Tecnología GPON: qué es, cómo funciona y para qué se usa

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Si te mueves en el mundo de las telecomunicaciones o simplemente quieres saber por qué tu conexión de fibra óptica vuela, la palabra GPON aparece por todas partes y no siempre se explica bien. No es solo “fibra óptica rápida”: detrás hay una arquitectura, protocolos y estándares muy concretos que han cambiado la forma de desplegar redes FTTH.

A lo largo de este artículo vamos a desgranar con calma qué es GPON, cómo funciona por dentro, qué elementos la componen, qué ventajas y limitaciones tiene frente a otras tecnologías de acceso y hacia dónde evoluciona (XG-PON, XGS-PON, NG-PON2, etc.). La idea es que, termines o no tirando fibra en tu día a día, entiendas por qué todos los operadores han apostado por esta tecnología y qué significan siglas como OLT, ONT, OMCI o DBA.

Qué es la tecnología GPON y en qué se diferencia de la “fibra” a secas

Cuando hablamos de GPON estamos hablando de un estándar concreto: Gigabit-capable Passive Optical Network, o Red Óptica Pasiva con Capacidad Gigabit. Lo publica el ITU-T en la serie de recomendaciones G.984.x y define cómo deben ser las redes PON capaces de superar 1 Gbit/s usando componentes intermedios totalmente pasivos.

A diferencia de decir simplemente “fibra óptica”, que solo describe el medio físico, GPON define una arquitectura punto-multipunto en la que una única fibra que sale de la central se comparte entre muchos usuarios mediante divisores ópticos (splitters), sin switches activos ni equipos alimentados entre medias.

En la práctica esto significa que a través de una sola infraestructura de fibra se pueden ofrecer servicios de Internet de banda ancha, voz (telefonía tradicional o VoIP) y televisión digital/IPTV, además de otros servicios empresariales (VPN, E1/STM-1, cámaras IP, WiFi, etc.). Todo viaja encapsulado sobre un mismo sistema de tramas llamado GTC usando el método de encapsulación GEM.

El estándar ITU-T G.984 fija velocidades típicas de hasta 2,488 Gbit/s en sentido descendente y 1,244 Gbit/s en sentido ascendente por cada puerto PON, con divisiones de hasta 1:128 usuarios por fibra y alcances físicos habituales de 20 km (lógicos, hasta 60 km gestionados por las capas MAC/TC).

En resumen, cuando lees en tu router “GPON” no estás viendo solo un tipo de fibra, sino toda una forma de estructurar la red de acceso con componentes pasivos, fuerte seguridad y gestión avanzada, pensada para operadores y grandes despliegues FTTH.

Arquitectura básica de una red GPON

La arquitectura GPON sustituye el clásico diseño Ethernet de tres niveles (núcleo, distribución y acceso) por una estructura óptica de solo dos niveles. Se eliminan los switches de acceso y, muchas veces, de distribución, a favor de divisores ópticos que no consumen energía.

En un esquema simplificado tenemos en el lado del operador los routers de core (L3), pero desde ahí hacia el cliente la capa de acceso se construye con fibra, OLTs, splitters y ONTs, todo el tramo entre la OLT y la ONT basado en elementos pasivos. Eso reduce armarios, salas técnicas, cableado de cobre y también el gasto eléctrico.

Componentes principales: OLT, ODN, splitters y ONT/ONU

Una red GPON típica se compone de bloques muy bien definidos, cada uno con su papel para que el sistema funcione de forma transparente al usuario:

• OLT (Optical Line Terminal): es el equipo activo situado en la central o sitio de equipamiento del operador. Desde cada puerto PON de la OLT parte una fibra hacia la red de distribución óptica. La OLT agrega el tráfico de todas las ONT, asigna ancho de banda, aplica QoS, encripta y desencapsula las tramas hacia la red IP/MPLS de agregación.
• ODN (Optical Distribution Network): es el conjunto de fibras, bandejas, repartidores, cajas de empalme y, sobre todo, los divisores ópticos pasivos que “reparten” la señal. La ODN no lleva alimentación y no responde a la OLT, solo introduce pérdidas ópticas que hay que tener muy en cuenta en el presupuesto de potencia.
• Splitters ópticos: son los divisores pasivos que permiten pasar de 1 fibra a varias (1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32, 1:64, 1:128). Se comportan como “réplicas” de la señal: todo lo que entra se copia en todas las salidas, de ahí que se requiera cifrado fuerte en downstream para mantener la confidencialidad.
• ONT/ONU (Optical Network Terminal / Unit): es el equipo instalado en casa o en la empresa del cliente. Termina la fibra, convierte la señal óptica en eléctrica y ofrece interfaces Ethernet, WiFi, RJ11, CATV u otras hacia los dispositivos del usuario. Muchas ONT modernas integran router WiFi, puertos de voz y gestión remota (TR-069 u OMCI).

Entre la OLT y las ONT no hay switches ni repetidores activos. Todo el trabajo de control, multiplexación y gestión de tiempos lo hace la OLT, lo que simplifica mucho la topología pero exige una inteligencia importante en el extremo de la central.

Medio físico y longitudes de onda

GPON utiliza fibra monomodo y multiplexación por división en longitud de onda (WDM) para enviar tráfico en ambas direcciones sobre el mismo hilo. Las longitudes de onda típicas son 1490 nm para el sentido descendente y 1310 nm (≈1290-1330 nm) para el ascendente; si se añade vídeo RF overlay se suele usar 1550 nm adicionalmente.

Gracias a la baja atenuación de la fibra (unos 0,35 dB/km en esas longitudes de onda) y a potentes láseres en la OLT, se consiguen alcances físicos de hasta 20 km con divisiones masivas. Aun así, hay que sumar pérdidas por splitters, empalmes, conectores y curvaturas para no superar el presupuesto máximo que marca la clase óptica (B+, C, etc.).

Cómo funciona GPON: de la OLT a la ONT y vuelta

La magia de GPON está en cómo consigue que decenas o incluso más de un centenar de ONT compartan la misma fibra sin pisarse, manteniendo latencias bajas y un uso eficiente del ancho de banda. Para eso combina tramas fijas de 125 μs, TDMA, asignación dinámica de ancho de banda y cifrado por flujo.

Sentido descendente: transmisión tipo difusión segura

En downstream, la OLT envía continuamente tramas GPON (GTC) de 125 microsegundos, incluso cuando no hay mucho tráfico de usuario. Esas tramas se difunden a todas las ONT que cuelgan de ese puerto PON a través de los splitters, usando la longitud de onda de bajada.

Dentro de la trama GTC hay dos bloques fundamentales: el PCBd (Physical Control Block downstream), que lleva la cabecera, sincronización, FEC y el mapa de ancho de banda (BWmap), y la parte de carga útil donde viajan las PDU GEM encapsulando tramas Ethernet, celdas TDM, voz, etc.

Cada ONT recibe todo, pero solo procesa lo que le corresponde: se fija en los identificadores de puerto GEM y en su ONU-ID para extraer únicamente los datos destinados a sus servicios. Gracias al cifrado AES-128 por flujo, aunque otra ONT pudiera leer la trama, no podría descifrar el contenido de servicios ajenos.

Este modelo de difusión con filtrado local simplifica el envío de tráfico multicast (por ejemplo, canales de IPTV): la OLT solo envía una copia de cada flujo de televisión y todas las ONT interesadas lo sintonizan, sin replicación innecesaria de tráfico.

Sentido ascendente: TDMA, ráfagas y DBA

En upstream el problema es justo el contrario: si todas las ONT encendieran su láser a la vez, los datos colisionarían en el splitter y llegarían mezclados a la OLT. GPON resuelve esto usando TDMA (acceso múltiple por división en tiempo) con una temporización muy precisa.

La OLT mide la distancia a cada ONT mediante un proceso de ranging, obtiene el retardo de ida y vuelta (RTD) y calcula un retardo de ecualización (EqD) individualizado. Así compensa las diferencias de distancia y “virtualmente” alinea todas las ONT a la misma distancia aparente.

Con esa información, en cada trama descendente la OLT incluye en el BWmap qué intervalos de tiempo exactos puede usar cada T-CONT (contenedores de transmisión) de cada ONT. Cuando a una ONT le toca su slot, activa su transmisor óptico, envía la ráfaga y lo apaga en cuanto termina, para no molestar al siguiente.

La asignación de esos slots puede ser fija o dinámica. El mecanismo de DBA (Dynamic Bandwidth Allocation) permite a la OLT ajustar en tiempo real la cantidad de ancho de banda ascendente para cada ONT según sus colas, su clase de servicio y el estado global de la PON, optimizando el uso del canal compartido.

Estructura de tramas, GEM y pila de protocolos

Por debajo, el protocolo GPON define una pila específica. En la parte física tenemos la capa PMD (Physical Medium Dependent), que se encarga de la transmisión óptica. Encima está la capa GTC (GPON Transmission Convergence), responsable de la estructura de tramas, FEC, OAM, TDMA y encapsulación de servicios.

Para transportar datos de usuario, GPON usa dos opciones de enlace: ATM (heredada de APON/BPON y prácticamente en desuso) y sobre todo GEM (GPON Encapsulation Method), un formato orientado a conexión que permite fragmentar tramas Ethernet y otros flujos en unidades de tamaño variable.

En la práctica, hoy casi todos los fabricantes implementan solo GEM: las tramas Ethernet se encapsulan 1:1 en tramas GEM y estas se empaquetan dentro de las tramas GTC. Encima podemos montar sin problema IP, VLAN, VoIP, E1, T1, servicios de operador, etc.

Gestión y control: OMCI y OAM

Uno de los grandes objetivos del estándar GPON era poder gestionar las ONT en remoto y minimizar las visitas a casa del cliente. Para eso se definió OMCI (ONT Management and Control Interface), descrito en ITU-T G.984.4.

OMCI utiliza un puerto GEM dedicado entre la OLT y cada ONT para intercambiar mensajes de gestión: creación y borrado de servicios, configuración de puertos, estadísticas, alarmas, eventos de fallo, etc. La OLT actúa como maestro y la ONT como esclavo, respondiendo de forma asíncrona a las peticiones.

Además de OMCI existe una capa de OAM física (PLOAM) con mensajes específicos tanto en downstream como en upstream, utilizada para tareas de operación, mantenimiento, ranging, control de potencia y señalización de estado del enlace óptico.

Capacidades, límites y presupuesto de potencia en GPON

En el diseño de una red GPON entran muchos factores físicos y de ingeniería. El estándar establece unos límites teóricos y clases ópticas que determinan hasta dónde se puede estirar la red sin poner en riesgo la calidad de servicio.

Alcance, relación de división y capacidades máximas

GPON define un alcance lógico máximo de 60 km, que es lo que las capas MAC/TC pueden gestionar (ranging, sincronización, FEC). Sin embargo, a nivel físico, la distancia entre el punto de envío/recepción y recepción/envío suele limitarse a unos 20 km por la atenuación acumulada.

La distancia diferencial máxima entre la ONT más cercana y la más lejana a una misma OLT también se restringe a 20 km, para que el sistema de TDMA pueda acomodar todos los retardos con un EqD razonable.

La división se ve limitada por el presupuesto de potencia: configuraciones típicas son 1:16, 1:32, 1:64 e incluso 1:128 usuarios por puerto PON. A mayor relación de split, mayores pérdidas en los divisores y más exigente debe ser la clase óptica (por ejemplo, C+ frente a B+).

En cuanto a velocidad, el modo más implantado de GPON ofrece 2,48832 Gbit/s de bajada y 1,24416 Gbit/s de subida. Estos valores se comparten entre todos los usuarios del puerto, pero gracias a DBA y a que no todos saturan a la vez, se logra una experiencia más que suficiente para servicios de hasta 1 Gbps por cliente.

Presupuesto energético y pérdidas ópticas

El presupuesto de potencia es la diferencia entre la potencia mínima que la ONT es capaz de recibir y la potencia mínima garantizada que entrega la OLT. Esa ventana debe ser suficiente para absorber todas las pérdidas del camino óptico.

Entre las principales fuentes de pérdida encontramos:

• Pérdida en los divisores, que aumenta con la relación de división (un 1:2 introduce ~3 dB, un 1:32, bastante más, además de pérdidas de inserción).
• Atenuación de la fibra, en torno a 0,35 dB/km para 1310 y 1490 nm.
• Empalmes y conectores, cada uno con pérdidas típicas (≥0,2 dB en empalmes, ≈0,6 dB en conectores).
• Curvaturas y radio de doblado, que pueden añadir pérdidas adicionales si no se respetan las especificaciones del cable.

En función de la clase (B+, C, etc.) el estándar marca un rango de atenuación mínima y máxima que la PON debe cumplir. Si el enlace queda por debajo, puedes saturar el receptor; si se pasa por encima, perderás sincronismo. Por eso el diseño óptico de la ODN es tan crítico como la elección de equipos.

Ventajas, inconvenientes y usos típicos de GPON

La adopción masiva de GPON por parte de grandes operadores de todo el mundo no es casualidad. Ofrece un equilibrio muy bueno entre coste, prestaciones, escalabilidad y eficiencia energética, aunque no todo son rosas y hay algunos puntos a vigilar.

Ventajas clave de GPON

Entre los beneficios más destacables que aporta esta tecnología están:

• Mayor distancia de transmisión respecto al cobre: mientras que un enlace Ethernet sobre par de cobre está limitado a unos 100 metros, una PON GPON cubre cómodamente entre 10 y 20 km sin elementos activos intermedios.
• Velocidades muy elevadas y escalables: por puerto se manejan varios Gbit/s y, a nivel de estándar, ya existen evoluciones como XG-PON o XGS-PON que suben hasta 10 Gbit/s por dirección, con versiones de 25 Gbit/s e incluso NG-PON2 (hasta 40 Gbit/s) en el horizonte.
• Infraestructura pasiva y bajo consumo: no hay switches ni repetidores en el tramo de acceso, lo que reduce salas técnicas, aires acondicionados, SAI, mantenimiento y fallos. Es una tecnología muy eficiente energéticamente y más “limpia” de cara al medio ambiente.
• Menor ocupación física: los cables de fibra ocupan mucho menos que haces de cobre, se necesitan menos racks y se simplifican las canalizaciones. Una sola fibra puede atender hasta 128 ONT con un árbol de splitters bien diseñado.
• Coste total más bajo a medio y largo plazo: aunque las OLT y ONT no son baratas de entrada, la reducción de equipos activos, armarios y mantenimiento hace que el TCO frente a redes puramente Ethernet o HFC sea muy competitivo.
• Diversidad de servicios y alta calidad de servicio: GPON está pensado para transportar voz TDM, Ethernet, ATM, Frame Relay, vídeo, CCTV, WiFi, etc., con un modelo de QoS robusto que garantiza el ancho de banda mínimo por servicio y usuario cuando hace falta.
• Gestión remota avanzada: gracias a OMCI y OAM, el operador puede configurar, monitorizar y actualizar las ONT sin pisar la instalación del cliente, reduciendo drásticamente las visitas técnicas.

Principales inconvenientes y limitaciones

Aun con todas sus ventajas, hay varios aspectos de GPON que conviene tener presentes antes de lanzarse a un despliegue:

• Instalación delicada y exigente: trabajar con fibra implica empalmes muy precisos, conectores limpios y radios de curvatura controlados. Un empalme mal hecho o un conector sucio puede provocar pérdidas importantes o cortes intermitentes.
• Compatibilidad limitada entre equipos de distintos fabricantes: aunque el estándar define OMCI y otros aspectos, la interoperabilidad real entre OLT de un fabricante y ONT de otro aún no es perfecta. Muchos operadores bloquean ONT no homologadas y fuerzan el uso de sus equipos.
• Coste inicial de infraestructura: el despliegue de fibra hasta el hogar o la empresa, más OLT, tarjetas PON y ONT, supone una inversión considerable, especialmente si se parte de cero y no se aprovecha canalización existente.
• Dependencia del operador: toda la lógica está en la OLT, propiedad del operador. El cliente final suele tener poco margen para elegir ONT o modificar parámetros avanzados, lo que puede ser un problema para integradores o empresas con necesidades especiales.

Usos habituales de GPON hoy en día

El caso de uso estrella es el FTTH residencial: llevar banda ancha fija de muy alta velocidad, televisión e incluso telefonía al hogar, apoyándose en la misma fibra. Es el modelo que siguen la mayoría de grandes operadores de España, Europa, EEUU y Latinoamérica.

Muy popular para:

• Edificios y complejos residenciales u hoteleros, donde una sola infraestructura da servicio de Internet, IPTV, telefonía y cámaras.
• Redes de campus y empresas, sustituyendo diseños Ethernet de tres niveles por un esquema OLT + splitters + ONT en cada puesto o agrupación de puestos.
• Backhaul de torres móviles y redes municipales, aprovechando la alta capacidad y el largo alcance para conectar nodos alejados con poco equipamiento intermedio.

Elementos lógicos, seguridad y técnicas avanzadas en GPON

Más allá del hardware, GPON se apoya en una serie de mecanismos lógicos para gestionar usuarios, garantizar la calidad y proteger la información que circula por la PON.

Identificación de ONT, números de serie y T-CONT

Cada ONT se identifica en la OLT mediante un número de serie de 8 bytes: los cuatro primeros identifican al fabricante y los cuatro siguientes a la unidad concreta. A partir de ahí la OLT asigna un ONU-ID interno y lo asocia a un puerto físico de la tarjeta PON.

Para hacerlo manejable, ese número suele representarse en ASCII (8 caracteres) o en hexadecimal (16 dígitos). La OLT mantiene una tabla donde relaciona números de serie, ONU-ID, perfil de servicio, VLAN, etc., lo que permite controlar qué ONT se admiten y a qué se les da acceso.

En cuanto al tráfico, GPON usa contenedores de transmisión llamados T-CONT (Transmission Containers), que agrupan flujos GEM con requisitos similares de QoS. La OLT asigna ancho de banda y slots de tiempo a cada T-CONT según su tipo (fijo, asegurado, mejor esfuerzo, etc.).

DBA, FEC y corrección de errores

Como ya se ha comentado, la asignación dinámica de ancho de banda (DBA) permite a la OLT ajustar el uso del canal ascendente de forma continua. Las ONT envían informes de estado (DBRu) en sus tramas de subida indicando cuántos datos tienen pendientes y la OLT recalcula la asignación en cada trama de bajada.

Para mejorar la robustez se aplica FEC (Forward Error Correction) al menos en sentido descendente: se añaden bits de redundancia que permiten al receptor corregir ciertos errores sin pedir retransmisión. El estándar prevé FEC unidireccional, por lo que no hay feedback de errores, pero la calidad de transmisión mejora mucho en entornos con ruido o altas pérdidas cercanas al límite.

Cifrado de línea y gestión de claves

Debido a la naturaleza de difusión del tráfico descendente, la seguridad es crítica. GPON emplea AES-128 para cifrar los flujos de datos entre la OLT y cada ONT, de forma que aunque todas reciban las mismas tramas, solo la ONT legítima pueda descifrarlas.

El proceso de intercambio de claves suele ser el siguiente: la OLT solicita a la ONT una nueva clave, la ONT la envía por un canal protegido, la OLT empieza a usarla para cifrar y se indica en qué número de trama se hará efectiva. La ONT cambia su clave de verificación en ese punto y, si todo va bien, el cifrado se actualiza de forma transparente para el usuario.

El uso de cifrado de línea está diseñado para que no introduzca sobrecarga adicional ni aumente la latencia, integrándose en la propia estructura de tramas GTC y manteniendo el aprovechamiento de ancho de banda.

Modos de protección y redundancia

El estándar contempla varios esquemas de protección para mejorar la disponibilidad de la red:

• Tipo A: se protege únicamente la fibra de alimentación con un enlace secundario. No requiere un puerto PON adicional en la OLT, pero no cubre fallos entre el divisor y la ONT.
• Tipo B: la OLT dispone de dos puertos GPON (activo y de protección) conectados a la misma ODN mediante un divisor 2xN. Se protege la fibra desde la OLT al splitter y las tarjetas de la OLT, pero no hay redundancia en la parte de distribución ni en las ONT.
• Tipo C: protección completa para OLT, ODN y ONT, con dos enlaces totalmente redundantes hasta el cliente. Puede ser 1+1 (tráfico duplicado permanentemente por ambas PON) o 1:1 (tráfico por una de ellas y cambio automático en caso de fallo). Es la opción más cara, pero ofrece la máxima disponibilidad.

Evolución de GPON: XG-PON, XGS-PON, NG-PON2 y otras alternativas

GPON ha sido y sigue siendo el estándar dominante en FTTH, pero la demanda de ancho de banda no para. Por eso el ITU-T y la industria han ido definiendo nuevas generaciones compatibles, capaces de convivir en la misma fibra pasiva.

XG-PON (10G-PON) y XGS-PON

XG-PON, definido en ITU-T G.987, es la evolución directa de GPON hacia 10 Gbit/s de bajada y 2,5 Gbit/s de subida, manteniendo relaciones de división similares (hasta 1:128) y compartiendo gran parte de la arquitectura. Usa otras longitudes de onda para no interferir con GPON, de modo que ambas pueden coexistir en la misma ODN con filtros WDM.

XGS-PON (G.9807.1) da un paso más y ofrece 10 Gbit/s simétricos (10G/10G), algo especialmente atractivo para empresas, teletrabajo intensivo, subida a la nube, contenidos 8K o servicios de operador que requieren simetría. También está pensado para coexistir con GPON, facilitando la migración progresiva.

En España, por ejemplo, operadores como Digi u Orange ya comercializan accesos basados en XGS-PON con velocidades nominales de hasta 10 Gbit/s, siendo habitual que el usuario vea alrededor de 8,5 Gbit/s reales por las limitaciones de las interfaces de cliente y overhead de protocolos.

NG-PON2, TWDM-PON y 25G PON

La siguiente vuelta de tuerca es NG-PON2 (G.989), que combina multiplexación en longitud de onda y en tiempo (TWDM). Permite hasta 40 Gbit/s de bajada (por ejemplo, 4 canales de 10G DWDM) y hasta 10 Gbit/s de subida por canal, con divisiones que pueden llegar a 1:256.

Este estándar no solo aporta más velocidad, sino también mayor flexibilidad al permitir que varios operadores compartan la misma infraestructura pasiva usando distintas longitudes de onda, algo muy interesante para desagregación y modelos mayoristas.

En paralelo se trabajan otras propuestas como 25G PON, que apunta a velocidades de 25 Gbit/s sobre una única longitud de onda, y soluciones basadas en TWDM-PON que siguen exprimiendo la fibra ya instalada.

WDM-PON y otras arquitecturas punto a punto

Una alternativa con otra filosofía es WDM-PON, donde en lugar de compartir la fibra mediante TDMA, se asigna una longitud de onda dedicada a cada usuario. Esto crea una especie de punto a punto lógico sobre una topología física pasiva.

WDM-PON ofrece un ancho de banda y un rango muy elevados y un aislamiento de tráfico excelente (cada usuario tiene su canal óptico). Es muy atractivo para entornos empresariales exigentes, aunque a día de hoy suele ser más caro y menos estandarizado que GPON/XGS-PON para despliegues masivos residenciales.

Quién utiliza GPON y cuál es su futuro en las redes FTTH

Desde mediados de los 2000, la mayoría de grandes operadores han ido apostando por GPON para sus despliegues de nueva generación. Verizon, France Telecom/Orange, Telefónica y muchas operadoras latinoamericanas arrancaron con pilotos y hoy tienen millones de hogares pasados con esta tecnología.

A nivel de negocio, se ha visto que la interoperabilidad entre fabricantes es casi tan crítica como el precio. A medida que los estándares maduran, se trabaja para que una OLT de un proveedor pueda gestionar ONT de otros, abriendo el mercado y abaratando costes, algo que ya ocurrió en su día con las tecnologías xDSL.

Hoy, prácticamente todos los accesos FTTH que se instalan en nuevos hogares o empresas se basan aún en GPON, pero la tendencia clara es que los operadores migren sus troncales y segmentos de clientes más exigentes a XGS-PON y posteriores generaciones, aprovechando que toda la parte pasiva (la ODN) sigue sirviendo.

En la práctica, la infraestructura desplegada para GPON no está ni mucho menos amortizada y seguirá dando servicio muchos años. Mientras tanto, las nuevas tecnologías PON permiten ir subiendo el listón de velocidad, calidad y simetría sin tener que rehacer zanjas ni cableados principales, consolidando la fibra óptica como el medio de referencia para las próximas décadas.

Base de la conectividad fija: todo este ecosistema hace que GPON y sus evoluciones sean hoy la base de la conectividad fija: una combinación de arquitectura pasiva, altas capacidades, buena eficiencia energética y enormes posibilidades de crecimiento que permiten a operadores, empresas y usuarios finales disfrutar de servicios de voz, datos y vídeo con una calidad y estabilidad impensables en las redes de cobre tradicionales.