Hace tan solo algunos meses comenzó a escucharse cada vez más sobre la tecnología ‘Channel Bonding’ o ‘Unión de Canales’ por su incipiente introducción en las redes de cable para aumentar significativamente el ancho de banda entre la cabecera y cada suscriptor de datos en la red.

 

En los últimos años, algunos operadores de cable se dieron a la tarea de construir una red HFC (Híbrida Fibra-Coaxial) para suministrar los tres servicios que integran el triple-play: voz, video y datos, con la firme intención de competir con otros operadores de telecomunicaciones y ofrecer una mejor alternativa a sus suscriptores.

 

Introducir la transmisión de datos a alta velocidad en las redes de cable no sólo fue el elemento clave, sino que además probó ser un servicio exitoso y lucrativo para los operadores de cable. La especificación DOCSIS^® se convirtió entonces en el mecanismo de transporte del triple-play para ofrecer servicios residenciales y comerciales que antes eran privativos de la competencia.

 

Sin embargo, a partir de que los operadores de cable ofrecen el acceso a Internet y compiten directamente con el servicio DSL de las compañías telefónicas, también experimentan mayor demanda de ancho de banda por parte de sus suscriptores. Esta necesidad de mayor capacidad es resultado del tráfico peer-to-peer [1], las aplicaciones de voz sobre IP (VoIP), la transferencia de grandes archivos, la descarga de canciones y videos, el video y audio streaming, así como del intercambio de archivos en la red. Sin considerar la vasta gama de servicios basados en IP que comenzarán a estar disponibles en los próximos años, todo parece indicar que cada suscriptor requerirá aún mayor ancho de banda disponible en la red y el operador de cable se verá en la necesidad de ofrecerlo a precios razonables para poder adquirir un mayor porcentaje de la base de clientes que solicitan este servicio.

 

Existen al menos tres técnicas orientadas a ampliar la capacidad de la red de cable para aumentar la tasa de transmisión y ofrecer mejores velocidades de acceso a los suscriptores.

 

El uso de técnicas de modulación de mayor orden fue considerado desde la creación de DOCSIS^® y sus respectivas modificaciones en las versiones 1.1 y 2.0 actualmente disponibles.

 

Cada formato de modulación digital incluye determinado número de bits en un símbolo para transmitir información a través del canal de comunicación. Mientras mayor sea el número de bits [N] incluidos en cada símbolo [M], mayor será la capacidad de transmisión de esa técnica de modulación, tal y como se indica en la siguiente relación:

 

N [bits] = log₂ M [símbolos]

 

Por ejemplo, 256QAM es una modulación digital de orden M = 256 que, de acuerdo con la relación anterior, transmite N = log₂ (256) = 8 bits por cada símbolo (bits/símbolo) a través del canal de comunicación. En 1024QAM se transmiten N = log₂ (1024) = 10 bits/símbolo y, como se indica en la Tabla 1, aumentar el orden de modulación incrementa el número de bits transmitidos, y con ello, la tasa de transmisión total.

Tabla 1. Técnicas de modulación para el retorno en DOCSIS^®2.0 con un canal de 6.4 MHz

 

Mediante el uso de técnicas de modulación de mayor orden se aumenta la capacidad del canal para mejorar las tasas de transmisión en la red de cable; sin embargo, esta técnica también introduce serios problemas.

 

Por una parte, los moduladores del CMTS son más complejos toda vez que mezclan símbolos de bajos y altos órdenes de modulación para asegurar la compatibilidad de los cablemódems nuevos con los modelos previamente instalados. Por otra, aumentar el orden de modulación también incrementa la tasa de errores en el canal, debido a que los puntos que integran la constelación QAM de mayor orden se encuentran más cercanos entre sí y resulta más difícil diferenciarlas en presencia de ruido.

 

En la Figura 1 se observa cómo a medida que aumenta el orden de modulación, el número de símbolos en la constelación también se incrementa y el espacio entre ellos se reduce, razón por la cual el sistema es más vulnerable y resulta difícil diferenciar los símbolos en presencia de ruido.

 

Figura 1. Constelaciones de diferentes técnicas de modulación

Otra técnica que se utiliza para proporcionar mayores tasas de transmisión al suscriptor, consiste en manejar diferentes anchos de canal. Esta técnica se empleó en DOCSIS^®1.x y 2.0 para el retorno y se emplearon canales de 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2 y 6.4 MHz que, de manera proporcional, también ofrecen mayores tasas de transmisión de información tal y como se observa en la Figura 2 y en la Tabla 2 siguientes:

 

 

Figura 2. Anchos del canal para el enlace descendente en la especificación DOCSIS^®

 

Tabla 2. Tasas de transmisión de diferentes técnicas de modulación

 

 

Con el uso de esta técnica en el retorno se varía el ancho del canal, de tal manera que si se utilizan las mismas técnicas de modulación digital en cuadratura, se duplica la tasa de transmisión de símbolos que, a su vez, también duplica el ancho de banda del canal. Por ejemplo, en un canal de 6 MHz la tasa de transmisión es de 42.88 Mbps, mientras que en un canal de 12 MHz, la tasa se duplica a 85.76 Mbps, en ambos casos con modulación 256QAM.

 

A pesar de producir el efecto deseado, esta técnica también presenta dos problemas potenciales: primero, el equipo que opera con canales de doble ancho de banda, no es compatible con el que utiliza canales de menor ancho; y segundo, en los receptores se requiere el uso de filtros pasa banda de mayor ancho para eliminar la potencia de ruido del canal que también llega duplicado al demodulador del receptor. El incremento en la potencia de ruido sin aumentar la potencia de la señal, reduce la relación señal a ruido del canal y ocasiona una mayor tasa de errores en la transmisión.

 

 

Las técnicas anteriores ya fueron empleadas en la fabricación de equipo de datos para redes de cable y se consideran soluciones de corto plazo; sin embargo, aún existe un límite a superar si se trata de ofrecer más servicios y ancho de banda al suscriptor.

 

Supóngase que un operador de cable decide que en un futuro cercano ofrecerá servicios multimedia como la telefonía IP, transferencia de datos a muy alta velocidad, descarga de películas para almacenarlas en un sistema PVR (Personal Video Recorder) y servicios avanzados empresariales. El servicio de telefonía IP a través de un codec G711 incluyendo encabezados, típicamente requiere 100 kbps en cada enlace; el tráfico de alta velocidad como mínimo pudiera asignar 1 Mbps en la bajada y 256 kbps para el retorno, y la descarga de películas en la modalidad de video bajo demanda requiere, por lo menos, 1.5 Mbps en la bajada y 50 kbps para el retorno. Si se asume el uso concurrente por determinado número de usuarios, la tasa de transmisión de cada enlace requerida se muestra en la Tabla 3 siguiente:

 

Tabla 3. Tasas de transmisión requeridas para servicios multimedia. Fuente: Arris

 

Al comparar estos datos con la capacidad típica de DOCSIS^®, se observa que un canal descendente de 6 MHz con 64QAM tiene una tasa nominal de 28 Mbps, mientras que para el retorno un canal de 3.2 MHz con 16QAM, tiene una tasa de 9 Mbps que no resultan suficientes para ofrecer los servicios multimedia previstos a largo plazo.

En todo caso, se requieren dos canales descendentes y uno ascendente para satisfacer esta demanda de ancho de banda; sin embargo, los CMTS disponibles en el mercado ofrecen configuraciones 4:1 ó 6:1 (retorno:descendente) que resulta contrario a lo que en este caso se necesita.

 

Resulta claro entonces que la implantación de servicios interactivos y de voz en las redes de cable, cada vez exige mayores anchos de banda para garantizar una buena calidad de servicio al suscriptor.

 

Fue así como surgió la tecnología ‘Channel Bonding’ o ‘Unión de Canales’ con la propuesta de unir los canales para aumentar el ancho de banda del enlace descendente en la oferta de servicios multimedia, de una manera tecnológica y económicamente viable, sobre la infraestructura actual de las redes de cable. Esta tecnología es una solución a mediano y largo plazos que vendrá a formar parte del estándar DOCSIS^® 3.0, actualmente desarrollado por un Grupo de Trabajo de CableLabs^®.

 

En términos generales, el concepto ‘Unión de Canales’ ofrece mayor capacidad en ancho de banda a cada cablemodem que lo que actualmente es posible utilizando canales DOCSIS^®2.0. La ‘Unión de Canales’ logra este objetivo cuando permite que el tráfico que se envía a un cablemodem viaje a través de M canales descendentes DOCSIS^® disponibles y que el tráfico generado por cada suscriptor regrese a través de N canales ascendentes DOCSIS^® disponibles (M > 0 y N > 0).

 

En la Figura 3 siguiente se muestra un diagrama a bloques de la arquitectura de esta tecnología, con M = 4 canales descendentes paralelos entre el CMTS y los cablemódems de usuario.

 

Figura 3. Diagrama a bloques de la tecnología ‘Unión de Canales’

 

Para comprender los beneficios de esta tecnología, es conveniente recordar que con DOCSIS^® 1.x y 2.0 un cablemodem únicamente puede conectarse a un solo canal descendente (M = 1) y a un solo canal ascendente (N = 1). Por lo mismo, en DOCSIS^® 2.0 la tasa total máxima del enlace descendente es de 42.88 Mbps (6 MHz, 256QAM) y del enlace ascendente es de 30.72 Mbps (6.4 MHz, 64QAM). Con la tecnología ‘Unión de Canales’ se pueden utilizar M canales descendentes que en conjunto ofrecen M*42.88 Mbps y N canales ascendentes que en total proporcionan N*30.72 Mbps. El beneficio de esta tecnología con el uso de múltiples canales de transmisión, se ilustra en la Tabla 4 siguiente.

Tabla 4. Capacidad de los enlaces con la tecnología ‘Unión de Canales’

 

Es importante considerar la disponibilidad de espectro para soportar los M y N canales que pretenden aumentar el ancho de banda en la red. Para el canal descendente tal vez se deberán disponer canales que se utilizan para programación de televisión; por esta razón es conveniente hacer un mapeo de asignación de espectro para planear futuros crecimientos.

 

El caso del retorno es más sencillo, toda vez que es una banda libre y dispuesta a su uso inmediato conforme se demanda mayor crecimiento. El espectro dedicado al retorno 5 - 42 MHz permite colocar [42 MHz – 5 MHz] / [6.4 MHz por canal de retorno] » 5 canales de retorno de 6.4 MHz en DOCSIS^® 2.0. A pesar de que hay un número suficiente de canales en el retorno, en algunos casos se comienza a justificar el uso de la unión de canales, sobre todo en países europeos y asiáticos donde la competencia de los proveedores de servicio DSL es muy intensa, hecho que les exige aumentar cada vez más la oferta de capacidad a sus suscriptores. En la Tabla 5 siguiente se detallan las tasas de transmisión de diferentes técnicas xDSL empleadas para la transmisión de datos en líneas telefónicas.

Tabla 5. Tasas de transmisión de xDSL

 

Si se observa con calma la columna correspondiente al enlace ascendente de la Tabla 4, tal vez surja la duda de cómo unir varios canales si el espectro disponible únicamente permite el alojamiento de 5 canales de 6.4 MHz.

La especificación DOCSIS^® 3.0 permite el uso de canales más angostos para que esta tecnología sea compatible con cablemódems de versiones 1.0, 1.1 ó 2.0 previamente instalados. De esta manera, un operador de cable puede alojar hasta 12 canales ascendentes de 3.2 MHz, que en total requieren un ancho de 38.4 MHz, totalmente disponibles en la banda de retorno.

Asimismo, se sabe que los cablemódems DOCSIS^® 1.0, 1.1, 2.0 y 3.0 pueden operar con canales de 3.2 MHz, pero no sucede lo mismo con las versiones 1.0 y 1.1. Éstas primeras versiones no manejan canales de 6.4 MHz, razón por la cual, en la sección correspondiente al medio físico (PHY) de la especificación DOCSIS^® 3.0 se proponen las modificaciones necesarias para ampliar el espectro de retorno con respecto al que actualmente se encuentra disponible (5 - 42 MHz). Con base en esta modificación, el operador de cable realmente podrá hacer la unión de 12 canales de 6.4 MHz en la banda de retorno y superar el límite hasta ahora impuesto con las versiones disponibles de DOCSIS^®.

 

 

 

La implantación de la unión de canales implica modificaciones tanto en el CMTS como en el cablemodem. Algunos fabricantes ofrecen el cablemodem con las nuevas funcionalidades para ‘unir canales’ en ambos enlaces de transmisión, y software para actualizar el CMTS y que pueda operar bajo esta nueva capacidad.

 

Independientemente de la marca del equipo, todos los sistemas bajo esta tecnología incluyen un conjunto mínimo de funciones básicas, que se dividen en tres categorías:

 

1.     Inicialización del plano de control (control-plane initialization)

2.     Transmisor en el plano de datos (data-plane transmitter)

3.     Receptor en el plano de datos (data-plane receiver)

 

Las funciones de inicialización del plano de control permiten identificar cuando un cablemodem ha sido habilitado para operar bajo esta tecnología y ayudan a que el dispositivo determine qué canal ascendente y descendente utilizará para la transmisión compartida de datos. La inicialización ocurre justamente cuando el cablemodem se da de alta en el sistema y se registra ante el CMTS; el archivo de configuración ya cuenta con los parámetros necesarios que le indican esta nueva funcionalidad al cablemodem.

 

Las siguientes dos funciones se apoyarán en el diagrama de la Figura 4 que a continuación se muestra: 

 

Figura 4. Envío de paquetes en la red con tecnología de ‘unión de canales’

 

Las funciones del transmisor en el plano de datos operan en la fuente de ambos canales, el descendente y el ascendente; su implantación ocurre en el CMTS y en el cablemodem, respectivamente. Entre las funciones de este plano se encuentra la transferencia de los paquetes recibidos a través del transmisor IP y posteriormente hacia el ‘Distribuidor’ de unión de canales. En este punto, cada paquete recibido se clasifica en dos flujos de servicio independientes que indican si el servicio utilizará o no la ‘unión de canales’. El distribuidor de canales determina en cuáles de los canales DOCSIS^® disponibles se enviarán los paquetes. Una vez asignado el canal, el ‘Distribuidor’ agrega un identificador de flujo de servicio y un número de secuencia dentro del encabezado del paquete, para que el ‘Recolector’ en el receptor pueda procesar correctamente los paquetes mientras llegan de los múltiples canales compartidos.

 

Las funciones del receptor en el plano de datos operan también en ambos canales, tanto en el descendente como en el ascendente. Dentro de las funciones que se realizan, está la recepción de paquetes en un canal DOCSIS^® definido. Se recobra el paquete y se pasa al colector para extraer el identificador de flujo de servicio y el número de secuencia para identificarlo. El colector almacena los paquetes y los envía en secuencia al receptor.

 

La ‘unión de canales’ es una tecnología todavía en proceso de desarrollo y una solución económica y operativamente viable para aumentar la capacidad de la red de cable en la transmisión de datos a alta velocidad. El mecanismo de transporte de esta tecnología es DOCSIS^®, que además, ofrece calidad de servicio, herramientas de administración y el tan buscado aumento de ancho de banda que mediante otras técnicas, ya se había contemplado en las versiones preliminares de la misma especificación.

 

A lo largo de este año circularán noticias sobre el avance de esta tecnología, aunque en el mercado ya hay equipo disponible que opera bajo este principio; en cuanto se dé a conocer la especificación final, los fabricantes harán algunas actualizaciones y pequeñas modificaciones al equipo para cumplir totalmente con los requerimientos establecidos. Varios fabricantes han comenzado a unir esfuerzos para ofrecer esta tecnología y comenzar a hacer pruebas de funcionamiento en las redes de cable.

 

Adicionalmente a este avance tecnológico, en lo sucesivo se tratará el tema del CMTS – Modular (CMTS-M), que también forma parte de la siguiente especificación de DOCSIS^® 3.0, para facilitar la migración hacia redes de cable convergentes y de mayor capacidad, con tasas de transmisión de cientos de megabits y, potencialmente, de gigabits por segundo.

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