Redes de Televisão por Cabo Sistemas de Comunicação Óptica · A tecnologia do vídeo digital...

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Sistemas de Comunicação Óptica

Redes de Televisão por Cabo


Características do sinal de vídeo

• O sinal de vídeo inclui a informação de luminância (intensidade) e crominância (cor). Para o sistema PAL (phase alternation lines) o espectro do sinal de vídeo em banda base tem a forma:

• Na transmissão analógica em radiofrequência usa-se modulação de amplitude com banda lateral vestigial (AM-VSB). O espectro desse sinal é do tipo

f (MHz)

Espe

ctro

0 3 6

12 dBluminância

crominância

Subportadora de crominância (4.43 MHz)

fp -0.75 fp fp +0.75 fp+5 fp+5.5 f(MHz)

Portadora do sinal de vídeo composto

Portadora de aúdio

Espectro do sinal de áudio (FM)

Largura de banda de vídeo nominal

5 MHz


Requisitos de qualidade

• Na transmissão multicanal ( G/PAL) usa-se um espaçamento entre canais de 8 MHz .

• Requisitos de qualidade para transmissão analógica

• A tecnologia do vídeo digital comprimido (CDV, compressed digital video) terá grande relevância na transmissão de televisão. Os débitos requeridos variam entre os 2 e 6 Mbit/s. A relação portadora ruído depende da modulação. Ex: QPSK (2 bit/s/Hz) CNR≈≈≈≈20 dB , 64-QAM (6bit/s/Hz) CNR ≈≈≈≈ 30 dB

frequênciafp1 fp2

8 MHz

Relação portadora-ruído: 55 dB CSO(composite second order): -65 dBc CTB(composite triple beat): - 65 dBc

Transporte

Relação portadora-ruído: 46 dB CSO(composite second order): -53 dBc CTB(composite triple beat): - 53 dBc

Distribuição

48 dB para os televisores de 100 MHz


Multiplexagem de sub-portadora (SCM)

• Os sinais de informação vão modular diferentes portadoras eléctricas com frequências na banda entre os 10 MHz e os 10 GHz. As diferentes portadoras moduladas vão ser combinadas usando multiplexagem por divisão nafrequência (FDM) e o sinal multiplexer vai modular em intensidade um laser.

• As subportadoras podem ser moduladas de diferentes maneiras. Com sinais analógicos usa-se AM, ou FM e com sinais digitais, PSK ou QAM.

f1

fN

Mul

tiple

xado

r FD

M

f

f

ff1 fN

Lase

r

Sub-portadoras

Fibra Óptica

Sinal óptico ps(t)

Sinais de informação

Sinal multiplexer

Em alternativa pode-se usar modulação externa

Modulador


Caracterização do sinal óptico

• A portadora óptica, considerada como sendo a portadora principal, tem uma potência média Ps . A potência do sinal óptico na saída do laser é descrita por

• O índice de modulação do sinal óptico, admitindo um elevado número de sub-portadoras é dado por

• As principais limitações associadas à multiplexagem de sub-portadora são a distorção de intermodulação e o clipping.

• O distorção de intermodulação resulta de possíveis não linearidades da característica potência/corrente do laser. O clipping resulta do facto de haver instantes em que o sinal eléctrico conduz o laser abaixo do limiar.

[ ]

++=+= ∑=

N

iiiisss tfmPtxPtp

1)2cos(1)(1)( φπ

N: número de canais mi : índice de modulação por canal

fi : frequência da sub-portadora do canal i

2/1

1

2

= ∑=

N

iimm

tPo

tênc

ia ó

ptic

a

Ps∆Ps

Nmm c=s

s

PPm ∆=

mi= mc


Clipping

• Quando o valor instantâneo da corrente de limiar do laser desce abaixo do limiar, o sinal optico é distorcido, originando-se clipping.

• Reduzindo o índice de modulação por canal reduz-se o efeito de clipping, mas também se reduz a relação sinal-ruído na recepção.

• A distorção devida ao clipping é função do índice de modulação eficaz . Fazendo este índice menor ou igual a 0.25 o efeito do clipping é

desprezável.

I

P

Corrente de injecção

Potência óptica

Clipping

m

2/Nmc=µ


Distorção de intermodulação

• A frequência dos produtos de intermodulação, considerando o batimento das portadoras f1, f2, f3 é dada por

• Os produtos de intermodulação mais importantes são os de 2ª ordem ou CSO (composite second order) e os de 3ª ordem ou CTB (composite triple beat).

• As grandezas CSO e CTB são expressas em dBc (dB em relação à portadora)

±±±±= 332211 fnfnfnfi

A ordem dos produtos corresponde à soma dos coeficientes ni

f1+ f2+ f3 é um produto de terceira ordem (1+1+1)

ff1- f2 f1 f2 f1+ f2

f2f1- f2 f1 f2 -f1+ 2f2

Distorção de segunda ordem Distorção de terceira ordem

∑±=

=ji m

jimm fP

fffPf

, )()(

)(CSO ∑±±=

=ji m

kjimm fP

ffffPf

, )()(

)(CTB


Recepção de sinais SCM

• O receptor óptico deve ter uma largura de banda suficientemente elevada de modo a não introduzir distorção no sinal multiplexer. Na saída do receptor um desmodulador será responsável por colocar os canais em banda base.

• A corrente associda ao canal k na saída do fotodetector é dada por

• As relações sinal-ruído na entrada e saída do desmodulador são dadas por

Fibra Óptica ff1 fN

fN

Receptor Óptico f

Filtro Passa Baixo

Desmodulador

Oscilador local sintonizável

[ ] [ ])2cos(1)(1)( kkkPkpk tfmMItxMIti φπ ++=+= Ip=Rλ Po, M: ganho do fotodetector

kcq

pkk

ii

MIm

Ntx

NC

><+><== 22

22 )(

21

)( >< 2qi

: Ruído de circuito do canal kkci >< 2

: Ruído quântico

NC

NS

( )dBddBdB

GNC

NS +

=

Gp : ganho de desmodulação ( AM/VSB, 0.3 dB)


Redes de distribuição de TV em cabo coaxial

• Um rede de CATV (Cable TV) em cabo coaxial usa uma topologia em árvore (tree-and-branch), e amplificadores em cadeia para compensar a atenuação do cabo coaxial. Os sinais a difundir são originados na cabeça de rede.

• A acumulação do ruído e da distorção de intermodulação gerada pelos amplificadores limita significativamente a dimensão da rede, assim como o número de canais de televisão.

Cabeça deRede

Nó deDistribuição

Rede de troncas ou de transporte

DerivaçãoSupertronca

Amplificador de troncacom derivação

Rede de distribuiçãoCabo dedistribuição

Assinante

Amplificadordelinha


Evolução da largura de banda

• A largura de banda das redes de cabo aumentou exponencialmente nos últimos 35 anos. Os aumentos iniciais devem-se ao desenvolvimento da tecnologia de RF, os quais foram acelerados pela introdução das fibras ópticas.

19671962 1972 1977 1982 1987 1992 1997 2002

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Larg

ura

de b

anda

(MH

z)

Anos


Rede híbrida fibra coaxial

• A rede híbrida fibra coaxial (HFC) usa fibra óptica na rede de transporte e cabo coaxial na rede de distribuição (com amplificação eléctrica) e na rede de cliente (passiva). Na parte de transporte o uso de derivadores ópticos associados a amplificadores ópticos permite reduzir a quantidade de fibra.

Cabeça de rede

Amplificador óptico

Receptor óptico

Derivador óptico

Fibra óptica

Cabo coaxial

Amplificador de repartição

Derivador coaxial

Amplificador de linha

Rede de transporte Rede de distribuição Rede de cliente

oNC

tNC


Características da rede híbrida

• A rede híbrida é uma rede unidireccional e de difusão apropriada para serviços distributivos, como seja a televisão.A relação portadora-ruído na instalação do cliente (C/N)t , depende da relação portadora-ruído na rede de transporte óptica (C/N)0 e da relação portadora-ruído na rede coaxial (C/N)e.

• Cada receptor óptico serve uma rede de distribuição a qual conjuntamente com a corresponde rede de cliente constitui uma célula. Cada célula engloba entre 500 a 2000 casas passadas.

[ ]10/)/(10/)/( 1010-10logdB)( eo NCNC

tNC −− +=

0/E

0/E

Derivador óptico

Célula 1

Célula 2

Uma casa passada é uma casa que está ligada à infraestrutura da rede HFC, independentemente de usar ou não os serviços oferecidoos por essa rede.

Note-se que o número de casas por célula tem vindo a decrescer. Há algumas anos a norma era ter 1000 a 2000 casas por célula, enquanto hoje esse valor é de cerca de 500 ou mesmo inferior. Alguns operadores apontam para valores entre as 100 e as 500 casas.

Reduzindo o número de casas passadas por célula, aumenta-se a penetração da fibra na rede e reduz-se o número de elementos RF activos na componente coaxial, o que tem como consequência o aumento da banda e a melhoria do desempenho e fiabilidade da rede.


Bidireccionalidade

• No espectro de radiofrequência das redes CATV é atribuída uma banda para comunicação entre o cliente e a cabeça da rede (via de retorno).

• Como os amplificadores são unidireccionais a unidade amplificadora deve separar os sinais que fluem nas duas direcções, usando filtros duplexores.

• Um dos problemas de via de retorno é o ruído de ingresso. Como a adaptação entre o televisor e a impedância de 75 ΩΩΩΩ do cabo coaxial não é perfeita diferentes fontes de radiação são acopladas pelo televisor à rede CATV.

5 65 88 108 111 750 f (MHz)

Via deRetorno

Canais FM

Canais de TV analógicos e digitais

FiltroDuplexor

FiltroDuplexor

AmplificadorPrincipal

Amplificadorde retorno 10 50 100 f (MHz)

Aten

uaçã

o

Resposta de baixa frequência (retorno)

Normalmente os canais analógicos são transmitidos na banda directa até cerca de 550 MHz. A banda acima deste valor é usada para canais de TV digitais ou para o fluxo descendente dos serviços interactivos.

TV Cabo Portugal


A necessidade dos modems de cabo

• Como o meio de comunicação entre o assinante e a cabeça de rede é partilhado é necessário implementar nas comunicações bidireccionais (exemplo Internet) um protocolo de acesso múltiplo, baseado no TDMA (time division multiple access), ou no FDMA (frequency division multiple access).

• Como a comunicação é feita em radiofrequência é também necessário realizar uma modulação digital usando M-PSK ou M-QAM. A eficiência espectral teórica destas modulações é dada por enquanto a efectiva é 80% da teórica.

• Essa funções são implementadas usando um modem de cabo.

Tempo

Freq

uênc

ia

Util

izad

or 1

Util

izad

or 2

Util

izad

or 3

Util

izad

or 4

Util

izad

or 1

Util

izad

or 2

Util

izad

or 3

Util

izad

or 4

Freq

uênc

ia

Tempo

Utilizador 1

Utilizador 2

Utilizador 3

Utilizador 4

TDMA FDMATempo de guarda

Modem de cabo

Cabo 10 base T PC

Televisor Adaptador Etherntet

Derivador RF

Cabo coaxial

Instalação de cliente residencial

bit/s/Hz log2 M=ε


Aspectos do protocolo DOCSIS (1)

• As redes híbridas bidirecionais permitem proporcionar diferentes serviços interactivos, como por exemplo, vídeo-a-pedido, telefonia digital, telefonia-sobre-IP e acesso à Internet a alta velocidade.

• A necessidade de usar modems levou ao desenvolvimento de um protocolo MAC (medium access control) para o fluxo de tráfego ascendente. A norma mais usada para esse fim designa-se por DOCSIS (data over cable service interoperability specification). A estrutura funcional de uma rede híbrida segundo esse protocolo pode-se representar do seguinte modo:

Operador de Rede agregadora

CMTS

CMTS

CMTS

CM

CM

CM

CM

CM

CM

CM

CMCable Modem Termination

Systems Modem de cabo

O CMTS controla os CM, supervisiona a alocação dinâmica de banda na rede e liga a rede híbrida a um Network Service Provider. Os modems de cabo permitem a ligação do equipamento de utilizador através de uma interface Ethernet. Exemplo de equipamentos ligados: telefones digitais, televisor ligado a uma set-top box e PC.


Aspectos do protocolo DOCSIS (2)

• A versão da norma DOCSIS usada na europa (Euro DOCSIS) considera que o tráfego ascendente é transportado em N portadoras, as quais estão localizadas na banda entre os 5 e 60 MHz. A banda típica de um canal ascendente está situada entre 200 kHz e 3.2 MHZ.

• O tráfego descendente é transmitido em M portadoras situadas entre 65 e 850 MHz e a largura de banda de cada canal descendente é de 8 MHz. Dos M canais M´são analógicos e os M-M` são digitais.

• No percurso ascendente usa-se modulação QPSK ou 16-QAM, enquanto no percurso descendente para os canais digitais usa-se 64-QAM ou 256-QAM. Note-se que as eficiências espectrais efectivas destas modulações são cerca de 80% do valor teórico.

• Antes da transmissão de dados é necessário sincronizar o CMTS com o novo CM activo. O atraso do relógio vai depender o tempo de propagação entre o CMTS e o CM. Por sua o nível da potência do sinal também vai depender dessa distância. O CMTS necessita de desencadear um processo designado de ranging que permita compensar, quer o atraso, quer a atenuação diferencial e modo a que a potência que chega ao CMTS seja constante.


Protocolo DOCSIS MAC

• O tráfego ascendente combina o FDMA com o TDMA. Cada portadora suporta diferentes time-slots designados por mini-slots.

• A dimensão de cada mini-slot é de 2n××××6.25 µµµµs com n=1,2,...7. Como valor típico pode-se considerar que a um mini-slot correspondem 16 octetos para o caso de n=1. Os MAC-PDUs que contêm os pacotes IP são transportados em sucessivos mini-slots. Há três tipos de mini-slots.

• Na fase de pedido de área pode acontecer que diferentes CM enviem ao mesmo tempo um pedido no mesmo mini-slot, o que pode originar colisões. Requer-se por conseguinte uma técnica para resolução de contenções.

Tipos de mini slots

Pedido de áreaÉ constituído por um certo número de mini-slots dedicados à transmissão dos pedidos de largura de banda.

Oportunidades de transmissão

Consiste num certo número de mini-slots reservados pelo CMTS em resposta aos pedidos de largura de banda. Podem ser pedidos até 255 mini-slots por cada CM no sentido de enviar pacotes de dimensão variável.

SinalizaçãoConsiste em mini-slots usados para enviar mensagens de sinalização. Quando um novo CM é ligado é necessário trocar mensagens com o CMTS no sentido de sincronizar o relógio do CM e de equilibrar a potência recebida.


Arquitecturas de rede

• Para garantir uma comunicação bidireccional na rede de transporte terá de haver uma fibra óptica entre cada emissor óptico de cada célula e a cabeça da rede, ou em alternativa entre cada emissor e um nó de acesso.

• Cada receptor óptico da cabeça da rede, ou do nó de acesso, recebe a informação de retorno de todos os clientes de uma dada célula. Por isso, essa informação é dirigida para um banco de modems (CMTS) O switch/hubethernet está ligado a um router IP se a rede usada for IP, ou a um switch ATM se a rede for ATM.

LaserDFB

ReceptorÓptico

ethernetswitch/hub

ATM, ou IP

Equipamento de TV analógica

Modems de cabo

Combinador de RF

LaserDFB

ReceptorÓptico

Modems de cabo

Combinador de RF

LaserDFB

ReceptorÓptico

Modems de cabo

Combinador de RF

Laser

ReceptorÓptico Filtro

duplexor

Cabo coaxialFibra óptica

Célula

Cabeça de rede ou nó de acesso

Banco de modems

Laser FP ou DFB

CMTS

CMTS

CMTS

Fibra de retorno

Frequência(Hz)550

Digital (64-QAM, 256-QAM)Retorno Analógico


Ligação entre o nó de acesso e a ONU

• A topologia considerada na figura anterior para interligar o nó de acesso aos diferentes ONUs é uma topologia em estrela. Cada ONU está ligado ao nó de acesso através de duas fibras ópticas. Com este tipo de interligação o número de fibras ópticas requeridas pode ser proibitivo.

• O recurso a derivador óptico é uma solução vantajoso. O problema está na distribuição dos sinais descendentes originados pelos diferentes CMTS para os correspondentes ONUs. Para isso pode-se recorrer ao WDM.

LaserRadiodifusão analógica

CMTS E/O

WDM

CMTS E/O

CMTS E/O

WDM

Fluxo descendente dos serviços interactivos

WD

M

Amplificador óptico

Derivador

Frequência(Hz)550

Digital Analógico

Para a ONU

Nó de acesso Armário

Pode usar-se modulação externa

Usa modulação directa dos lasers DFB com um espaçamneto entre canais de cerca de 200 nm.

Desmultiplexer WDMMultiplexer WDM

λ1

λ2, λ3,...... λΝ

Multiplexer 2x1


Rede de transporte em anel

• Para reduzir o número de fibras de retorno e para aumentar a fiabilidade da rede pode-se usar uma rede de transporte em anel. Essa rede de transporte pode usar a tecnologia SDH, implicando a digitalização na cabeça da rede de todos os canais analógicos de televisão.

• No caso de se usar SDH, em cada nó de acesso deverá usar-se um banco de modems por cada ONU, um router IP, e um conversor A/D e D/A para os sinais de televisão. O conversor e o router fornecem as entradas do ADM.

Cabeça de Rede

Cabeça de Rede

Nó deAcessoNó de

AcessoNó de

AcessoNó de

Acesso

ONU

Par de fibras defibras de serviço

Par de fibrasde protecção

Modemde Cabo

Rede deTransporte

Primária

Rede deTransporteSecundária

ONU: optical network unit

Laser de retorno+ receptor óptico

Derivador óptico

Fibra de retorno


Exemplo

• Numa rede CATV bidireccional uma cabeça de rede serve 100 000 casas. A rede de transporte primária usa uma topologia em anel e tecnologia SDH. Nessa rede têm-se 4 nós de acesso. Cada nó de acesso está ligado a cinco derivadores ópticos que por sua vez estão ligados a 5 ONUs.

• Para o tráfego bidireccional cada utilizador tem acesso em ambos os sentidos a um débito de 1 Mbit/s. A penetração dos modems de cabo é de 30% e só 10% dos utilizadores requerem o débito máximo.

A cada nó de acesso estão ligadas 25 fibras de retorno

A cada ONU (célula) corresponde 1000 casas

Débito máximo por ONU = 1000×0.3×0.1×1 Mbib/s = 30 Mbit/s

Débito máximo por nó de acesso = 25×30 Mbit/s = 750 Mbit/s

Requer-se um anel SDH STM-16


Capacidade de um nó (ONU)

• Em muitas situações é a capacidade da banda de retorno que limita o número de utilizadores que podem ser servidos por um determinado nó (ONU).

• Como exemplo considere-se que é alocada uma banda de retorno 20 MHz a uma célula que serve um sistema de modems de cabo. Usa-se no retorno QPSK. Se se proporcionar 500 kb/s a cada utilizador o número de utilizadores simultâneos por nó (ONU) é dado por

• Para calcular o número de casas passadas, tem de ser atender ao número de utilizadores, à penetração na área da célula do serviço de cabo(penetração do cabo), ao número de utilizadores que assinam o serviço de modem de cabo (penetração de serviço) e ao número de utilizadores ligados simultaneamente (factor de utilização). Para uma penetração do cabo de 80%, uma penetração de serviço de 20% e um factor de utilização de 65%, o número de casas passadas (NCP) por célula deverá ser

• Note-se que se a penetração de serviço aumentar 25% o número de casas que é possível servir decresce de 123. Como se usa TDMA os 500 kb/s podem, por exemplo, servir na realidade 5 utilizadores comunicando simultaneamente a 100 kb/s.

64/10500

10208.0//23

6

=×

×××=sbit

HzHzsbitNsimul

61665.02.08.0

64

=××

=××

=utilizaçãodefactorservicodepenetraçãocabodopenetração

NNCP simul


Segmentação das células

• Quando a penetração dos modems de cabo aumenta o operador pode ter necessidade de segmentar as células (adicionar mais ONUs). Referem-se em seguida duas etapas de segmentação considerando só o percurso ascendente.

Laser Célula A

Laser

Célula A1

Laser

Célula A2

1ª etapa de segmentação

Laser

Célula A1

LaserCélula A3

Célula A2Laser

Laser

Célula A4

2ª etapa de segmentação

Note-se que se por exemplo a célula A abranger 1000 casas, depois da segunda etapa de segmentação cada célula abrange 250 casas.

Seguindo uma lógica de segmentação sucessiva pode-se chegar a uma rede híbrida só com elementos de RF passivos


Tecnologias para o percurso de retorno

• Os laser usados no percurso de retorno são lasers de baixo custo, como é o caso dos lasers de Fabry-Perot ou os laser DFB não arrefecidos. Neste último caso o comprimento de onda de emissão do laser varia com a temperatura.

• As soluções mais viáveis para implementar o percurso de retorno são as seguintes: fibras múltiplas, transmissão digital e WDM. Considerando o caso em que a cada ONU correspondem quatro lasers de retorno, essas soluções correspondem às figuras apresentadas a seguir.

Laser

Laser

Laser

Laser

Recep

Recep

RecepRecep

Sinais analógicos

Solução de 4 fibras

Laser

Laser

RecepRecep

Solução digitalONU

Sinais digitais

Como o canal de retorno tem uma frequência máxima de 65 MHz, requer-se uma frequência de amostragem de 130 MHz. Considerando 10 a 12 bit por amostra, é possível transmitir num canal a 2.5 Gb/s dois retornos, correspondentes a duas células.

Nó de acesso Nó de

acessoONU

Laser

Laser

Laser

Laser

RecepRecep

RecepRecep

Nó de acesso

Sinais analógicos

ONUSolução WDM

O requisito fundamental para a solução WDM é o baixo custo. Por isso não usa EDFAs e requer espaçamentos entre canais elevados (entre 15 a 20 nm). Estes espaçamentos conseguem ser garantidos com lasers DFB não arrefecidos.

MU

X

DM

UX


Arquitectura do protocolo DOCSIS

• O protocolo DOCIS está estruturado em duas camadas: camada física e camada de ligação de dados (Ver: Fellows et al, “DOCSIS Cable Modem Technology,” IEEE Communications Magazine, Março 2001).

• A camada física inclui as normas para o fluxo ascendente e descendente. Para o fluxodescendente pode-se usar 64-QAM ou 256-QAM. Para reduzir a razão de erros binários são implementados códigos FEC quer no CMTS quer no CM. São possíveis débitos binários entre 38 Mb/s e 57 Mb/s com 256-QAM e entre 27 Mb/s e 36 Mb/s com 64-QAM. Para o fluxo ascendente usa-se o QPSK ou o 16-QAM. Também se podem usar códigos FEC para melhorar a relação-sinal ruído. Obtêm-se débitos entre os 320 kb/s e 5.12 Mb/s com QPSK e 640 kb/s e 10.24 Mb/s com 16-QAM.

IP

Controlo da ligação lógica IEEE 802.2

Encriptografia da ligação da dados

Camada MAC

Convergência de transmissão MPEG2

Camada física

Protocolo DOCIS

Camada de ligaçõo de dados ( Camada 2)


Arquitectura do protocolo DOCSIS (cont.)

• A subcamada de convergência de transmissão MPEG-2 é usada exclusivamente para o tráfego descendente, o qual é encapsulado em tramas MPEG-2. Esta camada de convergência permite também a difusão de canais de TV digitais em adição com os canais analógicos.

• A subcamada MAC é usada tanto pelo tráfego ascendente como descendente. O primeiro objectivo desta subcamada é garantir uma partilha eficiente da capacidade da rede entre os diferentes CMs activos. O segundo objectivo é garantir uma qualidade de serviço adequada inerente às aplicações em tempo real. Quando um determinado CM necessita de enviar pacotes envia um pedido de área ao CMTS. De acordo com as disponibilidades de momento o CMTS atribui a esse CM um certo número de mini-slots e especifica a frequência e os time-slots em que o CM é autorizado a enviar os seus MAC-PDU.

• A subcamada de encriptografia da ligação de dados permite garantir a confidencialidade dos ulitizadores tanto para o tráfego ascendente como descendente.

• Tanto os CMTS como os CM estão equipados com interfaces Ethernet. O protocolo de controlo da ligação lógica 802.2 serve de interface entre as LAN Ethernet e a rede HFC.

• O protocolo DOCSIS é orientado para o IP, sendo o IEEE802.14 é orientado para o ATM.

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