jueves, 22 de marzo de 2012

DOCSIS: El conjunto de estándares cablemódem de Cable Labs.

DOCSIS. El Conjunto de Estándares Cable Módem de CableLabs.
01-Noviembre-2001 
Luis Gabriel Sienra

Como cualquier nueva tecnología, la transmisión de datos de alta velocidad ofrece variantes en cuanto al desarrollo de equipo se refiere. Cada compañía acostumbra desarrollar sus propios sistemas para satisfacer determinadas necesidades. En consecuencia, el equipo cable módem de diferentes proveedores puede no ser compatible con el que utiliza un determinado sistema de cable. DOCSIS (Especificaciones de Interfase de Servicios de Datos por Cable, por sus siglas en inglés) es el conjunto de estándares, aprobado por CableLabs, que garantiza la interoperabilidad de la tecnología cable módem.

La interoperabilidad es actualmente un factor fundamental en el arribo de cable módems y Sistemas de Terminación Cable Módem (CMTS, por sus siglas en inglés) al mercado. CableLabs es quien se encarga de certificar el equipo que cumple las especificaciones DOCSIS y garantiza su adecuado funcionamiento en las redes de cable que adoptan el estándar. Recientemente, Texas Instruments y Toshiba consiguieron la certificación de CableLabs para módems que cumplen con las especificaciones DOCSIS 1.1. Arris y Cadant, por su parte, recibieron esta certificación para sus Sistemas de Terminación Cable Módem.

DOCSIS es el resultado del esfuerzo del grupo conocido como Sistema Multimedia de Red de Cable (MCNS, por sus siglas en inglés), formado por TCI, Time Warner, Cox y Comcast, que junto con Rogers Cablesystems, Continental Cablevision y CableLabs, comenzaron a desarrollar especificaciones para el equipo de transmisión de datos por cable. El conjunto de especificaciones DOCSIS se conoce como DOCSIS 1.0, aprobado como estándar internacional en marzo de 1998 por la Unión Internacional de Telecomunicaciones. DOCSIS 1.1 surge como un nuevo conjunto de especificaciones que incorpora características de Calidad de Servicio (QoS, por sus siglas en inglés) y autenticación, necesarias para manejar servicios que requieran una entrega de datos en tiempo real y mayor seguridad, como por ejemplo, la telefonía.

Además de ser un estándar de interoperabilidad cable módem, DOCSIS incluye parámetros que se recomiendan para lograr un mejor desempeño de la red de cable. Las Especificaciones DOCSIS de Interfase de Radiofrecuencia resumen los criterios que deben seguirse para implementar una red de cable compatible con DOCSIS. Al satisfacer o exceder estos parámetros se puede esperar que la transmisión de datos de alta velocidad sea eficiente y confiable.

En una transmisión bidireccional de datos de alta velocidad a través de la red de cable, la información que es enviada al suscriptor ("downstream") y la información que proviene de éste ("upstream"), son alojadas en diferentes bandas de frecuencia dentro del espectro que utiliza el cable. El espectro "downstream", ubicado entre los 50 y los 860 MHz, contiene los canales de televisión y los datos de alta velocidad. Entre los 5 y los 42 MHz se encuentra la información "upstream", relacionada con las peticiones de un usuario para solicitar determinada información (como por ejemplo, descargar un sitio de Internet) o transferir un conjunto de datos a través de la red. Debido a que la cantidad de información descargada por un usuario es mucho mayor a las peticiones que éste hace, la banda de frecuencias utilizada para el "downstream" es más grande que la utilizada en el "upstream". La figura 1 muestra un esquema de esta división del espectro.



Analizaremos ahora la forma en que se inicializa un cable módem después de que éste ha sido instalado en la ubicación del suscriptor. Usted podrá encontrar información más detallada en las Especificaciones DOCSIS de Interfase de Radiofrecuencia en el sitio de Internet de CableLabs (http://www.cablemodem.com/Specs/SP-RFI-I06-010829.pdf). Es importante señalar que todos los eventos que ocurren durante el proceso de inicialización del cable módem son transparentes al usuario.

Después de haberse encendido el cable módem, éste comienza a buscar, en el espectro "downstream" de RF, una portadora modulada en forma digital (64 ó 256-QAM) que contenga información específica del cable módem. Una vez que se ha sincronizado con la portadora adecuada, el cable módem busca, entre los datos que se envían desde la central, un mensaje conocido como Descriptor de Canal "Upstream" (UCD, por sus siglas en inglés) que le indica la frecuencia a la que deberá transmitir. El cable módem comienza a transmitir en la frecuencia "upstream" asignada, incrementando gradualmente su potencia hasta que sea escuchado por el CMTS. Es en este punto donde inicia la transmisión bidireccional entre el cable módem y la central de datos. Después de iniciada esta transmisión, terminan de ajustarse los niveles de operación de la frecuencia "upstream" del cable módem y se establece la sincronía necesaria para evitar colisiones de datos con otros cable módems.

Lo que sigue en el proceso de inicialización es establecer la conectividad con el protocolo de Internet. Para ello, el cable módem envía al CMTS una solicitud de protocolo de configuración de huésped dinámico (DHCP, por sus siglas en inglés) para obtener una dirección de IP y otros parámetros adicionales, necesarios para establecer la conexión por medio de este protocolo. Inmediatamente después, el cable módem solicita al servidor de hora del día (TOD, por sus siglas en inglés), la fecha y hora exacta, que se utilizará para almacenar los eventos de acceso del suscriptor.

Resta todavía la configuración propia del cable módem, la cual se lleva a cabo después de las solicitudes DHCP y TOD. El CMTS descarga al cable módem ciertos parámetros de operación vía el protocolo simple de transferencia de archivos (TFTP). Terminada esta descarga, el cable módem realiza un proceso de registro y, en el caso de utilizar la especificación DOCSIS de Privacidad de Línea Base (BP, por sus siglas en inglés) en la red, el cable módem deberá adquirir la información necesaria de la central y seguir los procedimientos para inicializar el servicio. BP es una especificación de DOCSIS 1.0 que permite el encriptado de los datos transmitidos a través de la red de acceso. El encriptado que utiliza BP sólo se lleva a cabo para la transmisión sobre la red, ya que la información es desencriptada al momento de llegar al cable módem o al CMTS. DOCSIS 1.1 integra a esta interfase de seguridad, especificaciones adicionales conocidas como Interfase Adicional de Privacidad de Línea Base (BPI+, por sus siglas en inglés), las cuales, entre otras cosas, definen un certificado digital para cada cable módem, que hace posible su autenticación por parte del CMTS. Más información sobre este conjunto de estándares puede encontrarse en las páginas de Internet de CableLabs http://www.cablemodem.com/Specs/SP-BPI-I03-010829.pdf y http://www.cablemodem.com/ Specs/BPI+_I07-010829.pdf.

Asumiendo que el proceso de inicialización se ha desarrollado satisfactoriamente, el cable módem está listo para utilizar la red como cualquier otro dispositivo Ethernet sobre los estándares de transmisión admitidos por DOCSIS (ver tablas 1 y 2).





La transmisión "downstream" permite modulación 64-QAM y 256-QAM sobre canales de 6 MHz de ancho de banda. En el esquema 64-QAM, la máxima tasa nominal de transferencia de datos que puede alcanzarse es de aproximadamente 27 Mbps. Se considera tasa nominal de transferencia de datos a la transmisión relacionada con la detección y corrección de errores, mientras que la tasa total de transferencia representa a la misma transmisión, pero sin tomar en cuenta los errores que se presentan. La tasa de transferencia de símbolos es otra medida relacionada a la transmisión de datos que representa el número de símbolos que pueden ser enviados. Debido a que un símbolo puede tener diferentes estados, éste estará formado por más de un bit, razón por la cual, la tasa de transferencia de símbolos es menor a la tasa de datos. Como podrá observarse, 64-QAM utiliza símbolos de 6 bits (2 6 =64) y, como consecuencia, su tasa de transferencia de símbolos será de aproximadamente 5 Msím /seg. En la modulación 256-QAM, 8 bits constituyen un símbolo, lo que representa una transmisión de aproximadamente 5.3 Msím/seg, equivalente a una tasa máxima total de transferencia de datos de 42.88 Mbps y una tasa nominal máxima de aproximadamente 38 Mbps.

En la transferencia "upstream", DOCSIS acepta dos formatos de modulación (QPSK y 16-QAM) y cinco diferentes tasas de transferencia de símbolos, relacionadas con el ancho de banda del canal que se ocupa. Para un canal de 0.2 MHz de ancho de banda, la tasa de transferencia de símbolos será de 160 ksím/seg, lo que representa una tasa nominal de datos para modulación QPSK de aproximadamente 0.3 Mbps y de 0.6 Mbps para 16-QAM. La tabla 2 muestra la información relacionada con las cuatro restantes tasas de transferencia de símbolos para la transferencia "upstream".

Las tablas 3 y 4 siguientes muestran algunas de las características de transmisión más relevantes, tanto para la dirección de transmisión "downstream" como para el "upstream". Los parámetros incluidos en estas tablas corresponden a la Especificación de Interfase de Radiofrecuencia de DOCSIS 1.0. La especificación de DOCSIS 1.1 es muy similar y la podrá encontrar en la página de Internet de CableLabs http://www.cablemodem.com/Specs/rfi_v1.1_I07-010829.pdf.





Ya se ha comentado que la transmisión "downstream" ocupa un canal de 6 MHz de ancho de banda dentro de un rango de frecuencias de 50 a 860 MHz, correspondiente al espectro "downstream" del cable. En términos de retraso para la transmisión en dirección al usuario, se considera aceptable un tiempo máximo de 0.8 ms para el tráfico entre la cabecera y el cable módem suscriptor más alejado. La relación portadora a ruido se refiere a la razón, expresada en decibeles, entre el nivel de la portadora de la señal y el nivel del ruido. DOCSIS indica que esta relación no deberá ser menor a 35 dB para la transmisión "downstream". Son también parámetros importantes para la transmisión en dirección al usuario la distorsión compuesta de segundo orden, el nivel de intermodulación y el nivel máximo de la portadora analógica de video a la entrada del cable módem.

La distorsión compuesta de segundo orden (CSO, por sus siglas en inglés) es una medida de la distorsión de segundo orden no deseable. Cuando se transmiten múltiples señales de RF a través de un componente no lineal de un sistema, como por ejemplo, un amplificador, aparecerán distorsiones no lineales. La distorsión de intermodulación es una forma de distorsión no lineal que se caracteriza por la aparición de frecuencias a la salida de un componente no lineal, equivalentes a la suma y resta de las frecuencias de las armónicas presentes en la entrada de dicho componente. Los productos más importantes de intermodulación de segundo orden están dados por A ± B, en donde A y B son dos frecuencias arbitrarias. Estos productos se localizan 1.25 MHz por arriba o por debajo de la portadora de video en el canal. Al conjunto de todos los productos de intermodulación de segundo orden que pueden presentarse en un determinado canal se le conoce como distorsión compuesta de segundo orden. Debido a que en una transmisión "downstream" los datos se envían en el mismo espectro en que se encuentran los canales de televisión, es importante cuidar que la distorsión compuesta de segundo orden no exceda ciertos límites. DOCSIS establece que esta forma de distorsión no lineal no deberá exceder ?50 dBc (por dBc entiéndase los decibeles relativos al nivel de la portadora).

Mientras que la intermodulación se refiere al surgimiento de nuevas frecuencias como resultado de la suma y la diferencia de las armónicas de la señal a través de un elemento no lineal, el nivel de modulación cruzada consiste en el nivel de intermodulación causado por la modulación de la portadora de la señal deseada, por una señal no deseada. DOCSIS establece que este nivel de intermodulación no deberá exceder ?40 dBc.

El nivel máximo de la portadora de video a la entrada del cable módem es de suma importancia debido a que ésta, al igual que los datos enviados por la central, ingresan al cable módem. Para no interferir con los datos que procesa este dispositivo del usuario, la portadora de video deberá mantener un nivel por debajo de 17dBmV, según la especificación DOCSIS. Otras características relevantes en la transmisión "download" podrá encontrarlas en la Especificación de Interfase de Radiofrecuencia de DOCSIS.

Para el "upstream", son características de transmisión importantes el rango de frecuencias que ocupa su espectro correspondiente (entre 5 y 42 MHz), la relación portadora a ruido que no deberá ser menor a 25 dB, y el retraso entre el cable módem más alejado y el CMTS o cable módem más cercano, que no podrá exceder 800 ms.

La instalación, conexión y configuración de la tecnología cable módem es quizás la parte más sencilla en la implementación de servicios de transmisión de datos de alta velocidad a través de una red de cable. La operación de estos servicios representa la parte más complicada, pues implica retos como el entrenamiento y capacitación del personal, la administración de la capacidad de la red y sus prácticas de mantenimiento, y la seguridad que una transmisión de datos exige. Una red en la que se planean ofrecer servicios de transmisión de datos deberá construirse bajo el esquema DOCSIS con el objeto de aprovechar todos los beneficios que el conjunto de estándares ofrece. La combinación DOCSIS - calidad en el servicio representa, hoy en día, la mejor forma de hacer llegar esta tecnología al mercado y consolidarse como un buen proveedor de servicios de transmisión de datos de alta velocidad.