Fundamentos de Tecnologías de Acceso xDSL y GPON: Arquitectura y Operación Detallada

1. Arquitectura de Acceso a Internet sobre xDSL y su Motivación Principal

La motivación principal de la arquitectura xDSL (Digital Subscriber Line) radica en el interés de los operadores telefónicos por aumentar sus ingresos ofreciendo nuevos servicios y en la capacidad de estas tecnologías para aprovechar la infraestructura existente de pares de cobre. Esto permite ofrecer acceso a Internet de alta velocidad y otros servicios de datos simultáneamente con el servicio telefónico convencional, sin necesidad de un nuevo cableado hasta el domicilio del abonado.

Nota: Se hace referencia a un dibujo de la arquitectura básica para telefonía y datos.

Componentes de la Arquitectura xDSL:

En la Dependencia del Abonado:

Módem DSL: Dispositivo que modula y demodula las señales de datos para la transmisión sobre el par de cobre.
Splitter (divisor o filtro): Se coloca antes del módem y del teléfono. Separa las señales de baja frecuencia (voz) de las señales de alta frecuencia (datos), permitiendo el uso simultáneo de ambos servicios. Consta de un filtro de paso bajo para la voz y un filtro de paso alto para los datos.
Par de cobre (Línea de Abonado – LA): El cableado físico existente que conecta la central telefónica con la dependencia del abonado.

Los módems DSL se instalan en ambos extremos del bucle de abonado.

En la Central Local (CL) del Operador:

Splitter: Realiza la función de separación de señales (voz y datos) en el extremo de la central.
Módem DSL: Integrado dentro del DSLAM.
DSLAM (Multiplexor de Acceso de Línea de Abonado Digital): Equipo que agrupa múltiples módems DSL. Concentra el tráfico de datos proveniente de los diversos enlaces DSL de los abonados.

Infraestructura de Red:

Red de Transporte: El tráfico de datos agregado por el DSLAM se transporta a través de una red de transporte, comúnmente basada en tecnologías como ATM (Asynchronous Transfer Mode) o Ethernet.
Central Local de la Red Telefónica: El tráfico de voz, separado por los splitters, se dirige a esta central para ser gestionado por la Red Telefónica Pública Conmutada (PSTN).

8. Mecanismo de Asignación de Ancho de Banda en Redes GPON

En las redes GPON (Gigabit Passive Optical Network), la OLT (Optical Line Termination – Terminación de Línea Óptica) es responsable de asignar los turnos de transmisión (ancho de banda ascendente) a las diversas ONU/ONT (Optical Network Unit / Optical Network Termination – Unidad de Red Óptica / Terminación de Red Óptica). Este mecanismo es crucial para evitar colisiones en el medio compartido de fibra óptica en el sentido ascendente (upstream). Existen dos modos principales de funcionamiento para la asignación dinámica de ancho de banda (DBA – Dynamic Bandwidth Allocation):

SR (Status Reporting – Reporte de Estados):
- Las ONU/ONT envían información upstream (hacia la OLT) sobre sus necesidades de transmisión. Esto se hace reportando el estado de sus colas de datos o búferes asociados a los T-CONT (Traffic Containers).
- Para comunicar estas necesidades, se utiliza un campo específico en las tramas ascendentes, a menudo denominado Dynamic Bandwidth Report (DBRu).
- Basándose en estos reportes, la OLT toma decisiones y notifica a cada ONU/ONT, a través de tramas downstream (hacia el abonado), la asignación de recursos (ancho de banda y tiempos de transmisión) para cada T-CONT. Esta notificación se realiza mediante un mapa de ancho de banda ascendente (Upstream Bandwidth Map – US BW Map) contenido en las tramas descendentes.
NSR (Non-Status Reporting – Reporte sin Estados o No Supervisado):
- En este modo, las ONU/ONT no envían información explícita upstream sobre sus necesidades de transmisión actuales (es decir, no reportan el estado de sus búferes).
- En su lugar, la OLT estima las necesidades de ancho de banda para cada T-CONT de cada ONU/ONT basándose en el tráfico que hayan transmitido anteriormente o en perfiles de servicio preconfigurados. La OLT asigna el ancho de banda de forma proactiva.

2. Explique los Factores Limitantes de las Tecnologías xDSL

Nota: El siguiente listado, proporcionado bajo el título de «factores limitantes», describe en realidad una mezcla de motivaciones para el desarrollo de xDSL, características de la tecnología y elementos del entorno regulatorio y tecnológico. Para una comprensión de las limitaciones reales de xDSL (como la atenuación con la distancia, la diafonía, la calidad del par de cobre, etc.), se requeriría información adicional no presente en este apartado del texto original.

Los puntos mencionados en el documento original son:

El interés de los operadores telefónicos en aumentar sus ingresos mediante la oferta de nuevos servicios.
El desarrollo de un conjunto de tecnologías que permiten aprovechar la capacidad de transmisión de los pares de cobre para servicios como el acceso a Internet, de forma conjunta con el servicio telefónico convencional.
El creciente uso del ancho de banda demandado por las nuevas aplicaciones y tecnologías.
La privacidad, considerada intrínseca debido a que el bucle de abonado (el par de cobre) es una línea dedicada y no compartida hasta la central.
La desagregación del bucle de abonado, que obliga a los operadores incumbentes a permitir que nuevos operadores utilicen sus pares de cobre para ofrecer servicios.
La característica de alta velocidad asimétrica, donde la velocidad de descarga de datos es típicamente mayor que la velocidad de subida.
El continuo desarrollo tecnológico, con la creación de nuevos códigos de línea, técnicas de modulación avanzadas y la implementación de señales digitales (por ejemplo, ADSL, ADSL2+).

3. Características Principales de VDSL2 y su Relación con Tecnologías xDSL Anteriores

VDSL2 (Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line 2) es una evolución de las tecnologías VDSL y ADSL2+. Sus características principales y relación con tecnologías xDSL previas son:

Mayor Velocidad y Ancho de Banda: VDSL2 ofrece velocidades de transferencia significativamente mayores y un ancho de banda superior en comparación con ADSL2+ y VDSL. Sin embargo, esta capacidad es altamente dependiente de la distancia del abonado a la central o al nodo de acceso.
Complemento con Fibra Óptica: Debido a que VDSL2 tiene un alcance efectivo menor sobre el par de cobre en comparación con ADSL para lograr sus máximas velocidades, a menudo se implementa en arquitecturas híbridas de fibra y cobre (como FTTC – Fiber To The Curb/Cabinet). La fibra óptica se utiliza para acercar el punto de terminación DSLAM/MSAN al abonado, y el tramo final se cubre con el par de cobre existente.
Soporte Multiservicio: Es capaz de transportar diversos tipos de tráfico, incluyendo voz, vídeo, datos, y televisión de alta definición (HDTV). Permite la transmisión de datos tanto simétricos (igual velocidad de subida y bajada) como asimétricos.
Transporte ATM y Ethernet: VDSL2 puede transportar tráfico encapsulado tanto en ATM como en Ethernet, ofreciendo flexibilidad a los operadores.
Costo de Implementación: Se considera una opción menos costosa para los operadores en comparación con el despliegue completo de fibra hasta el hogar (FTTH), especialmente para actualizar redes existentes.
Compartición de Espectro: Permite compartir el espectro de frecuencias con el servicio telefónico convencional (POTS), ya sea analógico o digital (RDSI), utilizando diferentes bandas de frecuencia.

Relación y Comparación con ADSL/ADSL2+:

Simetría de Tráfico: ADSL/ADSL2+ están optimizados para tráfico asimétrico (mayor velocidad de bajada, ideal para navegación web y descarga de contenidos). VDSL2, en cambio, soporta tanto tráfico asimétrico como simétrico, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren mayor capacidad de subida (videoconferencias, subida de archivos grandes).
Mejora sobre ADSL2+: VDSL2 puede mejorar significativamente la oferta de ADSL2+, permitiendo, por ejemplo, la transmisión simultánea de múltiples canales de TV de alta definición. Para grandes distancias, el rendimiento de VDSL2 puede ser similar al de ADSL2+, pero VDSL2 ofrece perfiles que pueden utilizar todo el espectro para datos si la línea telefónica tradicional no está en desuso.
Sustitución y Compatibilidad: VDSL2 se considera un sucesor de ADSL2+. Es compatible con ADSL/ADSL2+ en el sentido de que puede utilizar las mismas frecuencias y espaciados espectrales, permitiendo que módems VDSL2 se comuniquen con equipos ADSL/ADSL2+ a velocidades propias de ADSL si es necesario (retrocompatibilidad). Aunque el rendimiento a largas distancias puede ser similar, las velocidades máximas alcanzables son muy diferentes.
Origen: VDSL2 surge, en parte, para superar las limitaciones de corto alcance y ancho de banda de la primera generación de VDSL, ofreciendo perfiles más flexibles y mayor rendimiento.

4. Diferencias entre las Torres de Protocolos PPPoA y PPPoE en la Arquitectura xDSL

Tanto PPPoA (Point-to-Point Protocol over ATM) como PPPoE (Point-to-Point Protocol over Ethernet) son protocolos utilizados en conexiones xDSL para encapsular el tráfico PPP, que gestiona la autenticación, asignación de IP y otros parámetros de la sesión de Internet. Sus diferencias radican principalmente en la capa subyacente sobre la que operan:

PPPoE (Protocolo de Punto a Punto sobre Ethernet)

Definición: Adapta las Unidades de Datos de Protocolo (PDU) del PPP para ser transportadas sobre tramas Ethernet.
Funcionamiento: Se establece una sesión PPP entre el equipo del cliente (CPE) y el Servidor de Acceso Remoto (BRAS/BNG) del ISP, encapsulando los paquetes PPP dentro de tramas Ethernet.
Implementación Común:
- A menudo, el módem xDSL opera en modo puente (bridge) y la marcación PPPoE la realiza un router separado o el propio PC del usuario.
- Si el módem es un router, puede realizar la marcación PPPoE y luego efectuar encaminamiento con NAT (Network Address Translation) para la LAN.
Compatibilidad: Es compatible con la asignación dinámica de IP a los nodos de la red local.
Uso: Ampliamente utilizado para conexiones de banda ancha mediante servicios DSL, especialmente cuando la infraestructura de agregación del ISP está basada en Ethernet.
Encapsulación sobre ATM (en algunos contextos xDSL): Cuando se usa PPPoE sobre una línea ADSL que intrínsecamente usa ATM, los paquetes Ethernet (que contienen PPP) se encapsulan a su vez sobre AAL5 (ATM Adaptation Layer 5). Esto implica una doble encapsulación (PPP sobre Ethernet, y luego Ethernet sobre ATM). RFC 2516 define PPPoE.
Overhead: Generalmente introduce un ligero overhead adicional en comparación con PPPoA debido a las cabeceras Ethernet.

PPPoA (Protocolo de Punto a Punto sobre ATM)

Definición: Encapsula directamente las PDU del PPP sobre celdas ATM, utilizando AAL5.
Funcionamiento: La sesión PPP se establece entre el módem ADSL (que actúa como cliente PPP) y el BRAS/BNG del ISP.
Negociación y Autenticación: Permite negociar los parámetros de conexión de red (como la dirección IP) entre el router/módem del usuario y el ISP. La autenticación se realiza típicamente mediante un nombre de usuario y una clave de acceso (protocolos como PAP o CHAP dentro de PPP).
Uso: Comúnmente utilizado en conexiones de banda ancha ADSL donde la red de acceso y agregación del ISP está basada predominantemente en ATM.
Eficiencia: Generalmente se considera más eficiente que PPPoE en redes puramente ATM, ya que evita la capa Ethernet intermedia, lo que puede resultar en un menor overhead. La afirmación de que «reduce pérdidas de calidad con respecto a PPPoE» se refiere a este menor overhead y encapsulación más directa.
Encapsulación: Utiliza directamente AAL5 para transportar los paquetes PPP. RFC 2364 define PPPoA.

La elección entre PPPoA y PPPoE suele depender de la configuración de la red del proveedor de servicios de Internet (ISP) y del equipamiento utilizado.

5. Características de los Canales Ascendente y Descendente en Tecnologías PON

Las tecnologías PON (Passive Optical Network – Red Óptica Pasiva) utilizan fibra óptica y divisores ópticos pasivos para distribuir la señal, lo que permite un gran ancho de banda tanto en el canal descendente (downstream) como en el ascendente (upstream). Las características distintivas de estos canales son:

Canal Descendente (Downstream): OLT hacia ONU/ONT

Topología Lógica: Punto a multipunto (P2MP). La OLT (Optical Line Termination) transmite la información a todas las ONU/ONT (Optical Network Unit / Termination) conectadas a un mismo puerto PON a través del splitter óptico.
Modo de Transmisión: Broadcast. La OLT envía un flujo continuo de datos que es replicado por el splitter pasivo y llega a todas las ONU/ONT.
Multiplexación: Generalmente se utiliza TDM (Time Division Multiplexing – Multiplexación por División en el Tiempo). La OLT intercala datos destinados a diferentes ONU/ONT en el mismo flujo óptico.
Filtrado en la ONU/ONT: Cada ONU/ONT examina los datos recibidos y solo procesa y deja pasar la información que está específicamente dirigida a ella (basándose en identificadores como el GEM Port ID en GPON). El resto de la información se descarta para garantizar la privacidad.
Seguridad: Dado el carácter broadcast, se suelen emplear mecanismos de cifrado (como AES en GPON) para proteger los datos del usuario en el trayecto descendente.

Canal Ascendente (Upstream): ONU/ONT hacia OLT

Topología Lógica: Multipunto a punto (MP2P). Múltiples ONU/ONT transmiten información hacia una única OLT.
Modo de Transmisión: Ráfagas (burst mode). Cada ONU/ONT transmite datos solo durante los intervalos de tiempo que le son asignados por la OLT.
Multiplexación y Acceso al Medio: Se utiliza TDMA (Time Division Multiple Access – Acceso Múltiple por División en el Tiempo). La OLT controla cuándo y durante cuánto tiempo cada ONU/ONT puede transmitir para evitar colisiones de datos en el punto donde las señales de las diferentes ONU/ONT se combinan en el splitter óptico.
Sincronización: Es crucial que los paquetes (o ráfagas) transmitidos por las diferentes ONU/ONT lleguen a la OLT de manera perfectamente sincronizada dentro de sus ranuras de tiempo asignadas. La OLT gestiona esta sincronización mediante un proceso llamado ranging.
Control por la OLT: La OLT asigna dinámicamente el ancho de banda y los permisos de transmisión a cada ONU/ONT (ver DBA – Dynamic Bandwidth Allocation).

Características Comunes y Adicionales:

Compartición de Fibra: Una única fibra desde la OLT se comparte entre múltiples abonados mediante el uso de un splitter óptico pasivo.
Multiplexación por División de Longitud de Onda (WDM): Para separar físicamente el tráfico descendente del ascendente sobre la misma fibra óptica, se utilizan diferentes longitudes de onda (colores de luz). Por ejemplo, en GPON, se usa comúnmente 1490 nm para downstream y 1310 nm para upstream. Una tercera longitud de onda (e.g., 1550 nm) puede usarse para servicios de vídeo overlay.

6. Arquitectura Básica de las Redes GPON

La arquitectura de una red GPON (Gigabit Passive Optical Network) está diseñada para ofrecer servicios de banda ancha de alta velocidad utilizando fibra óptica de manera eficiente. Sus componentes y características principales son:

Tasas de Transferencia: GPON puede ofrecer tanto tasas de transferencia simétricas (igual velocidad de subida y bajada) como asimétricas (mayor velocidad de bajada). Típicamente, soporta hasta 2.488 Gbps en el canal descendente y 1.244 Gbps en el canal ascendente por puerto PON.
Alcance: Permite alcanzar distancias considerables (típicamente hasta 20 km, aunque puede extenderse más con ciertas configuraciones) entre la central del operador y el abonado, superando las limitaciones de distancia de las tecnologías xDSL.

Componentes Principales:

OLT (Optical Line Termination – Terminación de Línea Óptica):
- Es el equipo principal ubicado en la central del operador telefónico o proveedor de servicios.
- Actúa como el punto de agregación y gestión de la red PON. Se conecta a la red de transporte del operador (Core Network).
- Controla el tráfico y la asignación de ancho de banda a las unidades de abonado.
ODN (Optical Distribution Network – Red de Distribución Óptica):
- Comprende todos los elementos pasivos de la red situados entre la OLT y las unidades de abonado. Esto incluye:
  - Fibra Óptica: El medio de transmisión.
  - Splitters Ópticos Pasivos: Dispositivos que dividen la señal óptica de una fibra de entrada en múltiples fibras de salida (en sentido descendente) y combinan las señales de múltiples fibras de entrada en una única fibra de salida (en sentido ascendente). Son pasivos porque no requieren alimentación eléctrica y no realizan ninguna amplificación o modificación activa de la señal; simplemente la dividen o combinan ópticamente.
  - Conectores, empalmes, etc.
ONU (Optical Network Unit – Unidad de Red Óptica) / ONT (Optical Network Termination – Terminación de Red Óptica):
- Son los dispositivos ubicados en las instalaciones del abonado o cerca de ellas. Convierten las señales ópticas en señales eléctricas para los dispositivos del usuario (ordenadores, teléfonos, televisores).
- La distinción entre ONU y ONT a veces es sutil:
  - ONT: Generalmente se refiere a un dispositivo que da servicio a un solo abonado (por ejemplo, en una casa – FTTH: Fiber To The Home) o a una sola unidad de negocio (FTTB: Fiber To The Building/Business). El texto original menciona «FFTB», que probablemente se refiere a FTTB o FTTH, considerándose el punto de terminación de la red óptica en la dependencia del cliente.
  - ONU: Puede dar servicio a múltiples abonados o unidades. Por ejemplo, una ONU podría estar en un edificio de apartamentos (FTTB/MDU – Multi-Dwelling Unit) y distribuir el servicio a varios usuarios, o en una cabina en la calle (FTTC – Fiber To The Curb/Cabinet) donde el tramo final hasta el abonado puede ser por otro medio (como cobre en VDSL2). El texto original menciona «ONU= Da servicio a un grupo de abonados que está cerca del abonado FTTC».
- MDU (Multi-Dwelling Unit): Es un tipo de ONU/ONT diseñado para servir a múltiples viviendas o unidades de negocio dentro de un mismo edificio o complejo.

Flujo de Comunicación:

La comunicación directa entre ONU/ONT no está permitida en la arquitectura GPON estándar. Todas las ONU/ONT/MDU transmiten únicamente hacia la OLT y reciben datos únicamente desde la OLT.
Los splitters ópticos distribuyen la señal de la OLT hacia las múltiples ONT/ONU y combinan las señales de las ONU/ONT hacia la OLT.

7. Encapsulado de las Tramas GPON en el Enlace Descendente (Downstream)

Las tramas GPON, tanto en el sentido descendente (downstream – de OLT a ONU/ONT) como en el ascendente (upstream), tienen una duración fija de 125 microsegundos (µs). Esto se alinea con la temporización de las redes TDM tradicionales como E1/T1.

En el enlace descendente:

Transmisión Broadcast: Todos los datos transmitidos por la OLT son enviados a todas las ONT/ONU conectadas a ese puerto PON. El splitter óptico, al ser un elemento pasivo, replica la señal de entrada de la OLT en todas sus salidas hacia las ONT/ONU.
Filtrado en la ONT/ONU: Cada ONT/ONU recibe la trama completa, pero filtra los datos y solo procesa aquellos que están destinados específicamente a ella. Esto se logra mediante identificadores únicos (por ejemplo, GEM Port IDs) dentro de la carga útil de la trama.

Estructura de la Trama Descendente GPON:

Una trama descendente GPON típicamente contiene:

Cabecera Física (Physical Control Block, downstream – PCBd):
- Contiene información de sincronización y control.
- Incluye el Mapa de Ancho de Banda Ascendente (Upstream Bandwidth Map – US BW Map). Este mapa es fundamental, ya que es la forma en que la OLT comunica a cada ONU/ONT cuándo debe transmitir en el canal ascendente (upstream) y durante cuánto tiempo. Especifica el instante de inicio y la duración de la ventana de transmisión asignada a cada T-CONT de cada ONU/ONT para evitar colisiones en el medio compartido ascendente.
- También puede llevar otra información de gestión y control para las ONU/ONT.
Carga Útil (Payload):
- Transporta los datos de los usuarios y el tráfico de señalización.
- El método de encapsulación principal en GPON es GEM (GPON Encapsulation Method). GEM permite el transporte de diversos tipos de tráfico:
  - Paquetes de tamaño variable: Como tramas Ethernet (el uso más común).
  - Tráfico TDM (Time Division Multiplexing): Para servicios de voz tradicionales (circuitos E1/T1).
  - Celdas ATM: Aunque GPON fue diseñado para superar algunas limitaciones de APON/BPON (basados en ATM), GEM puede encapsular celdas ATM si es necesario, aunque es menos común en implementaciones modernas de GPON que se centran en Ethernet.
- Los datos dentro de la carga útil están organizados en fragmentos GEM, cada uno con una cabecera que incluye el GEM Port ID para identificar a qué servicio y a qué ONU/ONT pertenece.