Banda larga via cable modem, como funciona

Banda larga via cable modem da NET Virtua

Como funciona?

A banda larga "via cable" tem se popularizado no Brasil nos últimos anos. Já em 2009, a NET ultrapassou a Vivo em número de assinantes, conforme vários sites de notícias informaram na época. Essa popularização ocorreu principalmente por causa da oferta de serviços triple play– TV por assinatura, Internet e telefonia – por parte da NET, em 2006. A partir da oferta de “combos”, a NET conseguiu aumentar sua base de clientes e consequentemente aumentar sua participação no mercado de banda larga. Mas apesar desta popularização, existe muita desinformação no que se refere ao funcionamento da banda larga via cabo, provocado principalmente por estratégias de marketing.

O que normalmente chamamos de banda larga "via cable" ou "via cabo", é na verdade via DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) sobre uma rede HFC (Hybrid Fiber-Coax). DOCSIS é uma especificação (ou protocolo) para transmissão de dados em redes HFC. Existe ainda a especificaçãoPacketCable,  complementar à DOCSIS, utilizada para transportar dados multimídia sobre a rede HFC, sendo que atualmente é utilizada apenas para transportar voz sobre IP (VoIP). Uma rede HFC é composta por cabos de fibra óptica e cabos coaxiais. Poderíamos afirmar que a parte física da rede é HFC enquanto a parte lógica é DOCSIS. Uma rede DOCSIS/HFC é composta de um determinado número de equipamentos, ativos e passivos, responsáveis pelo seu funcionamento e gerenciamento. A figura 1 mostra uma visão simplificada de uma rede HFC (portanto, da parte física da rede).

Figura 1

  Alguns elementos da rede HFC mais próximos ao cliente são mostrados na figura 2.

Figura 2

Nota: o termo "Centro de Operações" é originalmente chamado de headend em inglês; porém, como não existe equivalente direto em português para esta palavra, preferi utilizar o termo "Centro de Operações", por ser similar ao termo Central Office amplamente utilizado em diagramas de outras tecnologias, como xDSL, FTTH, etc. Da mesma forma, utilizo aqui o termo "Nó óptico" em referência ao termo original em inglês optical node (ou também fiber node).

Iniciando pelos elementos de rede externos mais próximos ao cliente, podemos descrever e analisar os seguintes:

Feeder: é o cabo coaxial, pertencente ao segmento secundário de uma rede HFC, que inicia no nó óptico e estende-se por toda uma determinada área (um ou mais bairros, por exemplo). O comprimento do feeder depende da arquitetura da rede (extensão da fibra óptica, capilaridade desejada, etc), podendo alcançar até 3 Km. Nas redes aéreas, os feeders são suspensos e presos aos postes por cabos de aço (como os cabos de telefonia). Como o cabo coaxial sofre mais retração ou expansão térmica do que o cabo de aço, é necessário criar "pontos de expansão" ou "barrigas" nos feeders, junto a cada poste. Estes pontos de expansão também são utilizados para a instalação de novos equipamentos, se (ou quando) for necessário.

Figura 3 - feeder com pontos de expansão (setas vermelhas)

Tap: é utilizado para distribuir ou combinar os sinais de RF (Radio Frequency). Possui uma entrada, algumas saídas secundárias (geralmente duas, quatro ou oito) e uma saída principal. Sendo assimétrico, o tap distribui uma porção do sinal de entrada entre as saídas secundárias, direcionando a maior parte do sinal para a saída principal. O sinal de upstream originado no cliente é multiplexado (ou 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. A figura 4 mostra um tap com quatro saídas secundárias.

Figura 4

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

Amplificador: devido às altas frequências utilizadas na rede HFC (mais detalhes na segunda parte deste artigo), o sinal sofre atenuação - isto é, diminuição de intensidade ao propagar-se pelo cabo coaxial. Por este motivo é necessária a utilização de amplificadores nos feeders em intervalos regulares. 

Figura 5 – amplificador (seta vermelha)

                                 

A amplificação é bidirecional, atuando tanto no sinal de downstream quanto no de upstream. Entretanto, cada amplificador instalado introduz distorções no sinal (devido às suas características eletrônicas), limitando a quantidade destes equipamentos por feeder. Normalmente são instalados três ou quatro amplificadores por feeder, embora existam referências de até seis. 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.

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 6 é mostrada uma fonte de alimentação da NET, onde pode ser visto o armário metálico que armazena os circuitos lógicos e as baterias.

Figura 6

 Abaixo do armário, pode ser visto o medidor de consumo de energia elétrica (para aferição da companhia de energia elétrica), e acima do medidor (atrás do armário) está o protetor contra descargas na rede. O protetor é necessário devido aos vários fatores que podem provocar alteração na voltagem fornecida à fonte, como raios, problemas ou manutenções na rede elétrica, queda de árvores nos cabos da rede HFC, etc.

A fonte possui duas luzes (LEDs) indicativas de status: a verde é chamada de ACI (AC Indicator) e indica que a voltagem de saída (90 V) está estabilizada; a vermelha é chamada de LRI (Local Remote Indicator) e indica operação através das baterias. A luz vermelha pode ainda ser piscante, indicando um problema no circuito que necessita de manutenção. As luzes de status são indicadas pela seta vermelha na figura 7 (luz verde à esquerda e vermelha à direita). Estas informações foram extraídas do manual do fabricante das fontes de alimentação utilizadas pela NET - a Alpha. Entretanto, todas as fontes da NET observadas em Porto Alegre encontram-se com as duas luzes sempre desligadas. Algumas vezes, é possível encontrar fontes apenas com a luz vermelha permanentemente acessa.

Figura 7

A energia elétrica fornecida pela fonte de alimentação é inserida no feeder através de um "injetor de força", como o mostrado na figura 8. O cabo coaxial energizado proveniente da fonte de alimentação é acoplado ao injetor, juntamente com um dos segmentos do feeder. O injetor localiza-se quase sempre em um raio de cerca de 1 metro a partir da fonte de alimentação.

Figura 8

Trunk: em uma rede HFC, a parte principal do segmento de distribuição é composta por cabos de fibra óptica monomodo (isto é, apenas um feixe de luz transita pela fibra óptica), que transportam o sinal originado no centro de operações até os nós ópticos, que por sua vez distribuem o sinal através dosfeeders. Estes cabos de fibra óptica são denominados trunks, e interligam os CMTSs (descritos posteriormente) 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.

Conforme será analisado posteriormente, cada nó óptico atende um determinado número de clientes, e este número vem sendo reduzido nos últimos anos, visando aumentar a largura de banda disponível para cada cliente. Em redes mais antigas, o número de nós ópticos era menor, pois cada um deles atendia um número maior de clientes. Dessa forma, a rede HFC de uma área (uma ou mais cidades, por exemplo) possuía poucos nós ópticos, sendo economicamente viável interligar cada um deles ao centro de operações por um par de fibras ópticas dedicadas.

Entretanto, a partir do momento em que cada nó óptico começa a atender menos clientes, é necessário aumentar o número destes equipamentos na rede HFC desta área, podendo chegar às centenas de unidades. Ora, interligar centenas de nós ópticos ao centro de operações por fibras ópticas dedicadas torna-se extremamente caro, tanto pelo custo do material em si quanto pelo custo da mão-de-obra necessária para instalar a fibra óptica (que sabidamente representa a maior parte do custo de uma rede metropolitana). Somando-se à isto o fato de que cada trunk contém no mínimo duas fibras ópticas (quatro, para oferecer redundância e até oito dependendo dos planos futuros da operadora) – uma paradownstream e outra para upstream – o custo torna-se maior ainda. Neste caso, utilizar a topologia em anel faz mais sentido e proporciona um gasto menor para a proprietária da rede. A figura 9 ilustra as diferenças entre as topologias em questão, de forma que seja possível ter uma pequena noção dos recursos exigidos por cada uma.

Figura 9

O comprimento dos trunks depende de vários fatores, como frequência da rede (750/860 Mhz ou 1 Ghz), comprimento de onda da luz emitida pelo laser do nó óptico e quantidade de canais transmitidos, mas na topologia em estrelatipicamente chega a até 25 Km. O comprimento máximo de um trunk operando com laser à 1310 nm situa-se entre 35 e 40 Km. Já se o laser operar à 1550 nm e se for utilizado um amplificador EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) tanto no centro de operações quanto no nó óptico, o comprimento máximo pode chegar à 100 Km. Multiplicando o número de nós ópticos da figura por setenta ou oitenta (dependendo do número de clientes atendidos por nó óptico), podemos facilmente perceber que o custo desta topologia seria excessivamente alto.

Já na topologia em anel, as distâncias entre nós ópticos são menores – variáveis, mas menores – implicando uma quantidade menor de cabos a ser utilizada. É importante ressaltar que a proprietária da rede HFC provavelmente utiliza vários anéis para cobrir uma determinada área, ao invés de um único grande anel. Esta configuração proporciona o isolamento de problemas na rede, limitando-os à uma área geográfica menor. Podemos inferir isto baseado em incidentes acontecidos na rede da NET em Porto Alegre, onde vários bairros ficaram sem sinal devido à problemas nos cabos de fibra óptica (referências aqui e aqui).

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. A figura 10 ilustra o processo de distribuição do sinal.

Figura 10

Conforme explicado anteriormente, uma rede HFC é composta por um híbrido de cabos de fibra óptica e coaxiais. Os cabos de fibra óptica ou trunks se estendem do centro de operações até os nós ópticos, de onde saem os cabos coaxiais oufeeders. Ao chegar no nó óptico, o sinal de downstream é convertido de óptico para elétrico e inserido nos feeders, da mesma forma que o sinal de upstreamoriginado nos clientes e transmitido através dos feeders é convertido de elétrico para óptico e inserido na fibra óptica dedicada ao fluxo de upstream. Existem modelos de nós ópticos que utilizam WDM (Wavelength Division Multiplexing) para transmitir tanto o sinal de downstream quanto o de upstream na mesma fibra óptica utilizando comprimentos de onda diferentes. Ao pesquisar sobre a utilização de nós ópticos com WDM em redes HFC no Brasil, não encontrei nenhuma informação; entretanto, para a utilização de topologia em anel, é altamente provável que as operadoras utilizem CWDM (Coarse WDM), pelo seguinte motivo: a não utilização de WDM implica a utilização de um cabo de fibra óptica exclusivo para upstream em cada nó óptico, praticamente eliminando as vantagens oferecidas pela topologia em anel (citadas no item "Trunk").

Figura 11, Nó óptico da Net

Um nó óptico pode possuir (e normalmente possui) até quatro saídas coaxiais, que podem ser amplificadas separadamente (dependendo do modelo e do fabricante). Cada saída coaxial, ou saída de RF, pode atender uma área específica. Por exemplo: inicialmente pode ser utilizada apenas uma saída de RF para atender um grupo de 1000 clientes. Então, conforme surgir necessidade de mais largura de banda, podem ser utilizadas as outras três saídas de RF para dividir o grupo de clientes por quatro, obtendo assim quatro áreas atendendo 250 clientes. Esta divisão seria o equivalente à utilização de quatro nós ópticos que possuíssem apenas uma saída de RF. Poderíamos dizer que cada saída de RF constitui um "nó óptico virtual", capaz de segmentar a parte coaxial da rede e proporcionar mais largura de banda por cliente.

Estes equipamentos podem operar com LEDs ou lasers de estado sólido, sendo o último predominante devido à potência necessária para a transmissão do sinal óptico à grandes distâncias. O laser pode emitir luz com um comprimento de onda de 1310 ou 1550 nm, ou mesmo os dois caso seja utilizado WDM. Estes comprimentos de onda específicos são utilizados em transmissões via fibra óptica porque proporcionam o menor nível de atenuação dentre todos os comprimentos de onda utilizados. Isto acontece porque na fibra óptica a atenuação varia de acordo com o comprimento de onda da luz utilizada.

Um fato interessante a respeito do nó óptico, é que o sinal transmitido através dele não é digital, mas analógico – os dados enviados pelo CMTS através da fibra óptica não são compostos por 0's e 1's, mas por um intervalo de valores representado pela intensidade da luz emitida pelo laser (este assunto será tratado com mais detalhes na segunda parte deste artigo). Este tipo de transmissor – seja óptico ou elétrico – é denominado "transmissor linear", e o receptor é denominado "receptor linear". Sendo assim, o nó óptico não necessita realizar nenhum tipo de processamento do sinal que converte, podendo ser categorizado como um "mero" conversor de mídia (ou conversor de meio físico), já que apenas converte o sinal do meio óptico para elétrico e vice-versa. Aqui é importante ressaltar: "converter" o sinal não significa "processar" o sinal – são ações distintas. Para o sinal ser processado, os dados que ele transmite teriam que ser analisados e/ou modificados, o que não ocorre. Na conversão, o sinal é apenas transferido de um meio físico para outro, sem sofrer alteração em seu conteúdo. A amplificação do sinal elétrico (isto é, depois da conversão opto-elétrica) também não altera seu conteúdo.

Mas porque os dados que trafegam pela fibra óptica não são digitais? Porque antes do advento da tecnologia HFC, os trunks eram cabos coaxiais mais grossos, capazes de transmitir o sinal até as ramificações próximas às áreas de distribuição. Sendo assim, o sinal de RF era transmitido de uma ponta à outra de forma modulada (inerentemente analógica). Ao substituir uma parte dos cabos coaxiais por fibra óptica, era necessário manter a natureza do sinal ou então equipar os nós ópticos com equipamentos complexos chamados moduladores QAM (Quadrature Amplitude Modulation), que são integrados ao CMTS (embora exista a arquitetura modular, onde o modulador QAM é um dispositivo separado, ainda assim deve ser interligado diretamente ao CMTS). Então, para evitar mudanças complexas na rede – que tornariam o custo proibitivo – o tipo de sinal transmitido pela fibra óptica foi mantido o mesmo dos cabos coaxiais. Assim, a troca de cabos coaxiais pela fibra óptica tornou-se imperceptível aos demais elementos da rede HFC.

Um nó óptico costuma atender um grande número de clientes, que pode variar de acordo com o país, a arquitetura da rede e a "profundidade" (ou penetração) da fibra óptica. Segundo algumas referências, o número típico de clientes por nó óptico ao redor do mundo costumava estar entre 500 e 2000. Porém, a necessidade de mais largura de banda – seja pelos serviços oferecidos ou pela concorrência com o xDSL – obrigou as operadoras de TV à cabo a diminuirem o número de clientes por nó óptico. Atualmente, fora do Brasil, o número de clientes por nó óptico pode chegar a 25. No Brasil, o número de usuários por nó óptico vem sendo reduzido de 2000 para cerca de 500, sendo que o próximo passo é reduzir para cerca de 120,  segundo esta reportagem. Quanto mais largura de banda os usuários (ou os serviços sendo oferecidos) exigirem, menos clientes devem compartilhar o mesmo nó óptico.

Fiber dome closure: também conhecido como FOSC (Fiber Optical Splice Closure) ou "bolsa coletora", é um recipiente onde são criadas as emendas (ou "soldas") nos cabos de fibra óptica. Em redes ópticas de telecomunicações, quando a distância entre dois pontos que devem ser ligados por fibra óptica é muito grande para um único cabo, é necessário criar uma emenda. As emendas também podem ser necessárias caso os cabos sejam diferentes - por exemplo, emendar um cabo de 48 fibras à quatro cabos de 12 fibras - ou em caso de ruptura acidental do cabo. Uma vez que um ou mais cabos são emendados, devem ficar protegidos contra intempéries, poeira ou tensão mecânica. Esta é a finalidade do FOSC: proteger as emendas, além de proporcionar um ponto em comum para emendas na rede.

Figura 12  fiber dome closure, "bolsa coletora" ou FOSC

Depois de realizada a emenda, o FOSC é fechado e selado mecanicamente para que não haja entrada de ar, proporcionando um ambiente praticamente livre de impurezas que possam afetar a emenda. O invólucro é geralmente composto de plástico de alta resistência, e as partes metálicas internas de aço inoxidável. O FOSC não pode ser qualificado como um elemento de rede - como todos os outros já citados - mas merece menção por ser comum (e bem visível) em redes ópticas, incluindo redes HFC.

CMTS: localizado no centro de operações, 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 (I-CMTS, ou Integrated CMTS) ou como equipamentos separados (M-CMTS, ou Modular CMTS). Neste artigo, o termo CMTS refere-se ao conjunto de dispositivos que controlam a rede DOCSIS, não efetuando distinção em sua arquitetura.

Figura 13 (CMTS)

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 conectores RF podem ser vistos na figura 13. Um diagrama simplificado das conexões do CMTS é mostrado na figura 14.

Figura 14

A segunda parte deste artigo tratará do funcionamento de uma rede DOCSIS e detalhará este processo, mas podemos adiantar que os pacotes IP originados no cliente chegam ao CMTS através de frames ethernet encapsulados em framesDOCSIS. O CMTS então extrai os pacotes IP dos frames e efetua o roteamento adequado: se forem dados do usuário (transmitidos pela interface ethernet docable modem), eles são encaminhados até um roteador de borda que atua comogateway 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 (STFC, ou Serviço Telefônico Fixo Comutado), então um dos equipamentos que operam a redePacketCable efetua a devida conversão e roteamento. Deve ser ressaltado que esta é uma simplificação do processo: os CMTSs conectam-se à rede IP da operadora, que possui uma configuração mais complexa do que a demonstrada na figura 14. Já no sentido oposto - da Internet (ou da rede IP da operadora) para o cliente - os pacotes IP são recebidos pelo CMTS e encapsulados em frames MPEG-TS (MPEGTransport Stream) que são transmitidos através da rede HFC como um canal de TV normal.

Outra função concernente ao CMTS é gerenciar a transmissão de dados na rede DOCSIS através do controle dos cable modems ou EMTAs (analisado posteriormente). Aqui é importante notar que o CMTS lida apenas com a transmissão de dados na rede HFC, através da especificação (ou protocolo) DOCSIS. A transmissão de canais de TV (sejam analógicos ou digitais) e VoD (Video on Demand) não são  gerenciados pelo CMTS, que não tem conhecimento da existência destes serviços. 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 e por quanto tempo, por exemplo. Estas decisões são baseadas em algoritmos consideravelmente complexos, que analisam várias informações sobre a rede física e lógica.

Um CMTS atende um grande número de clientes, mas este número depende de alguns fatores complexos, como a qualidade da rede HFC, número total de casas passadas, performance dos serviços de rede, número de usuários por portaupstream, etc, conforme descrito neste artigo. Números típicos situam-se entre 4.000 e 150.000 ou mais clientes por CMTS - na verdade, este número é alcançado somente pela utilização de vários módulos CMTS instalados em um ou mais chassis, sendo que o conjunto destes módulos representa um CMTS "global".

Até agora foram descritos os elementos de rede externos de uma rede HFC. Os elementos de rede internos (instalados no cliente) são os seguintes:

Cable modem: é o equipamento responsável por transformar o sinal de RF originado no CMTS em pacotes IP para o cliente e vice-versa. Possui uma interface RF e uma interface ethernet (ou USB, em alguns modelos). No sentido dedownstream, 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 emframes DOCSIS, modulando-os e enviando-os para a interface RF. A figura 15 mostra um diagrama simplificado da arquitetura de um cable modem.

Figura 15

Com o oferecimento de serviços de telefonia sobre a rede DOCSIS, tornou-se incomum disponibilizar cable modems aos clientes, uma vez que não possuem interfaces para aparelhos telefônicos. Sendo assim, apenas  clientes que não contratam serviços de telefonia recebem cable modems em sua instalação. Para aqueles que contratam os serviços de triple play é disponibilizado um EMTA, descrito a seguir.

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 EMTAs normalmente possuem 2 interfaces RJ-11 (de telefones comuns), permitindo a configuração de até duas linhas telefônicas por equipamento. A figura 17 mostra um EMTA da THOMSON.

Figura 17

Em alguns mercados, este mesmo modelo é comercializado pela RCA, conforme o detalhe de um EMTA fornecido pela NET, exibido na figura 18.

Figura 18

Tanto o cable modem quanto o EMTA realizam a mesma tarefa - enviar dados do usuário para o centro de operações e vice-versa. A única diferença é que o EMTA também transporta sinais telefônicos. Essa similaridade de funções faz com que os EMTAs sejam comumente chamados de cable modems pelo público em geral. Nas demais partes deste artigo, os termos serão utilizados em seus contextos específicos: cable modem referindo-se à banda larga e EMTA referindo-se à telefonia.

Aqui encerra-se a primeira parte deste artigo, que foi focada nos elementos ativos e passivos de uma rede DOCSIS/HFC. Conforme explicado anteriormente, a segunda parte deste artigo tratará do funcionamento da rede DOCSIS: modulações utilizadas, encapsulamento, alocação dinâmica de largura de banda, controle de transmissão por parte do CMTS, etc.