Redes HFC: Docsis 4.0

 Luego del lanzamiento de la especificación DOCSUS 4.0 Los Operadores buscan la manera de implementar servicios Gbps, como el de 10 /6 Gbps

ANTECEDENTES

2016:  Huawei presentó D-CCAP con DOCSIS 3.1

Huawei ha presentado una demo con la tecnología DOCSIS 3.1 donde muestra su capacidad para la retransmisión de vídeo 4K a través de la red HFC (Fibra- coaxial), así como el aumento de la velocidad de Internet en redes de próxima generación como GPON/10GPON o DOCSIS 3.0 y 3.1.

Huawei mostró la facilidad de migración de un cliente de red de cable a red de fibra y  la herramienta de medición de la experiencia de usuario de vídeo uVMOS, desarrollada por Huawei.

La demanda de los clientes ha hecho necesaria una evolución de las redes que acerque cada vez más la fibra al hogar. En este sentido, la solución DOCSIS 3.1 de Huawei permite evolucionar las redes de cable de tal manera que cubran las necesidades de ultra banda ancha del consumidor final. Además, esta nueva solución permite a las redes de cable competir con las redes de fibra (FTTH).

En comparación con el estándar DOCSIS 3.0, la nueva versión aumenta la eficiencia en la transmisión de datos en un 50%, gracias al uso de técnicas mejoradas de transmisión de datos. Así, DOCSIS 3.1 permite velocidades  de hasta 2 Gbps en la subida de datos y 10 Gbps en descargas.

Huawei ha desarrollado una solución innovadora, denominada DCCAP o solución distribuida, que hace posible la coexistencia de las redes de cable y fibra (FTTH). La solución de cable D-CCAP de Huawei (soporta DOCSIS 3.0/3.1) proporciona banda ultra-ancha, siendo compatible el equipamiento actual de usuario. Por otro lado, permite la transformación digital de las redes tradicionales de cable (CMTS), reduciendo la tecnología analógica. Así, la arquitectura D-CCAP propuesta por Huawei permite coexistir redes de cable con redes FTTH en plataformas unificadas, lo que aumenta en gran medida la flexibilidad de las arquitecturas híbridas de fibra coaxial (HFC).

Huawei contribuye en la formulación y avance de los estándares industriales de las tecnologías de cable (DOCSIS), trabajando junto a la organización Cable Labs en el desarrollo de estándares de tecnologías de cable de próxima generación.


DOCSIS 3.1
Tiene como objetivo igualar al 10 GEPON
Para igualar la capacidad de 10 GEPon se requiere:
  - Incrementar el Downstream hasta 10 Gbps
  - Incrementar el Upstream hasta 1 Gbps
Para hacer esto es necesario:
-  Aumentar el ancho de banda de Downstream hasta 1 GHz
-  Aumentar el ancho de banda de Upstream hasta 200 MHz
-  Cambiar el Split del sistema de Subsplit a High Split
-  Aumentar el BW total del sistema hasta 1,2GHz o 1,5GHz
-  Usar esquemas de modulación mas eficientes Mayor cantidad de bits/seg por Hz: 4096 QAM (4K) -  Utilizar esquemas de transmisión mas robustos : OFDM
-  Aplicar mejores técnicas de corrección de errores

La incorporación de portadoras OFDM Docsis 3.1 requiere disponer de una porción mayor del espectro tanto para Downstream como para Upstream: Con Cambio del Split y Mayor ancho de banda llegando a 1200 MHz / 1700 MHz

La Transmisión en DOCSIS 3.1
Para obtener mayor eficiencia espectral Docsis 3.1 trabaja con modulaciones de mayor orden que son mas eficientes pero a la vez mas vulnerables al ruido e interferencia. Para mejorar la robustez se trabaja con OFDM y además se implementa  técnicas mas eficientes para la corrección de errores con LDPC ( Low Density Parity Code).

Docsis 3.1 abandona la canalización de 6MHz y 8 MHz para trabajar con técnicas OFDM en canales mas anchos. OFDM se basa en múltiples subportadoras ortogonales .

VENTAJAS DE OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 
- Múltiples sub-portadoras controladas independientemente y espaciadas 20KHz a 50KHz

- Mayor eficiencia espectral que channel bonding 

- LDPC permite operar en situaciones con peor relación señal a ruido (SNR)

- Permite romper con el ancho de canal de 6 MHz (TV analógica) y operar con canales de 192 MHz. 

- Fácil de implementar utilizando técnicas de transformada rápida de Fourier: FFT

a ) Multiples Sub-Portadoras
Cada portadora se controla independientemente
- Se enciendo o se apaga :  Evitamos operar en frecuencias altamente interferidas.
- Se ajusta independientemente el nivel: Permite operar al borde de la banda sobre el roll off
- Se ajusta el orden de modulación: Se adecua la modulación según la relacion S/N 

b) Mayor eficiencia espectral

Las subportadoras de OFDM se solapan entre si mejorando la eficiencia espectral comparada con el caso del channel bonding de varias SCQAM (Single Carrier QAM).

c) LDPC

LDPC ofrece una ganancia de aproximadamente 5 dB al operar con 256QAM. Permite acercarnos al máximo teórico impuesto por el Teorema de Shanon. 

d) Mayor Robustez

- En SCQAM los símbolos se envian secuencialmente con una tasa de bit elevada. 

       - Cada símbolo modula todo el canal = Suceptible ingress 

       - Periodo corto = Vulnerable frente al ruido impulsivo 

- En OFDM los simbolos se envian “en paralelo” trabajando sobre subportadoras individuales que operan a una menor tasa de bit.  

        - Subportadoras angostas = Robusto frente al “ingress”

        - Período largo = Robusto frente al “ruido impulsivo”

SNR:  La relación señal / Ruido

Comcast realizo estudios de la relación S/N de downstream sobre mas de 20 millones de CM.
- La relación S/N promedio resulto ser de 36 dB
- Docsis J.83 Annex B requiere 30dB para operar con modulación 256 QAM ( exigimos 33 dB)
- Esto responde a un esquema típico americano Nodo+5
- Con arquitecturas Nodo+0 se puede llegar a S/N de 40dB

- La modulación utilizada por Docsis 3.0 no permite aprovechar al máximo la capacidad disponible. 

- Docsis 3.1 implementa : 

     - Esquemas de modulación de mayor orden 

     -  Técnicas de corrección de error mas eficientes 

    -  Múltiples perfiles de modulación 

    -  Retrocompatibilidad con versiones anteriores 

ARQUITECTURA CCAP
La architectura CCAP ( Converged Cable Access Platform) de plataformas convergentes vino a integrar las plataforma independientes de CMTS,  Edge QAM,  OLT-GPON.

CCPA Remoto

Consiste en llevar una parte del CMTS al nodo óptico-eléctrico

 - El reemplazo de los laseres analógicos por digitales puede ayudar a mejorar la relación S/N y además  conseguir una redución de los costos.

 - Permite disminuir los  requerimientos de espacio y de energía dentro del  headend / hub.

 - La tecnológica permite la implementación de un canal de comunicaciones digital a partir del nodo 

Se pasa del CMTS integrado a 3  niveles de remotización : 

a)  Remote DAC/ADC : Solo lleva al nodo la conversión  analógica/digital y digital/analógica. Al digitalizar el vinculo headend-nodo mejora el MER y se dispone de mayor margen para incrementar el orden de modulación.

  

b) Remote PHY : Lleva al nodo toda la capa física de Docsis . También mejora el MER y se dispone de mayor margen para incrementar el orden de modulación.

c) Remote MAC : Además de la capa física lleva al nodo el control de acceso al medio. Según la version se ubica el upper layer MAC, la gestion y operaciones de nivel 3 en distintos lugares. 

Llevados al extremo los requerimientos de Docsis 3.1  obligaran a reconstruir nuestra red por el cambio del split  y el mayor ancho de banda exigidos.
- La principal limitación actual esta en la escasa capacidad de upstream que ofrece el split americano o subsplit. Aquellos que están operando con split europeo disponen de reserva adicional para poder operar hasta 8 Ch de upstream
- Aquellos que tienen una arquitectura nodo+0 podrán cambiar fácilmente el split y proteger su inversión:
         - Solo deberán cambiar los diplexores en el nodo
         - Los TX & RX de retorno normalmente operan hasta 200MHz
         - Los TX de retorno de tipo FP deberán cambiarse por DFB ya  que los FP son muy alineales y no soportan la carga de señales.
- Cuando la arquitectura de red tenga nodos muy grandes resultará necesario segmentar el nodo y también cambiar los activos. Se puede cambiar el split y llevar el ancho de banda a 1 o 1,2 GHz.
- En casos de un requerir upgrade importante o tener que reconstruir también debería evaluarse la alternativa de EPoC ( EPON over coax)

FIBER DEEP
En architectura de fibra profunda es posible utilizar segun las velocidad requeridas:
- Coaxial en ultima milla    DOCSI 3.1 con 5 Gbps / 1 Gbps por area  de servicio
- Coaxial en ultima milla    EPoC+DPoE con 5 Gbps / 1 Gbps por area  de servicio

- Fibra  en ultima milla    EPON+DPoE con 10 Gbps / 10 Gbps por area  de servicio

DPoE = DOCSIS Provisioning of EPON  y IEEE P1904.1 (SIEPON)


ANTECEDENTES

EVOLUCION DOCSIS

DOCSIS 3.0
Tiene como objetivo igualar la capaidad del GEPON con
- Bonding de 32 CH en Downstream. Ancho de bada ocupado=192 Mhz
- Capacidad de Downstream Modulación 256QAM .    32 x 42 Mbps =1344 Mbps
- Bonding de 4 CH en Upstream (Split USA) Ancho de banda ocupado ->24 Mhz (18-42 MHz)
- Bonding de 8 CH en Upstream (Split Europeo) Ancho de banda ocupado -> 48 MHz (17-65 Mhz)
 - Capacidad de Upstream     Modulación 64 QAM
         - 4 x 30 Mbps = 120 Mbps
        - 8 x 30 Mbps = 240 Mbps
Conclusiones:
Alcanza la capacidad de downstream de GEPON pero se comparte entre mas de 32 usuarios
La capacidad de upstream queda limitada por el Split.  El Split europeo duplica la capacidad disponible Relación de asimetría 5:1

Situación actual con Docsis 3.0
 - Downstream = Bonding 4 a 8 CH
 - Upstream     = Bonding 2 a 4 CH
Futuro cercano con Docsis 3.0:
- Downstream = Bonding 4 a 24 CH (máximo 32 CH)
- Upstream     = Bonding 4 a 8 CH (8 CH con split 65MHz)

ANTECEDENTES

Harmonic  líder mundial en infraestructura de distribución de vídeo, anunció en Enero 2014  NSG™ Exo, un dispositivo que habilita la implementación de una arquitectura de acceso distribuido (DAA - Distributed Access Architecture) por medio de redes coaxiales. NSG Exo, un sistema de plataforma de acceso de cable convergente (CCAP - Converged Cable Access Platform) distribuido, permite a los proveedores de servicios trasladar sus requisitos de distribución de RF de la cabecera o el núcleo para integrarlos más en la red, simplificando el diseño y la operación de la red para solucionar las limitaciones de alimentación y espacio, ofrecer flexibilidad en el servicio y reducir los gastos operativos y de capital.

NSG Exo es uno de los primeros productos del sector compatible con una arquitectura DAA. Este sistema preparado para CCAP, que admite las normas del sector, incluye las especificaciones DOCSIS/ EuroDOCSIS/J-DOCSIS CMTS y en breve incorporará también la capacidad edgeQAM universal.

Gracias al suministro de servicios de vídeo, datos y voz (triple play) a través de redes coaxiales mediante un solo dispositivo de bajo consumo, NSG Exo ayuda a los proveedores de servicios de cable y telecomunicaciones, y a los empresarios, a generar oportunidades de ingresos adicionales al acceder a una base de clientes aún sin explorar, como pueden ser los complejos residenciales, hoteles y campus universitarios.

“NSG Exo es el primer CMTS de Harmonic disponible en el mercado y es nuestra primera incursión en el mercado de DAA”, afirma Nimrod Ben-Natan, vicepresidente principal y director general de la unidad de negocios de extremo de cable en Harmonic.
 “NSG Exo complementa nuestra plataforma NSG Pro CCAP al ofrecer un nivel superior de flexibilidad, rendimiento de RF y ahorro de ancho de banda para implementaciones de fibra extensas, lo que sitúa a Harmonic como el principal proveedor del sector con una cartera de productos de extremo de cable que incluye soluciones de CCAP centralizadas y distribuidas. Los productos NSG, NSG Pro y NSG Exo de Harmonic se basan en el sistema operativo común CableOS de la empresa".

Al utilizar redes GigE, GPON o EPON, NSG Exo ofrece un rendimiento excepcional en el suministro de servicios de ancho de banda elevado a zonas densas de la infraestructura coaxial. Se obtienen importantes ahorros de gastos de capital, ya que ahora los operadores pueden usar un solo dispositivo para implementar servicios triple play de gran calidad a alta velocidad. El NSG Exo compacto reduce al mínimo los requisitos de espacio y alimentación en la cabecera. Su bajo consumo energético de tan solo 45 vatios permite un importante ahorro de costes operativos. Componente de una arquitectura de extremo flexible, en la que una red de acceso unificado simplificada permite a los operadores ofrecer servicios residenciales, comerciales e inalámbricos diferenciados en cualquier medio de acceso, el NSG Exo también permite seguir el ritmo de los requisitos empresariales y del sector en constante evolución, como la transición a DOCSIS 3.1.

NSG Exo puede integrarse con facilidad en la red del operador aprovechando el aprovisionamiento de back-office DOCSIS y los módems de cable DOCSIS. En principio, NSG Exo está disponible en un bastidor para interiores, en formato de chasis de 19 pulgadas con 1 unidad de rack (RU).