en todo el mundo desde principios de los años noventa. [1]
En un sistema de cable híbrido de fibra 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 suscriptores. [2] Las líneas troncales de fibra óptica proporcionan suficiente ancho de banda para permitir servicios adicionales que requieren un uso intensivo de ancho de banda, como el acceso a Internet por cable a través de DOCSIS . [3] El ancho de banda se comparte entre los usuarios de un HFC. [4]
La red de fibra óptica se extiende desde la cabecera principal de los operadores de cable, a veces hasta las cabeceras regionales y hasta el centro de un vecindario y, finalmente, hasta un nodo de cable óptico a coaxial que normalmente presta servicio a entre 25 y 2000 hogares. Una cabecera maestra normalmente tendrá antenas parabólicas para la recepción de señales de vídeo distantes, así como enrutadores de agregación IP . Algunas cabeceras maestras también albergan equipos de telefonía (como centrales telefónicas automáticas ) para brindar servicios de telecomunicaciones a la comunidad.
Una cabecera/centro regional o de área recibirá la señal de video de la cabecera principal [5] y le agregará los canales de televisión por cable de acceso público, educativo y gubernamental (PEG) según lo requieran las autoridades locales de franquicia o insertará publicidad dirigida que resulte atractiva. a un área local, junto con Internet desde un CMTS (un CMTS integrado, que incluye todas las piezas necesarias para el funcionamiento) o un CCAP que proporciona Internet y vídeo.
Se pueden utilizar Edge QAM independientes para proporcionar vídeo modulado QAM adecuado para la transmisión en una red de cable coaxial, desde fuentes de vídeo digital. [6] [7] Los QAM perimetrales también se pueden conectar a un CMTS para proporcionar datos de Internet en lugar de vídeo, en una arquitectura CMTS modular. [8] [9] Los CCAP tienen como objetivo reemplazar el CMTS integrado convencional que solo proporciona datos y los QAM de borde utilizados para video, que son equipos separados. [10]
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, [11] las señales se pueden modular mediante moduladores de vídeo analógicos o digitales, incluidos los moduladores QAM. [12] o QAM de borde para video y/o datos dependiendo de si se utiliza un CMTS modular, en el CMTS solo para datos, [13] [14] [15] o en el CCAP para video y datos, y convertidos a RF transportistas en este equipo.
Los diversos servicios de CMTS, CCAP, Edge QAM y moduladores QAM se combinan en una única señal eléctrica de RF utilizando módulos de gestión de RF de cabecera, como divisores y combinadores [16] [17] [18] y las señales resultantes se insertan en un sistema óptico de banda ancha. transmisor 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. [19] [20] Estas plataformas albergan varios transmisores y receptores, el último de los cuales se puede utilizar para Internet por cable y también puede albergar amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) para ampliar el alcance de las señales ópticas en la fibra óptica. [21] [22] Cada transmisor y receptor da servicio a un nodo óptico. [23]
Este transmisor óptico convierte la señal eléctrica de RF en una señal modulada ópticamente descendente que se envía a los nodos. Los cables de fibra óptica conectan la cabecera o hub a los nodos ópticos en una topología punto a punto o en estrella , [24] o en algunos casos, en una topología de anillo protegido . Cada nodo se puede conectar a través de su propia fibra dedicada, [25] por lo que los cables de fibra óptica tendidos al aire libre en la planta exterior pueden tener desde varias [26] docenas hasta varios cientos o incluso miles de fibras, siendo un ejemplo extremo 6912 fibras. [27]
Un nodo de fibra óptica tiene un receptor óptico de banda ancha, que convierte la señal modulada ópticamente descendente procedente de la cabecera o concentrador en una señal eléctrica que llega a los clientes. A partir de 2015, [actualizar]la señal descendente es una señal modulada por RF que normalmente comienza en 50 MHz y oscila entre 550 y 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 de los clientes a la cabecera. En Norteamérica, esta señal inversa es una RF modulada que oscila entre 5 y 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 troncal coaxial.
La parte óptica de la red proporciona una gran flexibilidad. Si no hay muchos cables de fibra óptica hasta el nodo, se puede utilizar la multiplexación por división de longitud de onda para combinar múltiples señales ópticas en la misma fibra. Los filtros ópticos se utilizan 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. [28] [29]
La porción troncal coaxial de la red conecta entre 25 y 2000 hogares (500 es lo típico) [30] en una configuración de árbol y rama fuera del nodo. [31] [32]
Los cables coaxiales troncales se conectan al nodo óptico [33] [34] y forman una columna vertebral coaxial a la que se conectan cables de distribución más pequeños. Los amplificadores de RF llamados amplificadores troncales se utilizan a intervalos en la troncales para superar la atenuación del cable y las pérdidas pasivas de las señales eléctricas causadas por la división o "rosca" del cable coaxial. Los cables troncales también transportan energía de CA que se agrega a la línea del 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 para que los nodos ópticos, troncales y amplificadores de distribución no necesiten una fuente de energía externa individual. [35] La fuente de alimentación puede tener un medidor de energía al lado dependiendo de 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 puente para transportar la señal de RF y la alimentación de CA por calles individuales. Por lo general, los amplificadores troncales tienen dos puertos de salida: uno para la troncal y otro como puente. Los amplificadores de distribución (también llamados amplificadores del sistema) se pueden conectar desde un puerto puente para conectar varios cables de distribución al troncal si se necesita más capacidad, ya que tienen múltiples puertos de salida. Alternativamente, se pueden conectar extensores de línea, que son amplificadores de distribución más pequeños con un solo puerto de salida, al cable de distribución que sale del puerto puente en el troncal y usarse para aumentar las señales en los cables de distribución [36] para mantener la potencia del señal de televisión a un nivel que el televisor pueda aceptar. Luego, la línea de distribución se "conecta" y se utiliza para conectar las derivaciones individuales a los hogares de los clientes. [37]
Estas derivaciones 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 energía de respaldo proporcionada por el sistema de alimentación coaxial. [38] El grifo termina en una pequeña caída coaxial utilizando un conector tipo tornillo estándar conocido como conector F.
Luego, la caída se conecta a la casa, donde un bloque de tierra protege el sistema de voltajes parásitos. Dependiendo del 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 se pueden conectar 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 pasen por esos divisores perderá calidad y requerirá el uso de un amplificador "de caída" o "doméstico" para restaurar la señal. [39]
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. [40] 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, se colocaron amplificadores troncales a lo largo de los cables troncales para mantener niveles de señal adecuados en las troncales, [41] [42] se podrían usar cables de alimentación de distribución para distribuir señales desde las troncales a calles individuales, [43] [44] [ 45] se utilizaron acopladores direccionales para mejorar la calidad de la señal, [46] los amplificadores troncales podrían equiparse con control automático de nivel o control automático de ganancia, [47] también podrían usarse amplificadores híbridos, que tienen un circuito integrado híbrido [48] [49] , [50] y se utilizaron puentes separados para conectar el troncal a los alimentadores de distribución. [51] [52] [53]
En 1953, C-COR fue el primero en introducir la alimentación por cable, que transmite potencia 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. [54] [55] Los primeros amplificadores en carcasas exteriores con bisagras y sellos, para instalación entre postes de servicios públicos que cuelgan de cables mensajeros, se ofrecieron en 1965. [56] Alrededor de 1973, los concentradores comenzaron a usarse en redes de cable para aumentar la señal. calidad como resultado de la expansión de la red, y los operadores de cable se esforzaron por reducir el número de amplificadores en cascada en las partes coaxiales de la red de alrededor de 20 a 5. [57] [58] Supertroncos hechos de cable coaxial con señales de vídeo moduladas en FM, [59] [55] Se utilizaron enlaces de fibra óptica o microondas para conectar las cabeceras a los concentradores. [60] [61] [62] [57] La fibra óptica se utilizó por primera vez como supertroncal en 1976. [63] El vídeo FM también se podía transportar en fibra óptica, [64] y la fibra óptica finalmente reemplazó a los cables coaxiales en los supertroncales. [55] El ancho de banda en las redes de cable aumentó de 216 MHz a 300 MHz en los años 1970, [48] a 400 MHz en los años 1980, [55] [65] [66] a 550 MHz, 600 MHz y 750 MHz en los años 1990, [65] [67] [68] y a 870 MHz en el año 2000. [69]
Para hacer frente a las necesidades de mayor ancho de banda digital, como 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, [70] [71] han hecho la transición para manejar únicamente el tráfico IP en la red, usó adaptadores de transporte digital (DTA) para transmitir señales normalmente analógicas, o usó Video Digital Conmutado (SDV) [72] [73] que permite reducir el número de canales de televisión en cables coaxiales sin reducir el número de canales que se ofrecen. [74] [75]
Hacia finales de la década de 1990, se introdujeron transistores 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. [ 69] Transistores GaN, introducidos en 2008 [48] y adoptado en la década de 2010 permitió 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 espacio entre amplificadores. [76] [77] [78]
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 CMTS y CCAP, se conectan a la red HFC mediante interfaces RF que físicamente son conexiones de cable coaxial [79] [80] [81] y las señales ópticas en los cables de fibra óptica de la red son analógicas. En Remote PHY, equipos como CMTS o CCAP se conectan directamente a la red HFC utilizando 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, [ 82] y reemplazando las señales analógicas. en cables de fibra óptica en la red, con señales digitales como señales 10 Gigabit Ethernet, [19] que eliminan la necesidad de calibrar la red HFC cada dos años, extiende el alcance de la red, reduce el costo de equipos y mantenimiento, [ 83] y mejora la calidad de la señal y permite 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 modulación, a diferencia de los nodos ópticos convencionales que solo necesitan convertir señales de ópticas a eléctricas. [82] Estos dispositivos se conocen como dispositivos PHY remotos (RPD) o dispositivos MACPHY remotos (RMD). Los RPD vienen en variantes de estantes que se pueden instalar en edificios de apartamentos (MDU, unidades de vivienda múltiple) y también se pueden instalar en nodos ópticos o en un pequeño concentrador que distribuye señales de manera similar a una red HFC convencional. [19] [73] [84] [36] [85] Alternativamente, la PHY remota puede permitir que un CMTS/CCAP se ubique en un centro de datos remoto lejos de los clientes. [86]
Remote MACPHY, además de lograr el mismo propósito que Remote PHY, 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. [87] [88] CMTS remoto/CCAP remoto se basa en esto trasladando toda la funcionalidad CMTS/CCAP a la planta externa. [84] [86] La arquitectura de acceso distribuido (DAA) cubre PHY remota y MACPHY remota y tiene como objetivo acercar las funciones a los clientes finales, permitiendo expansiones de capacidad más fáciles a medida que las instalaciones centralizadas para equipos se reducen o potencialmente se eliminan, y DOCSIS más nuevos Versiones más allá de DOCSIS 3.1 con velocidades más altas. La PHY remota permite cierta reutilización de equipos existentes, como CMTS/CCAP, mediante la sustitución de componentes. [87] [89]
Los CCAP virtuales (vCCAP) o los CMTS virtuales (vCMTS) se implementan en servidores comerciales basados en x86 con software especializado, [90] a menudo se implementan junto con DAA [91] y se pueden utilizar para aumentar la capacidad del servicio sin comprar nuevos CMTS/ Chasis CCAP o agregue funciones al CMTS/CCAP más rápidamente. [73]
La mejora de la velocidad de Internet para los clientes se puede llevar a cabo reduciendo el número de grupos de servicios con suscriptores de 500 a no más de 128, en lo que se conoce como arquitectura n+0, con un solo nodo y sin amplificadores. [92] [93] [82] Las redes HFC que funcionan entre 1,8 GHz [94] y 3 GHz se han explorado con transistores GaN. [95] [96] Se han propuesto cambios en el rango de frecuencia utilizado para las señales ascendentes: un split medio que utiliza frecuencias de 5 a 85 MHz para el upstream, un split alto que utiliza un rango de 5 a 205 MHz y un ultra split alto con varias opciones que permiten rangos de hasta 5 a 684 MHz. [97] DOCSIS full duplex (FDX) permite que las señales ascendentes y descendentes ocupen simultáneamente un único rango de frecuencia sin multiplexación por división de tiempo. [98] Los operadores de cable han ido cambiando gradualmente a redes FTTP utilizando PON ( redes ópticas pasivas ). [99] [100]
Al utilizar multiplexación por división de frecuencia , una red HFC puede transportar una variedad de servicios, incluyendo TV analógica, TV digital ( SDTV o HDTV ), video bajo demanda , telefonía y tráfico de Internet. Los servicios de estos sistemas se transmiten mediante señales de RF en la banda de frecuencia de 5 MHz a 1000 MHz.
La red HFC normalmente funciona de forma bidireccional, lo que significa que las señales se transmiten en ambas direcciones en la misma red desde la cabecera/oficina central hasta el hogar, y desde la casa hasta la cabecera/oficina central. Las señales de ruta directa o descendentes transportan información desde la cabecera/oficina central hasta el hogar, como contenido de video, voz y tráfico de Internet. Las primeras redes HFC, y las muy antiguas redes HFC no actualizadas, son sistemas unidireccionales. Los equipos para sistemas unidireccionales pueden utilizar POTS o redes de radio para comunicarse con la cabecera. [101] 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]
La ruta de retorno o las señales ascendentes transportan información desde el hogar hasta la cabecera/oficina central, como señales de control para ordenar una película o tráfico ascendente de Internet. El camino de ida y el camino de retorno se llevan a través del mismo cable coaxial en ambas direcciones entre el nodo óptico y el hogar.
Para evitar interferencias 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 ida y de 5 a 42 MHz para señales de retorno. [97] Otros países utilizan diferentes tamaños de banda, pero son similares en que hay mucho más ancho de banda para la comunicación descendente que para la comunicación ascendente.
Tradicionalmente, dado que el contenido de vídeo se enviaba sólo al hogar, la red HFC estaba estructurada para ser asimétrica : una dirección tiene mucha más capacidad de transporte de datos que la otra. La ruta de retorno se usó originalmente solo para algunas señales de control para ordenar películas, etc., lo que requería muy poco ancho de banda. A medida que se han agregado servicios adicionales a la red HFC, como acceso a Internet y telefonía, la ruta de regreso se está utilizando cada vez más.
Los operadores de sistemas múltiples (MSO) desarrollaron métodos para enviar los diversos servicios a través de señales de RF en cables de cobre coaxiales y de fibra óptica. El método original para transportar vídeo a través de la red HFC y, todavía el método más utilizado, es mediante la modulación de canales de televisión analógicos estándar, que es similar al método utilizado para la transmisión por aire.
Un canal de televisión analógico 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 equipo doméstico o en las instalaciones del cliente (CPE), por ejemplo, televisores digitales, computadoras o decodificadores , para convertir las señales de RF en señales que sean compatibles con dispositivos de visualización como Televisores analógicos o monitores de ordenador. La Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de EE. UU. ha dictaminado que los consumidores pueden obtener una tarjeta de cable de su MSO local para autorizar la visualización de canales digitales.
Mediante el uso de técnicas de compresión de vídeo digital, se pueden transmitir múltiples canales de televisión estándar y de alta definición en una portadora de frecuencia de 6 u 8 MHz, aumentando así la capacidad de transmisión 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 utilizada por las compañías telefónicas tradicionales para brindar servicios avanzados (datos de alta velocidad y, a veces, video) a través de cables telefónicos de cobre de par trenzado. Por lo general, tiene una capacidad de transporte de datos menor que las redes HFC y las velocidades de datos pueden estar limitadas por la longitud y la calidad de las líneas.
La televisión por satélite compite muy bien con las redes HFC en la prestación de servicios de transmisión de vídeo. Los sistemas satelitales interactivos son menos competitivos en entornos urbanos debido a sus grandes tiempos de demora de ida y vuelta , pero son atractivos en áreas rurales y otros entornos con infraestructura terrestre insuficiente o nula.
De manera análoga a HFC, los operadores de centrales telefónicas utilizan la tecnología de fibra en el bucle (FITL) para proporcionar servicios avanzados a los clientes telefónicos a través del bucle local del servicio telefónico antiguo (POTS) .
En la década de 2000, las empresas de telecomunicaciones iniciaron importantes implementaciones de fibra hasta x (FTTX), como soluciones de redes ópticas pasivas para ofrecer video, datos y voz para competir con los operadores de cable. Su implementación puede resultar costosa, pero pueden proporcionar una gran capacidad de ancho de banda, especialmente para servicios de datos.
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