Arquitectura HFC 

É uma rede de telecomunicações em meio confinado, que combina fibra óptica e cabo coaxial como suportes para a transmissão de sinais. Embora existam redes diferentes da HFC, com tecnologias que são modificações das tecnologias para LANs, a difusão muito maior daqueles tipos de rede a cabo levou a que o par HFC+cable modem dominasse totalmente o cenário, de tal forma que ambos os termos são hoje usados na literatura como se fossem sinônimos, para referência à própria tecnologia.

Arquitetura rede HFC 

O Cabo Coaxial e a Fibra Óptica 

O cabo coaxial é como o par trançado de cobre, um cabo que conduz energia sob a forma de corrente elétrica. Diferentemente do par trançado, a simetria do cabo coaxial faz com que o campo eletromagnético fique totalmente confinado entre o conduto interno e a malha

externa, resultando em irradiação teoricamente nula. Isso resulta,na prática, no fato de que o cabo coaxial pode transportar os mesmos sinais que o par trançado a distâncias muito maiores, ou, de forma equivalente, pode transportar sinais de freqüência muito mais alta cobrindo as mesmas distâncias.

Na prática, no entanto, em decorrência de imperfeições de sua geometria, o cabo coaxial irradia pequena fração da energia do sinal que por ele trafega. Ao contrário do par trançado, ele não é um bom irradiador, embora também irradie e, conseqüentemente, receba sinais. Isso faz com que cabo coaxial, apesar de menos suscetível a interferências, não seja imune a elas.  Essa falta de imunidade representa um inconveniente nas redes HFC, particularmente nos canais de upstream. 

Partes da Rede HFC 

A rede HFC se compõe basicamente de quatro partes claramente diferenciadas: a cabeceira (ou headend), a rede tronco, a rede de distribuição e a rede de usuários. 

Headend 

O headend é o centro de onde se governa todo o sistema. Sua complexidade depende dosserviços suportados pela rede. Por exemplo, para um serviço básico de distribuição de sinaisunidirecionais de televisão (analógicos e digitais), o headend apresenta uma série de equipa-mentos de recepção de televisão terrestre, via satélite e por microondas, assim como de enlacescom outros headends ou estúdios de produção. Os sinais analógicos são transmitidos multi-plexados em freqüência. Os sinais digitais de vídeo, áudio e dados que formam os canais detelevisão digital são multiplexados. 

Uma vez aplicado o código corretor de erros e realizadoo entrelaçamento de bits, utiliza-se um modulador QAM para transmitir a informação até oequipamento do assinante (encabeçado por uma set-top-box, como no ADSL). O headend é também encarregado de monitorar a rede e supervisionar seu funcionamento. O monitoramento está se tornando um requisito básico das redes de cabo, em virtude da atual complexidade das novas arquiteturas e da sofisticação de novos serviços, que exigem da rede confiabilidade muito alta. No headend se realiza todo o tipo de tarifação e controle dos serviços prestadosaos assinantes. 

Headend Net Virtua Rio de Janeiro 

 

A Rede tronco 

A rede tronco pode apresentar estrutura em forma de anéis redundantes de fibra óptica que unem um conjunto de nós primários. Os nós primários alimentam outros nós, ditos secundários,através de outras estruturas em anel ou em barramento, ainda por fibras ópticas. Nos nós secundários, os sinais ópticos são convertidos em sinais elétricos e são distribuídos para os assinantes por meio de cabos coaxiais, pela rede de distribuição. Cada nó secundário serve a algumas centenas de lugares (500 é um tamanho habitual para redes HFC). No enlace,são dispostos em cascata 2 ou 3 amplificadores de banda larga. Com isso, se consegue bom nível de ruído e distorção no canal descendente. 

Características 

• Transmissão bidireccional • Distância máxima de 160Km entre o CMTS (Cable Modem Termination System, Head end) e o Cable modem mais distante (distância padrão 16 a 20Km). • Cada nó de fibra (célula) pode servir entre 500 a 2000 utilizadores, dependendo da largura de banda disponibilizada a cada um. 

Arquitetura genérica de uma rede HFC 

 

Estrutura das normas DOCSIS 

• 11 documentos, disponíveis em DOCSIS 2.0 • Principais componentes: – Interface de modem de cabo - CMCI – Interface de retorno telefônico - CMTRI – Interface rede-cabo CMTS-NSI – Interface de rádio RF – Interface de privacidade BRI (Baseline Privacy Interface) – Interface de Suporte de Operações - Interfaces de gestão entre os elementos da rede e de gestão de alto nível 

• Portocolos considerados nas normas DOCSIS – Camada de rede (IP) – Camada de ligação de dados Subcamada LLC (Logic Link Layer), norma IEEE 802.2 Subcamada de segurança, Privacidade, autenticação e autorização Subcamada MAC, PDUs de comprimento variável – Camada física Uptream/Downstream Transmission convergence Physical Media Dependent 

• Download (Capacidade total e excluindo overhead) – DOCSIS 1.x - 42.88Mbit/s (38Mbit/s) *EuroDOCSIS 2 55.62 Mbit/s (50Mbit/s) – DOCSIS 2 - 42.88Mbit/s (38Mbit/s) *EuroDOCSIS 3 55.62 Mbit/s (50Mbit/s) – DOCSIS 3 - m × 42.88Mbit/s (38Mbit/s) [m, n´umero de canais agregados) *EuroDOCSIS 4 m × 55.62 Mbit/s (50Mbit/s) *m=4, EuroDOCIS 222.48Mbit/s (200Mbit/s) *m=8, EuroDOCIS 444.96Mbit/s (400Mbit/s) *(...) m=20, EuroDOCIS 1 Gbit/s... 

Taxa de transmissão – Protocolo DOCSIS/EuroDOCSIS 

Devido ao overhead causado pelos vários protocolos utilizados na transferência das informações, é diminuída a taxa de transferência teórica, pois a codificação para correção de erros, o esquema de modulação e o protocolo MPEG, além dos cabeçalhos DOCSIS e Ethernet. 

DOCSIS 3.0 – Channel bonding 

A versão 3.0 do DOCSIS permite a utilização de 4 ou mais canais agregados para a transferência de dados. Embora a especificação não determine um número máximo de canais que podem ser agregados, existe um limite prático, além do fluxo de downstream, o meio físico também necessita transportar os canais analógicos e os digitais. 

Recentemente a Cisco realizou um teste onde alcançou quase 1.6 Gbps, utilizando seu novo CMTS, que suporta agregar até 72 canais no fluxo de downstream e 60 canais no de upstream. 

Além da falta de espectro disponível na rede HFC, outro fator que limita o número de canais que podem ser agregados pelas operadoras é a falta de cable modems que suportem mais de 8 canais agregado. No teste da Cisco, foram utilizados protótipos de cable modems que suportam 16 canais agregados no fluxo de downstream e 4 canais no de upstream. Mesmo assim, foram utilizados três destes protótipos para realizar o teste com 48 canais agregados. É tecnologicamente possível produzir cable modems que agreguem 72 canais ou mais, mas o custo é alto. 

Através do uso de Channel bonding empresas brasileiras já conseguem comercializar a velocidade de 100Mbps, utilizando CMTS Cisco uBR 10012 e Cable modem Cisco DPC300 que suporta 4 canais agregados (downstream e upstream), o que fornece uma taxa de transferência máxima praticável de 152 Mbps. 

Equipamentos externos em uma Rede HFC 

Feeder: cabo coaxial, pertencente ao segmento secundário de uma rede HFC, que inicia no nó óptico e estende-se por toda uma determinada área. O comprimento do feeder depende da arquitetura da rede, podendo alcançar até 3 Km. Devido o cabo coaxial sofrer mais retração ou expansão térmica do que o cabo de aço, é necessário criar pontos de expansão nos feeders, junto a cada poste. 

Pontos de expansão 

Tap: é utilizado para distribuir ou combinar os sinais de RF (Radio Frequency). O sinal de upstream originado no cliente é combinado aos outros sinais de RF passando pelo tap. Os taps são instalados ao longo do feeder, em locais onde existam residências ou empresas, para possibilitar a conexão dos drops que atenderão aos clientes. 

Tap 

 

Drop: é o cabo coaxial, ligado ao tap, que leva o sinal até o cliente. Normalmente, seu comprimento é menor que 200 metros. 

Amplificador: devido às altas frequências utilizadas na rede HFC, o sinal sofre atenuação ao propagar-se pelo cabo coaxial. Por este motivo se faz necessária utilização de amplificadores nos feeders em intervalos regulares. 

A amplificação é bidirecional, atuando tanto no sinal de*downstream*quanto no de*upstream. Os fatores que definem o número de amplificadores e a distância entre eles são os seguintes: * *Frequência máxima do sistema, em Mhz ou Ghz; *Tipo de cabo coaxial sendo utilizado e seu tamanho; *Atenuação (em dB) por metro de cabo, operando na frequência máxima; *Ganho operacional do amplificador (também em dB), operando na frequência máxima. 

Amplificadores 

Trunk: em uma rede HFC, a parte principal do segmento de distribuição é composta por cabos de fibra óptica, que transportam o sinal originado no headend até os nós ópticos, que por sua vez distribuem o sinal através dos feeders. Estes cabos de fibra óptica são denominados trunks, e interligam os CMTS’s aos vários nós ópticos distribuídos por uma determinada região através de uma topologia em anel. Existem referências que afirmam ser em estrela a topologia deste segmento óptico da rede HFC, o que também é possível. 

Trunk 

Tipos de anéís 

Nó óptico: é o equipamento responsável pela distribuição do sinal recebido do CMTS através dos trunks. São posicionados próximos às áreas que devem atender de onde se propagam os feeders que efetivamente cobrirão a área designada. 

Fonte de alimentação: equipamento que converte a voltagem da rede comercial para uma voltagem menor – tipicamente 60 ou 90 V, sendo esta última predominante – multiplexando-a com os sinais de RF e injetando o sinal resultante em um cabo coaxial que alimentará os elementos ativos da rede (nós ópticos e amplificadores). A corrente pode situar-se entre 10 e 15 A ou mesmo 40 A, dependendo da quantidade de elementos sendo alimentados. Cada fonte pode alimentar um grupo de dez a vinte elementos, e conta com baterias recarregáveis para alimentá-los em caso de falta de energia elétrica, por um período de 2 a 8 horas (dependendo da quantidade de baterias instaladas). Na figura abaixo é mostrada uma fonte de alimentação da NET, onde pode ser visto o armário metálico que armazena os circuitos lógicos e as baterias. 

 

CMTS: localizado no headend, o*Cable Modem Termination System*é um conjunto de dispositivos com funções específicas que se complementam na tarefa de gerar, processar, transmitir e receber dados e de gerenciar sua transmissão através da rede DOCSIS. Dependendo da arquitetura de CMTS utilizada, estes dispositivos encontram-se integrados em um mesmo chassis*(Integrated CMTS) ou como equipamentos separados (Modular CMTS). O CMTS refere-se ao conjunto de dispositivos que controlam a rede DOCSIS. 

Uma das funções do CMTS é rotear os pacotes IP do cliente para a Internet (ou para a rede IP da operadora) e vice-versa. Por este motivo possui uma ou mais interfaces ethernet (1Gb ou 10Gb)

ligadas à rede IP da operadora, e uma interface RF *ligada à rede HFC. 

Os pacotes IP originados no cliente chegam ao CMTS através de frames ethernet encapsulados em frames DOCSIS. O CMTS então extrai os pacotes IP dos frames*e efetua o roteamento adequado: se forem dados do usuário, eles são encaminhados até um roteador de borda que atua como gateway para a Internet; se forem de telefonia (via PacketCable), são encaminhados aos equipamentos que controlam a rede PacketCable. Se a ligação telefônica efetuada for para a rede de telefonia convencional, então um dos equipamentos que operam a rede PacketCable efetua a devida conversão e roteamento. 

Outra função do CMTS é gerenciar a transmissão de dados na rede DOCSIS através do controle dos cable modems ou EMTAs. O CMTS lida apenas com a transmissão de dados na rede HFC, através da especificação (ou protocolo) DOCSIS. A transmissão de canais de TV não é gerenciada pelo CMTS. Apenas o tráfego de dados de e para a Internet e de telefonia são responsabilidades do CMTS: é ele que define qual*cable modem*(ou EMTA) poderá transmitir seus dados. 

Funções do CMTS: 

*Fornecer ao EMTA as políticas de QoS necessárias; *Alocar largura de banda de acordo com as requisições do EMTA e das políticas de QoS; *Classificar cada pacote recebido da rede DOCSIS e atribuí-lo à um determinado nível de QoS baseado em filtros previamente configurados; *Analisar o campo ToS dos pacotes IP recebidos da rede DOCSIS e definir as configurações no ToS de acordo com as políticas da rede IP; *Alterar o ToS dos pacotes IP sendo enviados ao EMTA, de acordo com as políticas de QoS; *Efetuar traffic shaping e policiamento de acordo com as políticas de QoS; *Direcionar os pacotes enviados ao EMTA utilizando as devidas políticas de QoS ; *Direcionar os pacotes recebidos do EMTA para a rede IP utilizando as devidas políticas de QoS; *Manter o estado para os fluxos ativos. 

CMTS Foto 1 

 

CMTS Foto 2 

 

Cable modem: é o equipamento responsável por transformar o sinal de RF originado no CMTS em pacotes IP para o cliente e vice-versa. No sentido de downstream, o cable modem*demodula os sinais de RF recebidos pela rede HFC e extrai os pacotes IP encapsulados em frames MPEG-TS, enviando-os para a interface ethernet. No sentido de*upstream, encapsula os frames ethernet em frames DOCSIS, modulando-os e enviando-os para a interface RF. 

Exemplo de Cable Modem 

 

EMTA: sigla de Embedded Multimedia Terminal Adapter, este equipamento é um cable modem com um adaptador multimídia embutido, que utiliza o protocolo PacketCable para transmitir o sinal de voz sobre a rede HFC. 

Os equipamentos acima citados realizam a mesma tarefa: enviar dados do usuário para o headend e vice-versa. A única diferença é que o EMTA também transporta sinais telefônicos. 

OBS:Um fato muito importante a ser dito sobre as taxas de transmissão em uma rede DOCSIS (utilizando agregação de canais ou não) é que elas não são dedicadas a cada assinante, mas a cada nó óptico ou área de cobertura: isto significa que a taxa de transmissão é dividida por todos os assinantes atendidos por um determinado nó óptico. O marketing de algumas operadoras (senão todas) sugere que cada usuário poderá usufruir da taxa de transmissão (ou "velocidade") máxima, o que não é verdade. Embora seja tecnicamente possível atribuir a taxa de transferência máxima para apenas um determinado cliente, em prática a ideia não faz o menor sentido, uma vez que a arquitetura da rede HFC é projetada para atender um número "x" de clientes, que rateiam o

custo da infra-estrutura. 

Atualização 09/07/2012 

Hubs de distribuição — O hub é o ponto de interconexão entre a rede regional de fibra óptica e a rede HFC . Atende de 20.000 a 40.000 domicílios em um anel de fibra. No hub , o CMTS concentra os dados provenientes de uma WAN e modula os sinais digitais para transmissão através dos enlaces de fibra óptica da rede HFC. O CMTS oferece um canal dedicado de downstream de 27 Mbit/s e a largura de banda de upstream varia entre 2 e 10 Mbit/s por nó de distribuição. 

Valores de referência de sinal no cable modem (SNR, RX, TX) 

Atente para os valores do modem: 

***SNR (Signal-to-noise ratio ) - de 33dB para cima, não existe um valor máximo ideal mas não deve ser muito mais de 40. 

******RX (Sinal no download) (Received Signal Strength/Power level) - Ideal seria 0dBmV mas o valor aceitável ronda os -10dBmV e os +10dBmV 

***TX (Sinal no Upload) (Power Level) - Entre 35dBmV a 55dBmV, tal como o RX quanto mais no meio estiver o valor melhor, isto porque caso existam oscilações o Modem não perderá o registo. 

Atualização 11/07/2012 

Cabo Coaxial 

Um dos primeiros tipos de cabos usados em rede, utilizado mais em redes de pequeno porte. Possui uma impedância que é medida em ohms (Ω) as redes Ethernet (próximo capítulo) utilizam cabos coaxiais de 50 ohms. Apesar de parecido com o cabo coaxial utilizado em antenas de televisão possuem impedâncias diferentes. O cabo utilizado em antenas é de 75 Ω, não sendo possível utilizar um no outro. 

O taxa de transferência máxima do cabo coaxial é de 10 Mbps, muito inferior em comparação com o par trançado que já operam a 100 Mbps. 

Vantagens do cabo coaxial: 

• Sua blindagem permite que o cabo seja longo o suficiente. • Melhor imunidade contra ruídos e contra atenuação do sinal que o par trançado sem blindagem. • Baixo custo em relação ao par trançado. 

Desvantagens do cabo coaxial : 

• Por não ser flexível o suficiente, quebra e apresenta mau contato com facilidade, além de ser difícil a instalação em conduítes. • Utilizado em topologia linear, caso o cabo quebre ou apresente mau contato, toda a rede trava. • Em lugares com instalação elétrica precária ou mal organizada, ao fazer a instalação ou manutenção dá muito choque. • Vedada a utilização em redes de grande porte. 

Tipos de cabo Coaxial 

Coaxial Fino (10base2) 

Este tipo de cabo coaxial é o mais utilizado. 

É chamado “fino” porque a seu diâmetro do cabo é menor que o cabo coaxial grosso. 

“10” significa taxa de transferência de 10 Mbps e “2” a extensão máxima de cada segmento de rede. 

Características do cabo coaxial fino: 

*Utilizam a especificação RG-58 A/U; *Cada segmento de rede pode ter, no máximo, 185 metros; *Cada segmento pode ter, no máximo, 30 nós; *Distância mínima de 0,5 metros entre cada nó da rede; *Utilizado com conector BNC 

Cabo Coaxial 10base2 

 

Conectores e Terminador 

 

Coaxial Grosso (10base5) 

Este tipo de cabo coaxial é pouco utilizado. É também chamado “Thick Ethernet”ou 10base5. 

Analogamente ao 10base2, 10base5 significa 10 Mbps de taxa de tranferência e cada segmento da rede pode ter até 500 metros de comprimento. 

É conectado à placa de rede através de um transceiver. 

Características e funcionamento 

Em redes locais, o cabo é utilizado fazendo uma divisão da banda em dois canais ou caminhos : 

*caminho de transmissão ( Inbound); 

*caminho de recepção (Outbound). 

As principais características de redes locais com cabo coaxial de banda larga são as seguintes : 

*aplicação em redes locais com integração de serviços de dados, voz e imagens; 

*redes locais de automação de escritórios com integração de serviços. 

Uma diferença fundamental entre os cabos coaxiais de banda base e banda larga é que sistemas em banda larga necessitam de amplificadores analógicos para amplificar periodicamente o sinal. Esses amplificadores só transmitem o sinal em um sentido; assim, um computador enviando um pacote não será capaz de alcançar os computadores a montante dele, se houver um amplificador entre eles. Para contornar este problema, foram desenvolvidos dois tipos de sistemas em banda larga : com cabo duplo e com cabo único. 

Atualização 28/07/2012 

Intel apresenta cable modem com 1Gb/s de velocidade 

A Intel em Maio deste ano (2012), apresentou um cable modem que alcançou a velocidade de 1Gb/s em DOCSIS 3.0. Usando o sistema Intel Puma 6, a velocidade de download ficou o dobro da atual geração de modens DOCSIS e houve um aumento na velocidade de upload para 240Mps. Com isso, a tecnologia busca que os provedores de serviço conheçam as demandas reais do consumidor e passem a oferecer novos serviços, estendendo seus investimentos em redes. 

Como o número de conexões de internet em casa só vem aumentando, os provedores de serviço buscam velocidades cada vez maiores de banda larga para que mais clientes utilizem redes a cabo. Adquirindo a possibilidade de aumentar o serviço para o mais alto nível de velocidade, novas experiências serão possíveis para que as indústrias passem a combinar internet, televisão, jogos e aplicações através de multiplas telas em uma casa. 

Com a avançada tecnologia da especificação DOCSIS 3.0, multiplos operadores de sistema (MSOs) podem oferecer um acesso mais rápido aos usuários em experiências com a banda larga, como em videoconferências em tempo real ou jogos online. A Intel foi a primeira a implementar a tecnologia DOCSIS 3.0 com o Intel Puma 5. 

http://www.intel.com.br/content/www/br/pt/cable-modems/puma-family.html