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Telefonía IP en Redes de Cable: Una Realidad. 1ª. de 2 partes

Revista Mundo-Contact

     

 

 

La idea de que los operadores de cable ofrecieran el servicio telefónico a sus suscriptores surgió por lo menos hace una década. Comcast y Cox, los dos operadores de cable líderes en los Estados Unidos, comenzaron a ofrecer telefonía en 1998 para competir con las compañías telefónicas ya establecidas, y se percataron de la viabilidad y aceptación del servicio al registrar tasas de penetración mayores al 20%. En ese entonces, la telefonía por cable se basó en el principio de operación de las redes telefónicas tradicionales y adoptó el esquema de conmutación de circuitos para ofrecer el servicio a sus suscriptores. Se confió ampliamente en esta tecnología por la estabilidad y eficiencia mostrada en las compañías telefónicas, y se llegó a pensar que estaría vigente durante muchos años dado que la telefonía basada en el Protocolo de Internet (IP) se consideraba más un sueño que una realidad.

 
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    Telefonía IP en Redes de Cable: Una Realidad. 1ª. de 2 partes

Irazú Muñiz*

La idea de que los operadores de cable ofrecieran el servicio telefónico a sus suscriptores surgió por lo menos hace una década. Comcast y Cox, los dos operadores de cable líderes en los Estados Unidos, comenzaron a ofrecer telefonía en 1998 para competir con las compañías telefónicas ya establecidas, y se percataron de la viabilidad y aceptación del servicio al registrar tasas de penetración mayores al 20%. En ese entonces, la telefonía por cable se basó en el principio de operación de las redes telefónicas tradicionales y adoptó el esquema de conmutación de circuitos para ofrecer el servicio a sus suscriptores. Se confió ampliamente en esta tecnología por la estabilidad y eficiencia mostrada en las compañías telefónicas, y se llegó a pensar que estaría vigente durante muchos años dado que la telefonía basada en el Protocolo de Internet (IP) se consideraba más un sueño que una realidad. La intención de los operadores de cable era generar ingresos adicionales y aumentar la base de suscriptores con nuevos servicios, y la telefonía parecía ser la mejor forma de lograrlo. Las alternativas para llevarlo a cabo eran utilizar la tecnología de conmutación de circuitos existente o esperar a que la tecnología basada en IP mostrara sus primeros avances. Ya también se concebía la posibilidad de ofrecer otro servicio en el mismo paquete y esa fue básicamente la razón por la cual algunos operadores decidieron desarrollar la telefonía utilizando la tecnología existente.

La telefonía de circuitos conmutados para redes de cable consistía en un equipo terminal digital en la cabecera, llamado HDT (Host Digital Terminal), e interfaces de red en la casa del suscriptor, conocidos como NIU (Network Interface Unit). El HDT se ocupaba de la comunicación entre el conmutador y la red de cable, mientras que la NIU convertía las señales digitales de RF en señales analógicas, y viceversa. Por su puesto que además, se necesitaba un conmutador para hacer las funciones propias de una central telefónica, tales como la interconexión con la Red Telefónica Pública, la asignación de números y el direccionamiento de las llamadas.

La arquitectura general de la telefonía conmutada en redes de cable, es como se muestra en la Figura 1 siguiente.

Figura 1. Arquitectura de la telefonía conmutada en una red de cable

A pesar de que con la telefonía conmutada se lograban bajos retrasos y estándares de calidad similares a los de la telefonía tradicional, los inconvenientes que representaba hacían pensar en la urgencia de desarrollar una tecnología menos compleja. El costo era alto para el operador de cable por la infraestructura requerida, un sistema de conmutación en cada región en que se ofrecía el servicio telefónico y unidades de distribución a máximo 6 millas de distancia del suscriptor. Por esta razón, sólo algunos operadores de cable decidieron introducirse en la telefonía con la tecnología conmutada.

La especificación PacketCable®

En septiembre de 1997, CableLabs comenzó a trabajar en un proyecto denominado PacketCable® en respuesta a las inquietudes que suscitaba la implantación de la telefonía en las redes de cable. Entre los propósitos establecidos estaba desarrollar una tecnología de menor costo, más flexible y eficiente, y que con el tiempo pudiera ofrecer servicios multimedia adicionales a la telefonía convencional para lograr la preferencia de los suscriptores. Fue hasta 2002 cuando se comenzó a probar equipo que cumplía con esta especificación y en 2003 comenzaron las instalaciones de prueba en distintas redes de cable para determinar el desempeño de la tecnología. El avance de PacketCable® dependía de dos aspectos: el desarrollo de la tecnología basada en el Protocolo de Internet (IP, Internet Protocol) y de la especificación DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) para la transmisión de datos en las redes de cable. En cuanto se probó el éxito de DOCSIS y muchas redes se volvieron bidireccionales, las redes de cable comenzaron a planear las aplicaciones de voz a través de PacketCable®.

El proyecto PacketCable® define las especificaciones de las interfaces que se utilizan en el diseño y fabricación de equipo compatible para ofrecer voz sobre IP, video y otros servicios multimedia que requieren altas tasas de transmisión. Utiliza el protocolo DOCSIS 1.1 como mecanismo de transporte debido a su capacidad para soportar servicios en tiempo real, y además, define diversos elementos como los codecs para voz, la señalización, el aprovisionamiento, la administración, la facturación, la seguridad y la interconexión con la Red Telefónica Pública Conmutada (RTPC) para conformar soluciones integrales de voz sobre IP en las redes de cable.

La arquitectura PacketCable® se diseñó para que fuera robusta, completa, que facilitara la comunicación punto a punto y pudiera soportar el servicio a millones de suscriptores en múltiples redes de cable; todo ello con buena calidad, confiabilidad y funcionalidades equivalentes a la telefonía tradicional.

Por su evolución, PacketCable® se divide en cuatro fases:

PacketCable® 1.0 es la primera versión de la especificación que define la arquitectura de referencia y describe las características de la interfaz de acceso del suscriptor y de los principales elementos que la integran. Asimismo, detalla las características de la señalización de la llamada, la calidad de servicio (QoS), los codecs, el aprovisionamiento de clientes, la recolección de mensajes de eventos para facturación, la interconexión con la RTPC e interfaces de seguridad necesarias para desarrollar una solución específica en una red de cable y ofrecer servicios de telefonía IP residenciales. Esta arquitectura fue diseñada para realizar funcionalidades equivalentes a las de un conmutador telefónico Clase 5 pero con conexión directa a una red de señalización # 7. PacketCable® 1.5 profundiza en la especificación de las interfaces de los componentes e incluye el mecanismo necesario para la disponibilidad del servicio en caso de fallas en el suministro eléctrico en la casa del suscriptor, así como el acceso a servicios de emergencia. Incluye nuevas funcionalidades y el uso del protocolo SIP para la administración de sesiones. Define los componentes funcionales e interfaces necesarias para habilitar la comunicación con las redes PacketCable® 1.0 utilizando una red de transporte IP. Se describen extensiones a la arquitectura de la primera versión para el intercambio de tráfico entre operadores de cable, sin tener que atravesar la RTPC. PacketCable® 2.0 esta versión está basada en el estándar IMS (IP Multimedia Subsystem) de tercera generación que incluye el desarrollo de una arquitectura para comunicaciones basadas en el protocolo SIP. Utiliza muchas de las entidades funcionales básicas de IMS para incorporar estos avances tecnológicos al desarrollo de soluciones para redes de cable y permite la administración de diversos servicios interactivos multimedia en la misma infraestructura de red. PacketCable® Multimedia es la especificación que garantiza la calidad de servicio vía DOCSIS 1.1 ó 2.0 para cualquier aplicación IP, maneja el Protocolo de Iniciación de Sesión (SIP, Session Initiation Protocol) para servicios de voz, y a diferencia de versiones anteriores, permite la innovación de servicios que no han sido previamente diseñados para esta especificación, sino que con el tiempo pudieran surgir y entonces se podrán adoptar fácilmente a las redes de cable.

La voz sobre IP fue el primer servicio pensado para la arquitectura PacketCable® porque el objetivo primordial de los operadores de cable consistía en fortalecer la r elación con sus suscriptores de televisión; posteriormente se plantearon otros servicios como los juegos interactivos, la videoconferencia y la mensajería unificada.

Algunas características que distinguen a la telefonía IP a través de PacketCable® en comparación con un servicio tradicional de VoIP, son las siguientes:

La telefonía PacketCable® es un servicio punto a punto, entre teléfonos convencionales y no entre computadoras personales o teléfonos digitales. Los servicios PacketCable® tienen prioridad sobre los de DOCSIS para asegurar su calidad y alta disponibilidad en las redes de cable. PacketCable® no transporta la voz sobre Internet sino a través de una red IP administrada a través de la cual se realiza la transmisión de los paquetes mediante el protocolo DOCSIS.

La arquitectura PacketCable®

Como se muestra en la Figura 2, la arquitectura PacketCable® está compuesta por tres redes integradas que, en conjunto, administran la llamada telefónica desde el origen hasta el destino final. Estas tres redes son:

1. La red de acceso – es la red de cable, algunas veces HFC, que utiliza DOCSIS como mecanismo de transporte para dar soporte al servicio multimedia en tiempo real y establece la conexión entre el suscriptor y el operador de cable. Para realizar el acceso, se emplea un dispositivo en el sitio del suscriptor y otro en la cabecera de la red de cable, éste último administra todas las conexiones y establece la comunicación entre la red de acceso y la red IP administrada.

2. La red IP administrada – es una red IP de banda ancha mediante la cual se interconectan los servidores especificados por PacketCable® en la cabecera de la red de cable. Se le denomina red administrada porque se emplea para interconectar diversas redes IP, redes DOCSIS o dispositivos que se comunican con la RTPC.

3. La Red Telefónica Pública Conmutada (RTPC) – como su nombre lo indica, es la red que permite la comunicación con usuarios externos a la red de cable a través de la red IP administrada y opera como mecanismo de transporte del tráfico multimedia.

Figura 2. Modelo de redes que integran la arquitectura PacketCable®

La arquitectura PacketCable® completa involucra un gran número de elementos con interfaces bien definidas que permiten establecer las comunicaciones multimedia punto a punto entre usuarios de la red de cable y externos a ella.

La Figura 3 muestra el modelo de referencia de PacketCable® y los elementos que la integran. Se distinguen nuevamente la red de acceso, la red IP administrada para interconectar todos los servidores y elementos que define la especificación y la RTPC, el límite de la red de cable.

Figura 3. Modelo de referencia de la red PacketCable®

En la red de acceso se distinguen tres dispositivos: el cablemodem, el Adaptador Terminal Multimedia (MTA, Multimedia Terminal Adapter) y el Sistema de Terminación de Cablemódems (CMTS, CableModem Termination System). El aparato telefónico convencional se conecta al MTA que convierte la señal de voz analógica en paquetes IP, y viceversa. Es un cliente PacketCable® con una dirección IP independiente, que además actúa como interfaz de señalización para controlar otros elementos de la red. El cablemodem, que también requiere una dirección IP independiente, puede integrarse en el MTA para disponer de un solo dispositivo que se conoce como eMTA (embedded MTA) o MTA integrado. Estos elementos se ubican en el sitio del suscriptor. En la cabecera de la red de cable, el CMTS se encarga de administrar los recursos de la red de acceso para los servicios PacketCable®. Reserva los recursos necesarios cuando se le solicita un servicio, monitorea la comunicación y finalmente termina el servicio cuando se hubo completado.

En la red IP administrada se integran múltiples elementos que de manera coordinada se encargan de establecer, entregar y liberar los servicios solicitados. Cada elemento realiza una función determinante en el óptimo funcionamiento de la red PacketCable®.

Se distinguen cuatro módulos importantes:
1. El Servidor de Administración de Llamadas (CMS)
2. El Servidores de Anuncios
3. Las Puertas de Enlace de Medios
4. Los servidores de “Back-office” y de aplicaciones

El primero de ellos, el Servidor de Administración de Llamadas (CMS, Call Management Server), realiza el control de las llamadas telefónicas y de otros servicios relacionados con la señalización para el MTA, el CMTS y las puertas de enlace con la RTPC, a través de la red PacketCable®.

Está compuesto por los siguientes elementos:

I. Agente de Llamadas (CA, Call Agent)

II. Controlador de Compuerta (GC, Gate Controller)

Figura 4. Diagrama a bloques del Servidor de Administración de Llamadas en PacketCable®

El Agente de Llamadas administra la llamada y controla el MTA, mientras que el Controlador de Compuerta controla la calidad de servicio y establece comunicación con el CMTS para que se le asignen los recursos necesarios al servicio.

Este servidor también realiza funcionalidades típicas de la telefonía digital tradicional como el buzón de voz y el identificador de llamadas, recibe el número telefónico marcado para direccionar la llamada, determina el perfil de cada cliente para otorgar ciertas funcionalidades de servicio y contiene el codec empleado para el procesamiento de la señal de voz analógica.

Existe una amplia gama de codecs disponibles para soluciones de voz, pero entre los más destacados se encuentran los siguientes:

CODECS CARACTERISTICAS TASA DE TRANSMISION

G.711

Primer codec utilizado en la telefonía digital que usa un esquema de codificación llamado PCM (Pulse Code Modulation) de 8 bits y una tasa de muestreo de 8,000 muestras por segundo para una señal de voz cuyo ancho de banda máximo sea de 4,000 Hz. Representa la mejor calidad de voz para la telefonía tradicional y aplicaciones de VoIP.

64 kbps
(sin compresión)

84 kbps
(con encabezados TCP/IP)

G.728 Codec estándar de la ITU de buena calidad, con capacidad para suprimir eco y su uso se destina a audio de baja fidelidad. No soporta mensajes de fax, señales de modem o la interpretación de tonos DTMF como G.711. 16 kbps
G.729E Codec estándar de la ITU – Su calidad es suficiente para conversaciones y audio de mediana calidad, pero al igual que G.728 no soporta funcionalidades de G.711. Requiere licencia de Sipro Lab Telecom o VoiceAge 11.8 kbps

El Servidor de Anuncios contiene los mensajes que se le presentan al suscriptor para informarle sobre el estado de la red o del servicio solicitado. Anuncios como: “el número que marcó se encuentra ocupado” o “el número que marcó está fuera de servicio”, son hechos por este elemento de la red PacketCable®. Lógicamente contiene dos elementos internos:

I. Controlador de Reproductor de Medios (MPC, Media Player Controller)

II. Reproductor de Medios (MP, Media Player).

Figura 5. Diagrama a bloques del Servidor de Anuncios en PacketCable®

El Controlador solicita al Reproductor que ejecute determinado anuncio de acuerdo con lo que el CMS le indique sobre el estado actual de la red o de la petición hecha. El MP reproduce el anuncio correcto al MTA o a la Puerta de Enlace de Medios.

La Puerta de Enlace de Medios que comunica la red PacketCable® con la RTPC, consiste en tres elementos lógicos:

I. Controlador de la Puerta de Enlace de Medios (MGC, Media Gateway Controller)

II. Puerta de Enlace de Medios (MG, Media Gateway)

III. Puerta de Enlace de Señalización (SG, Signaling Gateway)

Figura 6. Diagrama a bloques de la Puerta de Enlace con la RTPC en PacketCable®

El MGC recibe y actúa como mediador de la información de señalización de llamadas entre la red PacketCable® y la RTPC; controla a los otros dos elementos y se encarga del progreso de las llamadas que atraviesan esta frontera. En ocasiones se encuentra lógicamente integrado en el CMS.

La MG establece la comunicación entre la red PacketCable® y la RTPC, con base en las indicaciones que le hace el MGC para establecer y controlar conexiones entre clientes o puntos extremos. Su función principal es la conversión de la voz sobre IP a una señal apropiada para la RTPC; también detecta eventos en la RTPC, realiza la cancelación de eco, administra el tráfico de voz para colocarlo en las troncales telefónicas respectivas y genera reportes al MGC sobre el estatus de sus funciones.

Finalmente, la SG se encuentra en la red PacketCable® y se encarga de administrar la señalización con la RTPC. Es justamente el elemento en el que se realiza la conversión de la señalización entre estas dos redes, y de ella depende en gran parte el óptimo funcionamiento del servicio telefónico en la red de cable.

Los servidores de “Back-office”, también conocidos como Sistema de Soporte Operativo (OSS, Operational Support Systems),consisten en un amplio conjunto de elementos de soporte que realizan funciones como el aprovisionamiento de clientes, generan registros de eventos para la facturación del servicio, seguridad, desempeño de la red, histórico de eventos en la red, configuración, etc. En general, estos servidores se encargan de dar soporte a todos los procesos involucrados en el óptimo desempeño de la administración del negocio.

Los servidores “Back-office” determinados en la arquitectura PacketCable®, son los siguientes:

Servidores de Aprovisionamiento
• Servidor DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)
• Servidor DNS (Domain Name Server)
• Servidores TFTP (Trivial File Transfer Protocol) Servidor Syslog Servidor de Almacenamiento de Registros (RKS, Record Keeping Server)

Figura 7. Servidores de “Back-office” y de aplicaciones en PacketCable®

El servidor DHCP se utiliza durante el aprovisionamiento de los MTA y cablemódems para asignarles direcciones IP de manera automática; de lo contrario, sería necesario asignar manualmente una dirección IP a cada dispositivo que se diera de alta en la red o que cambiara de ubicación física. El servidor DHCP permite la administración, supervisión y distribución centralizada de las direcciones IP en la red.

El servidor DNS es una base de datos distribuida y jerárquica que almacena información sobre nombres de dominio en Internet. La asignación de nombres a direcciones IP, es su función más conocida, aunque también puede asociar distintos tipos de información a cada nombre.

El servidor TFTP es indispensable para transferir los archivos de configuración y actualización a los dispositivos de acceso por parte del CMTS. Sin esta funcionalidad, no sería posible habilitar, cancelar o actualizar información útil en el MTA y el cablemodem.

El servidor Syslog se utiliza para registrar eventos en la red IP y posibles fallas en el MTA, sobre todo relacionados con temas de seguridad del sistema; cada registro incluye la fecha y hora del evento para generar los respectivos reportes.

Finalmente, el Servidor de Almacenamiento de Registros (RKS) recibe mensajes de eventos del CMS, CMTS y MGC, los ordena en registros coherentes que posteriormente hace disponibles a otros servidores de facturación, de detección de fraudes y otros sistemas, para su respectivo uso.

Sistema de soporte operativo, seguridad, protocolos, acondicionamiento de la red y más información sobre PacketCable, en la segunda parte de este artículo.

*Irazú Muñiz, CINIT – CANITEC

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