Arquitectura de Acceso a Internet xDSL: Motivación y Fundamentos

La tecnología xDSL es un conjunto de soluciones que permiten aprovechar la capacidad de transmisión de los pares de cobre, extendiendo su uso más allá del servicio telefónico convencional para proporcionar acceso a Internet y a otros servicios de banda ancha.

Motivación Principal de la Arquitectura xDSL

El surgimiento de la arquitectura xDSL en los años 80 y 90 del siglo pasado se debió a dos factores importantes:

• Interés de los operadores telefónicos: La necesidad de aumentar los ingresos mediante la oferta de nuevos servicios de valor añadido.
• Desarrollo tecnológico: Avances significativos en procesadores de señales digitales integrados, así como la creación de nuevos códigos de línea y técnicas de modulación que permitieron mayores velocidades sobre el cableado existente.

Factores Limitantes de las Tecnologías xDSL

Aunque hoy en día existen diversas formas de conexión a Internet, tradicionalmente, el uso de módems individuales sobre líneas telefónicas analógicas presentaba una limitación crucial: no podían alcanzar las velocidades de una Red de Área Local (LAN), que oscilan entre 10 y 100 Mbps. Esta restricción impulsó la búsqueda de soluciones más eficientes.

Para superar estas limitaciones y satisfacer diferentes niveles de necesidades de ancho de banda, surgieron las tecnologías xDSL. Estas incluyen variantes como IDSL, ADSL, VDSL, HDSL, SDSL, entre otras, que en conjunto proveen un gran ancho de banda, facilitando el flujo de información tanto simétrico como asimétrico a alta velocidad.

VDSL2: Características y Evolución de Tecnologías xDSL

Tecnología VDSL: Precursora de Alta Velocidad

También conocida como BDSL o VADSL, la tecnología VDSL (Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line) se posicionó como la más rápida de las tecnologías xDSL en su momento. Ofrecía velocidades en sentido red-usuario (descendente) dentro del rango de 13-52 Mbps y en sentido usuario-red (ascendente) de 1.5-2.3 Mbps, todo ello sobre un único par de cobre. VDSL fue considerada una buena alternativa a la fibra óptica en el hogar. Sin embargo, su principal limitación era la distancia máxima, que para esta tecnología asimétrica era de tan solo 1.5 km. A pesar de esto, VDSL, además de soportar las mismas aplicaciones que ADSL, proporcionaba un mayor ancho de banda, lo que permitía a los proveedores de servicio de red ofrecer televisión de alta definición (HDTV), video bajo demanda y video digital conmutado, así como servicios en redes LAN.

VDSL2: Superando las Limitaciones Anteriores

VDSL2 fue concebida para cubrir las limitaciones de VDSL (especialmente su corto alcance) y para ofrecer una alternativa a la migración costosa de ADSL2+. Por ello, puede considerarse una evolución directa de VDSL y ADSL2+. VDSL2 es capaz de proveer, mediante diferentes perfiles de configuración, tanto servicio simétrico como asimétrico.

Además, VDSL2 proporciona una mayor velocidad, pudiendo alcanzar hasta 100 Mbps de descarga en bucles de menos de 300 metros, y al menos 25 Mbps en bucles de menos de 1 km. También permite compartir el espectro de frecuencias con el servicio telefónico convencional analógico o digital (RDSI – Red Digital de Servicios Integrados).

Diferencias entre PPPoA y PPPoE en la Arquitectura xDSL

En la arquitectura xDSL, la gestión de la conexión y la autenticación de usuarios se realiza a menudo mediante protocolos de punto a punto encapsulados. Los dos más comunes son PPPoE y PPPoA, que difieren en la capa de enlace sobre la que operan.

PPPoE (Point-to-Point Protocol over Ethernet)

PPPoE, que significa «Protocolo de Punto a Punto sobre Ethernet», permite encapsular tramas PPP dentro de tramas Ethernet. Esto posibilita la transferencia de paquetes de datos entre dispositivos conectados a través de una red Ethernet, facilitando la autenticación y la gestión de sesiones de usuario sobre conexiones de banda ancha.

PPPoA (Point-to-Point Protocol over ATM)

PPPoA, o «Protocolo de Punto a Punto sobre ATM», cumple una función similar a PPPoE, pero en lugar de operar sobre una capa Ethernet, lo hace sobre una capa ATM (Modo de Transferencia Asíncrono). Es decir, encapsula tramas PPP dentro de celdas ATM, siendo una opción común en las primeras implementaciones de ADSL.

Canales Ascendente y Descendente en Tecnologías PON

Una Red Óptica Pasiva (PON) es una infraestructura de fibra óptica que permite la transmisión de datos a alta velocidad. Está formada por varios componentes clave:

Componentes Clave de una Red PON

• Un módulo OLT (Optical Line Terminal), ubicado en el nodo central del proveedor de servicios.
• Un divisor óptico (Splitter), un componente pasivo que distribuye la señal óptica.
• Varias ONUs (Optical Network Unit) u ONTs (Optical Network Terminal), que se encuentran en el domicilio del usuario.

Funcionamiento de los Canales en PON

En las redes PON, la comunicación se establece a través de dos canales principales, que utilizan diferentes mecanismos para evitar interferencias y optimizar el uso de la fibra:

Canal Descendente (Downstream)

Por el canal descendente, los datos viajan desde el OLT hacia el Splitter, donde la señal óptica se divide y se dirige a la ONU u ONT de cada usuario correspondiente. En este procedimiento, la información se transmite en modo de radiodifusión (broadcast), es decir, la misma señal llega a todas las ONUs/ONTs, siendo cada una responsable de filtrar la información destinada a ella.

Canal Ascendente (Upstream)

Por el canal ascendente, la ONU u ONT del usuario envía la información al OLT. Para evitar colisiones, ya que múltiples ONUs/ONTs comparten la misma fibra hacia el OLT, se utiliza la multiplexación por división de tiempo (TDMA – Time Division Multiple Access). El OLT asigna «ventanas de tiempo» específicas a cada ONU/ONT para que transmitan su información, controlando así el momento en que se cursa dicha información.

Para que no se produzcan interferencias entre ambos canales (al utilizarse una única fibra óptica para llegar a cada cliente), se emplea la tecnología WDM (Wavelength Division Multiplexing). Esta permite el uso de diferentes longitudes de onda sobre la misma fibra óptica para generar canales de información distintos y simultáneos (una longitud de onda para el downstream y otra para el upstream).

En resumen, una Red PON trabaja en un modelo punto-a-multipunto, donde el OLT se comunica con las ONUs/ONTs a través del Splitter, que actúa como un elemento pasivo de distribución y combinación de señales ópticas.

Arquitectura Básica de Redes GPON

El enlace en una conexión GPON (Red Óptica Pasiva con Capacidad Gigabit) se establece mediante dos dispositivos principales: el OLT (Optical Line Terminal), que se encuentra en la central de la operadora telefónica, y el ONT (Optical Network Terminal), que se instala en el domicilio del usuario. Es importante mencionar que al ONT también se le puede denominar ONU (Optical Network Unit).

Entre el OLT y los ONTs, es necesario colocar divisores de fibra, conocidos como splitters. Estos son elementos pasivos, lo que significa que su función se limita a agrupar o desagregar las diferentes fibras ópticas sin amplificar ni modificar la señal. La fibra que sale del OLT se va dividiendo a través de splitters de primer nivel en nuevas redes de fibra. A su vez, estas fibras pueden subdividirse en más fibras mediante splitters de segundo nivel, y así sucesivamente, hasta llegar al punto de conexión final en el ONT del abonado (ya sea en una casa o empresa).

El despliegue de este tipo de red es altamente rentable, ya que un único OLT de una operadora puede dar servicio a un gran número de ONTs simultáneamente, típicamente hasta 64 ONTs, optimizando la infraestructura y los costos.

Encapsulado de Tramas GPON en el Enlace Descendente (Downstream)

Una trama descendente (downstream) en GPON está estructurada para transportar eficientemente los datos desde el OLT hacia las ONUs/ONTs. Se compone principalmente de una cabecera y una carga útil:

Estructura de una Trama Downstream GPON

Cabecera (PCBd: Physical Control Block Downstream)

• Contiene, entre otros campos, un «mapa» del ancho de banda que el OLT utiliza para asignar dinámicamente «ventanas» de transmisión a las ONU/ONT en el canal ascendente.
• Cada «ventana» de transmisión se especifica mediante su instante de inicio y su duración.

Carga Útil (Payload)

La carga útil de la trama GPON puede transportar diferentes tipos de tráfico:

• Celdas ATM: Para el encapsulado de tráfico ATM (Asynchronous Transfer Mode).
• Tráfico TDM (Time Division Multiplexing): Por ejemplo, voz.
• Paquetes de tamaño variable: Como tramas Ethernet o paquetes IP, utilizando el encapsulado GEM.

El encapsulado GEM (GPON Encapsulation Method) es fundamental en redes GPON, ya que permite transportar de manera flexible tráfico TDM (como voz) y paquetes de tamaño variable (como tramas Ethernet).

Detalle de la Cabecera GEM

La cabecera GEM, que precede a la carga útil encapsulada, contiene cuatro campos y tiene una longitud de cinco octetos:

• PLI (Payload Length Indicator): Indicador de la longitud de la carga útil en octetos (bytes), con un máximo de 4096 B. GEM permite la fragmentación de datos.
• Port ID (Port Identifier): Identificador del puerto, que indica la fuente de los datos.
• PTI (Payload Type Identifier): Identificador del tipo de carga útil, especificando el tipo de datos transportados.
• HEC (Header Error Control): Campo para la detección y corrección de errores en la propia cabecera GEM.

Asignación Dinámica de Ancho de Banda (DBA) en Redes GPON

GPON implementa un mecanismo de asignación dinámica de ancho de banda (DBA: Dynamic Bandwidth Allocation) para optimizar el uso de la capacidad del canal ascendente. El OLT es el encargado de gestionar y asignar los turnos de transmisión a las diferentes ONUs/ONTs conectadas.

Modos de Funcionamiento de DBA

Existen dos modos principales de funcionamiento para la asignación dinámica de ancho de banda:

SR (Status Reporting)

En este modo, las ONTs envían tramas ascendentes (upstream) que contienen información detallada sobre sus necesidades de transmisión, es decir, el estado de sus T-CONTs (Transmission Containers). Para ello, se emplea el campo «Dynamic Bandwidth Report». Posteriormente, el OLT procesa esta información y notifica en tramas descendentes (downstream) la asignación de recursos a cada T-CONT de cada ONT, garantizando una distribución eficiente y justa del ancho de banda.

NSR (Non Status Reporting)

A diferencia del modo SR, en NSR las ONTs no envían tramas ascendentes con información explícita sobre sus necesidades de transmisión. En su lugar, el OLT estima las necesidades de ancho de banda de cada T-CONT basándose en su uso histórico y patrones de tráfico anteriores. Este modo es útil en escenarios donde la sobrecarga de señalización debe minimizarse.

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