Redes de telecomunicaciones “todo ópticas” - INII
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Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE-0502 Proyecto Eléctrico Redes de telecomunicaciones “todo ópticas” como solución para un núcleo de red eficiente Por: Josué David Díaz Mendoza Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Julio del 2012 Redes de telecomunicaciones “todo ópticas” como solución para un núcleo de red eficiente Josué David Díaz Mendoza Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado Por el Tribunal: ______________________________ Ing. Jhonny Cascante Ramírez, Msc. Profesor Guía ________________________________ Ing. Martin Espinoza González Profesor Lector ________________________________ Ing. Pablo Acuña Quirós Profesor Lector II DEDICATORIA Este proyecto se lo dedico primero a mi Señor Jesucristo, por su amor, fuerza y ánimo dado en los momentos más difíciles de la carrera. A mi familia, fuente de inspiración para buscar siempre una superación intelectual. A mi madre Georgina por su constante apoyo, paciencia y ejemplo de perseverancia para siempre buscar obtener nuevos logros. A mis verdaderos amigos, compañeros de carrera y a todas las personas que de una u otra forma han influenciado para seguir adelante. III RECONOCIMIENTOS Al Ingeniero Jhonny Cascante, por darme la oportunidad de desarrollar este proyecto y por su ayuda y guía a lo largo de este trabajo. IV ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS ______________________________________________________ VII NOMENCLATURA _________________________________________________________ IX RESUMEN ______________________________________________________________ XIII CAPÍTULO 1: Introducción ___________________________________________________ 1 1.1 Justificación _________________________________________________________________1 1.2 Objetivos ___________________________________________________________________4 1.2.1 Objetivo general: ________________________________________________________________ 4 1.2.2 Objetivos específicos: ____________________________________________________________ 4 1.3 Metodología ________________________________________________________________5 CAPÍTULO 2: Fundamentos Teóricos___________________________________________ 6 2.1 Redes de telecomunicaciones __________________________________________________6 2.2 Multiplexación _____________________________________________________________15 2.2.1 Multiplexación por división de frecuencia (FDM) ______________________________________ 16 2.2.2 Multiplexación por división del tiempo (TDM) ________________________________________ 17 2.2.3 Multiplexación por división de longitud de onda (WDM) y DWDM ________________________ 18 2.3 Fibra óptica ________________________________________________________________19 2.3.1 Fibra multimodo de índice escalonado ______________________________________________ 21 2.3.2 Fibra multimodo de índice gradiente gradual _________________________________________ 22 2.3.3 Fibra monomodo _______________________________________________________________ 22 CAPÍTULO 3: Evolución de las redes núcleo ____________________________________ 23 3.1 Sistemas analógicos _________________________________________________________23 3.1.1 Conmutación manual ___________________________________________________________ 25 3.1.2 Conmutación automática ________________________________________________________ 25 3.2 Sistemas digitales ___________________________________________________________29 3.2.1 Estructura de la Red Digital Integrada (RDI) __________________________________________ 30 3.3 Red de transporte ___________________________________________________________34 3.3.1 Jerarquía digital plesiócrona (PDH) _________________________________________________ 35 3.3.2 Jerarquía digital síncrona (SDH)/Red óptica síncrona (SONET)____________________________ 36 CAPÍTULO 4: Redes ópticas _________________________________________________ 39 4.1 Ventajas y limitaciones de las redes todo ópticas _________________________________39 V 4.1.1 Ventajas ______________________________________________________________________ 39 4.1.2 Limitaciones ___________________________________________________________________ 40 4.2 Evolución de las redes ópticas _________________________________________________41 4.2.1 Redes de primera generación _____________________________________________________ 41 4.2.2 Redes de segunda generación _____________________________________________________ 42 4.2.3 Redes de tercera generación ______________________________________________________ 43 4.3 Arquitectura de la red todo óptica _____________________________________________44 4.3.1 Red de acceso _________________________________________________________________ 45 4.3.2 Red metropolitana o de agregación regional _________________________________________ 49 4.3.3 Red de larga distancia ___________________________________________________________ 52 4.4 Opciones de redes todo ópticas en el mercado actual _____________________________56 4.4.1 Equipos de la marca Ericsson _____________________________________________________ 56 4.4.2 Equipos de la marca Alcatel-Lucent ________________________________________________ 59 4.4.3 Equipos de la marca Huawei ______________________________________________________ 61 4.4.4 Equipos de la marca ADVA _______________________________________________________ 64 CAPÍTULO 5: Conclusiones y Recomendaciones _________________________________ 66 Bibliografía _____________________________________________________________ 69 Apéndices_______________________________________________________________ 72 VI ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1: Red y equipo terminal. [4] ..............................................................................7 Figura 2.2: Formato típico de un paquete. [4] ................................................................10 Figura 2.3: Red conmutada. [4] .....................................................................................11 Figura 2.4: Conmutación de paquetes. [4] .....................................................................12 Figura 2.5: Conmutación de circuitos. [4] .......................................................................12 Figura 2.6: Constitución de la fibra óptica. [3] ...............................................................19 Figura 2.7: Tipos de fibra óptica. [3] ..............................................................................21 Figura 3.1: Estructura de la red jerárquica analógica. [11] .............................................24 Figura 3.2: Sistema de conmutación electrónico. [10] ....................................................29 Figura 3.3 Evolución hacia la nueva estructura. [11] ......................................................30 Figura 3.4: Conmutación espacial. [12] ..........................................................................32 Figura 3.5: Conmutación temporal. [12] ........................................................................33 Figura 3.6: Red de acceso. [12] ......................................................................................33 Figura 4.1: Arquitectura de la Red todo óptica. [15] ......................................................45 Figura 4.2: Acceso y agregación WDM-PON de largo alcance. [15] ................................46 Figura 4.3: Multiplexores de Inserción/Extracción (OADM). [3]......................................48 Figura 4.4: Aplicación de amplificadores ópticos. [3] .....................................................48 Figura 4.5: Regenerador 3R. [15] ...................................................................................49 Figura 4.6: Nodo de agregación metropolitano. [15] .....................................................50 Figura 4.7: Conmutador todo óptico. [14] ......................................................................51 Figura 4.8: Anillos todo ópticos regionales. [15] ............................................................52 Figura 4.9: Nodo regional. [15] ......................................................................................53 Figura 4.10: Router OPS. [15] ........................................................................................54 Figura 4.11: Núcleo de red. [15] .....................................................................................55 VII Figura 4.12: Nodo de interconexión. [15] .......................................................................55 Figura 4.13: Aplicación para redes ópticas con MHL 3000. [17] ......................................57 Figura 4.14: Aplicación de MHL 3000 Metro. [18] ..........................................................59 Figura 4.15: Aplicación de OptiX BWS 1600G. [22] .........................................................62 Figura 4.16: Tipos de redes OptiX BWS 1600G. [22] .......................................................63 VIII NOMENCLATURA ANSI American National Standards Institute Instituto Nacional de Normalización Estadounidense ATM Asynchronous Transfer Mode Modo de Transferencia Asíncrono CAC Call Admission Control Control de Admisión CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing Multiplexación por división en longitudes de onda ligeras DLTU Digital Line Termination Unit Unidad de terminación de línea digital DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing Multiplexación por división en longitudes de onda densas EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Amplificador de fibra dopada con Erbio FDM Frequency Division Multiplexing Multiplexación por división de frecuencia FTTB Fiber To The Building Fibra hasta el edificio FTTC Fiber To The Curb Fibra hasta la acera FTTE Fiber To The Enclosure Fibra hasta el armario de distribución FTTH Fiber To The Home Fibra hasta la vivienda FTTN Fiber To The Node/Neightborhood Fibra hasta el nodo del barrio IX GPON Gigabit-capable Passive Optical Network Red óptica pasiva con capacidad de Gigabit IP Internet Protocol Protocolo de Internet ISDN Integrated Services Digital Network Red Digital de Servicios Integrados ITU-T International Telecommunications Union – Telecommunications Unión Internacional de Telecomunicaciones LAN Local Area Network Red de área local MAN Metropolitan Area Network Red de área metropolitana MDF Main Distribution Frame Repartidor o distribuidor principal OADM Optical Add-Drop Multiplexer Multiplexor de inserción/extracción óptico OBS Optical Burst Switching Conmutación de ráfagas ópticas OC Optical Carrier Portadora óptica OLT Optical Line Terminal Terminal óptico de línea ONU Optical Network Unit Unidad óptica de usuario OPS Optical Packet Switching Conmutación de paquetes ópticos OXC Optical Cross Connect Matriz de conmutación óptica X PDH Plesiochronous Digital Hierarchy Jerarquía digital plesiócrona PON Passive Optical Network Red óptica pasiva PRC Primary Reference Clock Reloj primario de referencia PSTN Public Switched Telephone Network Red telefónica pública conmutada PTR Punto de Terminación de Red QoS Quality of Service Calidad del Servicio RDI Red Digital Integrada RDSI Red Digital de Servicios Integrados ROADM Reconfigurable OADM OADM reconfigurable RSSU Remote Suscriber Switching Unit Unidad de concentrador remoto RTB Red Telefónica Básica RTC Red Telefónica Conmutada RWA Routing Wavelength Assignment Asignación de longitud de onda SCM Subcarrier Multiplexing Multiplexación de subportadora SDH Synchronous Digital Hierarchy Jerarquía digital síncrona SLE Static Ligthpath Establishment Establecimiento de caminos ópticos estáticos XI SLTU Subscriber Loop Terminal Unit Unidades de terminación de línea de abonado SONET Synchronous Optical Network Red óptica síncrona SPC Stored Program Control Control por programa almacenado STM Synchronous Transport Mode Modo de transporte síncrono STS Synchronous Transport Signal Señal de transporte síncrono TDM Time Division Multiplexing Multiplexación por división de tiempo WAN Wide Area Network Red de área amplia WDM Wavelength Division Multiplexing Multiplexación por división en longitudes de onda XII RESUMEN El objetivo de este proyecto consiste en investigar el desarrollo actual de las redes de telecomunicaciones denominadas “todo ópticas” y determinar las ventajas que presenta ante la creciente demanda de tráfico de datos en las redes núcleo, además de estudiar el proceso evolutivo que ha tenido la red núcleo. Para esto se establecen fundamentos de las redes de telecomunicaciones, sistemas de multiplexación (FDM, TDM, WDM, DWDM) y fibra óptica. Además se explica el desarrollo de la red núcleo que inicia con sistemas analógicos hasta su etapa totalmente digital, la cual cuenta con dos principales infraestructuras de multiplexación aplicadas: la PDH y la SDH/SONET. Seguidamente se aborda el tema de redes todo ópticas, ventajas, limitaciones, arquitectura y opciones que ofrece el mercado actual. Se concluye que son la próxima solución al saturado núcleo de red pues con la aplicación de DWDM permiten transportar información de diversa naturaleza (voz, datos, vídeo) y procedente de aplicaciones distintas dentro de una misma fibra, incluyendo información transmitida a diferentes velocidades y con distinto formato. Además el mercado actual ofrece soluciones que pueden trabajar con servicios SDH/SONET y Ethernet (Gigabit Ethernet, 10G Gigabit Ethernet WAN/LAN), lo cual ayuda a reducir costos pues es posible utilizar infraestructura ya instalada. XIII 1 CAPÍTULO 1: Introducción 1.1 Justificación El ser humano desde que empezó a habitar la Tierra se ha visto en la imperiosa necesidad de comunicarse con sus semejantes, lo cual lo condujo a idear y desarrollar sistemas que pudiesen vencer las barreras de la distancia principalmente. Fue así como surgieron los medios de comunicación, de los cuáles el más antiguo quizás sea el telégrafo, sin embargo los avances en la ciencia dan lugar posteriormente al teléfono y de esta manera inicia entonces la era de la red telefónica con todos sus grandes beneficios. En la actualidad las redes de telecomunicaciones modernas están constituidas por dos grandes áreas principales: la red de acceso, la cual incluye todo lo que es acceso alámbrico (cobre, coaxial, fibra óptica) y acceso inalámbrico (inalámbrico fijo, celular) y la red de núcleo, la cual recoge todo el tráfico procedente de la red de acceso y se encarga enrutarlo a los puntos finales de comunicación. Debido a su capacidad, usualmente la red de núcleo está constituida por redes de fibra óptica y equipos de transporte de datos y voz. Sin embargo, como las redes de acceso cada vez generan un volumen mayor de tráfico, la red de núcleo cada vez está más saturada por lo cual se requiere el desarrollo de una nueva forma de implementación para evitar un cuello de botella en esta zona y el detrimento de la red. 2 Es entonces que una de las soluciones adoptadas por algunas operadoras de telecomunicaciones para hacer frente a este problema ha sido el despliegue de una red “todo óptica” capaz de conmutar circuitos ópticos de gran capacidad de tráfico sin necesidad de realizar costosas conversiones optoelectrónicas. La primera generación de redes ópticas se basa en enlaces WDM punto a punto en los cuales todo el tráfico proveniente de un enlace se extrae en cada nodo y se convierte del dominio óptico al dominio eléctrico con el fin de procesar la información de enrutamiento, a su vez, todo el tráfico de salida del nodo tiene que ser convertido nuevamente a formato óptico antes de ser enviado a través del correspondiente puerto de salida. O sea, esta red se caracteriza por utilizar la fibra óptica únicamente como medio de transmisión de alta capacidad, en consecuencia, todo el procesado, enrutamiento y conmutación se realiza en el dominio eléctrico. Lo cual condujo al desarrollo de redes ópticas de segunda generación. En las redes ópticas de segunda generación llamadas también redes de enrutamiento por longitud de onda o redes de conmutación de circuitos ópticos, se realizan además tareas de enrutamiento, conmutación, ciertas funciones relacionadas con el control, gestión y protección de la red, proveyendo así al sistema de un considerable ahorro en equipos y procesado electrónico en los nodos. Y es por tanto que se introduce el concepto de capa óptica. En este tipo de redes, los usuarios finales o capas cliente, tales como SDH, ATM o IP se comunican a través de canales WDM denominados caminos ópticos, los cuales 3 poseen conexiones ópticas extremo a extremo donde la transmisión entre los nodos intermedios se realiza empleando una longitud de onda. Sin embargo, el acelerado incremento del tráfico de datos hace necesario el desarrollo de las redes ópticas de tercera generación, las cuáles son tecnologías completamente ópticas capaces de conmutar a nivel de longitud de onda para así cumplir con las demandas de tráfico y ancho de banda. Es entonces que la conmutación de ráfagas ópticas y la conmutación de paquetes ópticos sean dos tecnologías prometedoras para el transporte de tráfico directamente sobre redes ópticas WDM. Mediante la realización de este trabajo se pretende conocer el desarrollo de las redes de telecomunicaciones denominadas “todo ópticas”, su evolución, estructura, opciones en el mercado actual y funcionamiento para así determinar su eficiencia como solución a la creciente demanda de tráfico de datos en las redes de núcleo. Además se estudia la definición, evolución, los problemas y las soluciones propuestas ante las vicisitudes que se presentan en las redes de núcleo. 4 1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo general: Investigar el desarrollo actual de las redes de telecomunicaciones denominadas “todo ópticas” y determinar su eficiencia como solución a la creciente demanda de tráfico de datos en las redes de núcleo. 1.2.2 Objetivos específicos: • Investigar el desarrollo de una red la red de telecomunicaciones hasta su constitución actual. • Investigar la evolución de de núcleo y las principales tecnologías asociadas. • Determinar los problemas y las soluciones que se presentan en las redes de núcleo. • Conocer la constitución, beneficios y limitaciones de las redes “todo ópticas” y determinar su eficiencia como solución en redes de núcleo. • Identificar las opciones de redes “todo ópticas” que hay en el mercado y los requerimientos para su implementación en la red de núcleo. 5 1.3 Metodología Para la realización de este proyecto, se cumple la siguiente metodología: • Recopilación bibliográfica y estudio acerca de redes de telecomunicaciones, concepto, desarrollo, estructura y funcionamiento, mediante libros, revistas y publicaciones en internet. • Recopilación bibliográfica y estudio sobre la red de núcleo, evolución, estructura y principales tecnologías asociadas mediante libros, revistas y publicaciones en internet. • Recopilación bibliográfica y estudio sobre las redes “todo ópticas”, evolución, estructura, ventajas, limitaciones, tecnologías aplicadas y opciones en el mercado actual mediante libros, revistas y publicaciones en internet. • Redacción de avances de los capítulos según cronograma. • Redacción del borrador final y versión final del trabajo. • Elaboración de la presentación y defensa pública ante el tribunal para el cual se somete el trabajo. 6 CAPÍTULO 2: Fundamentos Teóricos 2.1 Redes de telecomunicaciones “Un sistema de telecomunicaciones consiste en una infraestructura física a través de la cual se transporta la información desde la fuente hasta el destino, y con base en esa infraestructura se ofrecen a los usuarios los diversos servicios de telecomunicaciones. Para recibir un servicio de telecomunicaciones, un usuario utiliza un equipo terminal a través del cual obtiene entrada a la red por medio de un canal de acceso. Cada servicio de telecomunicaciones tiene distintas características, puede utilizar diferentes redes de transporte, y por tanto, el usuario requiere de distintos equipos terminales”. [4] Por ejemplo, para tener acceso al servicio de telefonía celular, el equipo terminal consiste en teléfonos portátiles con receptor y transmisor de radio. La principal razón por la cual se han desarrollado las redes de telecomunicaciones es que el costo de establecer un enlace dedicado entre cualesquiera dos usuarios de una red sería elevadísimo, sobre todo considerando que no todo el tiempo todos los usuarios se comunican entre sí. Es mucho mejor contar con una conexión dedicada para que cada usuario tenga acceso a la red a través de su equipo terminal, pero una vez dentro de la red los mensajes utilicen enlaces que son compartidos con otras comunicaciones de otros usuarios. [4] En general se puede afirmar que una red de telecomunicaciones consiste en los siguientes componentes: a) un conjunto de nodos en los cuales se procesa la información, y b) un conjunto de enlaces o canales que conectan los nodos entre sí y a través de los cuales 7 se envía la información desde y hacia los nodos (figura 2.1). Además para todas las redes cada usuario requiere de un equipo terminal, por medio del cual tendrá acceso a la red, pero que no forma parte de la misma. De esta forma, un usuario que desee comunicarse con otro utiliza su equipo terminal para enviar su información hacia la red, ésta transporta la información hasta el punto de conexión del usuario destino con la red y la entrega al mismo a través de su propio equipo terminal. [4] Figura 2.1: Red y equipo terminal. [4] Canales El canal es el medio físico a través del cual viaja la información de un punto a otro. Las características de un canal son de fundamental importancia para una comunicación efectiva, ya que de ellas depende en gran medida la calidad de las señales recibidas en el destino o en los nodos intermedios en una ruta. Los canales pueden pertenecer a una de dos clases: 8 1) Canales que guían las señales que contienen información desde la fuente hasta el destino, por ejemplo: cables de cobre, cables coaxiales y fibras ópticas. Por estos tipos de canales pueden ser transmitidas las siguientes tasas: cable de cobre (par trenzado) hasta 4 Mbps (4 millones de bits por segundo), cable coaxial hasta 500 Mbps (500 millones de bits por segundo) y fibra óptica hasta 2 Gbps (2 000 millones de bits por segundo). 2) Canales que difunden la señal sin una guía, a los cuales pertenecen los canales de radio, que incluyen también microondas y enlaces satelitales. Las microondas utilizan antenas de transmisión y recepción de tipo parabólico para transmitir con haces estrechos y tener mayor concentración de energía radiada. Principalmente se utilizan en enlaces de larga distancia, desde luego con repetidoras, pero a últimas fechas se han utilizado también para enlaces cortos punto a punto. [4] Nodos Los nodos son los equipos encargados de realizar las diversas funciones de procesamiento que requieren cada una de las señales o mensajes que circulan o transitan a través de los enlaces de la red. Desde un punto de vista topológico, los nodos proveen los enlaces físicos entre los diversos canales que conforman la red. Los nodos de una red de telecomunicaciones son equipos (en su mayor parte digitales, aunque pueden tener alguna etapa de procesamiento analógico, como un modulador) que realizan una o varias de las siguientes funciones: a) Establecimiento y verificación de un protocolo. Los nodos realizan los diferentes procesos de comunicación de acuerdo con un conjunto de reglas que les permiten comunicarse entre sí. Este conjunto de reglas se conoce con el nombre de protocolos de 9 comunicaciones, y se ejecutan en los nodos para garantizar transmisiones exitosas entre sí, utilizando para ello los canales que los enlazan. b) Transmisión. Los nodos de la red adaptan al canal la información o los mensajes en los cuales está contenida, para su transporte eficiente y efectivo a través de la red. c) Interface. El nodo se encarga de proporcionar al canal las señales que serán transmitidas, de acuerdo con el medio de que está formado el canal. Esto es, si el canal es de radio, las señales deberán ser electromagnéticas a la salida del nodo, independientemente de la forma que hayan tenido a su entrada y también de que el procesamiento en el nodo haya sido por medio de señales eléctricas. d) Recuperación. Cuando durante una transmisión se interrumpe la posibilidad de terminar exitosamente la transferencia de información de un nodo a otro, el sistema, a través de sus nodos, debe ser capaz de recuperarse y reanudar en cuanto sea posible la transmisión de aquellas partes del mensaje que no fueron transmitidas con éxito. e) Formateo. Cuando un mensaje transita a lo largo de una red, pero principalmente cuando existe una interconexión entre redes que manejan distintos protocolos, puede ser necesario que en los nodos se modifique el formato de los mensajes para que todos los nodos de la red (o de la conexión de redes) puedan trabajar exitosamente con dicho mensaje; esto se conoce con el nombre de formateo (o, en su caso, de reformateo) (en la figura 2.2 se muestra el formato típico de un paquete). 10 Figura 2.2: Formato típico de un paquete. [4] f) Enrutamiento. Cuando un mensaje llega a un nodo, forzosamente debe tener información acerca de los usuarios de origen y destino; es decir, sobre el usuario que lo generó y aquel al que está destinado. Sin embargo, cada vez que el mensaje transita por un nodo y considerando que en cada nodo hay varios enlaces conectados por los que, al menos en teoría, el mensaje podría ser enviado a cualquiera de ellos, en cada nodo se debe tomar la decisión de cuál debe ser el siguiente nodo al que debe enviarse el mensaje para garantizar que llegue a su destino rápidamente. Este proceso se denomina enrutamiento a través de la red. g) Repetición. Existen protocolos que entre sus reglas tienen una previsión por medio de la cual el nodo receptor detecta si ha habido algún error en la transmisión. Esto permite al nodo destino solicitar al nodo previo que retransmita el mensaje hasta que llegue sin errores y el nodo receptor pueda, a su vez, retransmitirlo al siguiente nodo. h) Direccionamiento. Un nodo requiere la capacidad de identificar direcciones para poder hacer llegar un mensaje a su destino, principalmente cuando el usuario final está conectado a otra red de telecomunicaciones. i) Control de flujo. Todo canal de comunicaciones tiene una cierta capacidad de manejar mensajes, y cuando el canal está saturado ya no se deben enviar más mensajes por 11 medio de ese canal, hasta que los mensajes previamente enviados hayan sido entregados a sus destinos. Sin embargo, dependiendo de la complejidad de la red, del número de usuarios que tiene conectados y a quienes les proporciona servicio, no es indispensable que todas las redes de telecomunicaciones tengan instrumentadas todas las funciones precedentes en sus nodos. Se han descrito aquí, entonces, las funciones más importantes que deben tener instrumentadas los nodos de una red compleja. [4] Desde el punto de vista de su arquitectura y de la manera en que transportan la información, las redes de telecomunicaciones pueden ser clasificadas en: a) Redes conmutadas. La red consiste en una sucesión alternante de nodos y canales de comunicación, es decir, después de ser transmitida la información a través de un canal, llega a un nodo, este a su vez, la procesa lo necesario para poder transmitirla por el siguiente canal para llegar al siguiente nodo, y así sucesivamente (figura 2.3). Figura 2.3: Red conmutada. [4] 12 Existen dos tipos de conmutación en este tipo de redes: conmutación de paquetes y conmutación de circuitos. En la conmutación de paquetes, el mensaje se divide en pequeños paquetes independientes, a cada uno se le agrega información de control (por ejemplo, las direcciones del origen y del destino), y los paquetes circulan de nodo en nodo, posiblemente siguiendo diferentes rutas. Al llegar al nodo al que está conectado el usuario destino, se reensambla el mensaje y se le entrega (figura 2.4). Figura 2.4: Conmutación de paquetes. [4] Por otra parte, en la conmutación de circuitos se busca y reserva una trayectoria entre los usuarios, se establece la comunicación y se mantiene esta trayectoria durante todo el tiempo que se está transmitiendo información (figura 2.5). Figura 2.5: Conmutación de circuitos. [4] 13 b) Redes de difusión. En este tipo de redes se tiene un canal al cual están conectados todos los usuarios, y todos ellos pueden recibir todos los mensajes, pero solamente extraen del canal los mensajes en los que identifican su dirección como destinatarios. Aunque el ejemplo típico lo constituyen los sistemas que usan canales de radio, no necesariamente tienen que ser las transmisiones vía radio, ya que la difusión puede realizarse por medio de canales metálicos, tales como cables coaxiales. La función de una red de telecomunicaciones consiste en ofrecer servicios a sus usuarios, y cuando ésta es utilizada para que sobre ella se ofrezcan servicios de telecomunicaciones al público en general (por ejemplo, la red telefónica) se le denomina una red pública de telecomunicaciones. Cuando alguien instala y opera una red para su uso personal, sin dar acceso a terceros, entonces se trata de una red privada de telecomunicaciones (por ejemplo, una red para comunicar a los empleados y las computadoras o equipos en general, de una institución financiera). [4] Una característica importante de una red es su cobertura geográfica, ya que ésta limita el área en que un usuario puede conectarse y tener acceso a la red para utilizar los servicios que ofrece. Por ejemplo, existen redes locales que enlazan computadoras instaladas en un mismo edificio o una sola oficina (conocidas como LAN), redes metropolitanas (conocidas como MAN) que cubren a toda la población de una ciudad, pero también existen redes de cobertura más amplia (conocidas como WAN), redes que enlazan redes metropolitanas o redes urbanas formando redes nacionales, y redes que enlazan las redes nacionales, las cuales constituyen una red global de telecomunicaciones. [4] 14 Además las redes suelen organizarse en tres niveles: 1) Red de acceso: es la parte de la red que llega hasta el usuario final. Tiene una necesidad relativamente baja en cuanto a fiabilidad por lo que habitualmente no se utiliza redundancia. Cursa poco tráfico y el coste de los equipos es bajo. Suele emplear las topologías bus, estrella o anillo. 2) Red de distribución: permite al tráfico de los usuarios acceder al núcleo de la red. Requiere un nivel medio de fiabilidad, por lo que suele emplearse redundancia en equipos (consiste en poseer equipos inactivos que puedan sustituir a los que están funcionando en caso de avería) y algunas medidas de seguridad. Cursa más tráfico que en la red de acceso y el coste de los equipos es mayor, pues son de mayor capacidad y fiabilidad. Las topologías empleadas normalmente son anillo, estrella y árbol. 3) Red de transporte o núcleo: soporta un alto nivel de tráfico, por lo que normalmente se emplean enlaces de alta velocidad y nodos de gran capacidad. Necesita la máxima fiabilidad, por lo que suele emplearse redundancia en equipos y redundancia en medios de transmisión (consiste en tener distintos caminos físicos para llegar a un nodo, lo que facilita el cambio de camino ante el fallo en uno de ellos). Los equipos utilizados son críticos para el funcionamiento de la red, y suelen ser de tipo modular. Las topologías malladas (total o parcial), anillo doble y jerárquica con mallado parcial son las más habituales. [5] 15 2.2 Multiplexación La multiplexación es la técnica que se utiliza para transmitir varias fuentes de información -dígase voz, datos, video- sobre un mismo canal de comunicación. El multiplexador, frecuentemente llamado mux, es un equipo de comunicación utilizado para este propósito. [2] La principal ventaja de la multiplexación o multicanalización es la de reducir los costes de la red al minimizar el número de enlaces de comunicación entre dos puntos. Los multiplexores de la actualidad tienen cada vez más inteligencia, y la adicional inteligencia brinda más beneficios. [2] Los multiplexores optimizan el canal de comunicaciones, son pieza importante en las redes de transporte y ofrecen las siguientes características: • Permiten que varios dispositivos compartan un mismo canal de comunicaciones. • Útiles para rutas de comunicaciones paralelas entre dos localidades. • Minimizan los costes de comunicaciones, al rentar una sola línea privada para comunicación entre dos puntos. • Los datos de varios dispositivos pueden ser enviados en un mismo circuito por un mux. El mux receptor separa y envía los datos a los apropiados destinos. • Capacidad para compresión de datos que permite la eliminación de bits redundantes para optimizar el ancho de banda. 16 • Capacidad para detectar y corregir errores entre dos puntos que están siendo conectados para asegurar que la integridad y precisión de los datos sea mantenida. • Capacidad para administrar los recursos dinámicamente con niveles de prioridad de tráfico. [2] A continuación se hará una explicación de las principales técnicas de multiplexación aplicadas al campo de las telecomunicaciones. 2.2.1 Multiplexación por división de frecuencia (FDM) La multiplexación por división en frecuencia se utiliza por primera vez en 1937, fecha en la que se instala el primer cable coaxial entre dos centrales. Permite enviar varias señales a la vez por un mismo medio de transmisión. Cada señal se sitúa en una frecuencia diferente, de tal forma que el destino las señales serán filtradas y separadas en función de la frecuencia en la que se encuentran. Como la frecuencia es un parámetro analógico, por lo regular el uso de esta técnica de multiplexación es para aplicaciones como radiodifusión comercial (las transmisiones de cada estación son independientes de las transmisiones de todas las otras estaciones), difusión de televisión y sistemas de telecomunicaciones de gran volumen. Los multiplexores en FDM tienen como entrada varios canales trabajando en diferentes frecuencias y las combina en un solo ancho de banda. En televisión por cable, una red de cable es usada para contener diferentes canales de televisión los cuales utilizan diferentes frecuencias y cuyo ancho de banda de cada canal es de 6 MHz. [2] 17 2.2.2 Multiplexación por división del tiempo (TDM) TDM es la segunda técnica de multiplexación que apareció en el mercado después de la aparición de FDM. Fue originalmente desarrollado en la red telefónica pública en los años 50 para eliminar los problemas de ruido y filtraje de FDM cuando muchas señales son multiplexadas en el mismo medio de transmisión. Un multiplexador basado en TDM empaqueta un conjunto de información (tramas de bits) de diferentes fuentes en un solo canal de comunicación en ranuras de tiempo (time slot) diferentes. En el otro extremo éstas tramas son otra vez reensambladas (desmultiplexadas) y llevadas a su respectivo canal. Debido a que los mux TDM manejan tramas de bits, son capaces de comprimir la información al eliminar redundancias en los paquetes, lo cual es muy útil en el caso de aplicaciones de voz. La primera aplicación de TDM en telefonía fue en 1962 al introducirse el sistema digital T1. [2] La información analógica es primero convertida a formato digital antes de la transmisión. Aunque el costo inicial de esta técnica fue alto, fue menos que el costo de remplazar cables. A principios de los años 80, las redes TDM utilizaban multiplexores inteligentes y empezaron a aparecer en redes privadas de datos, conformando el método primario para compartir instalaciones costosas de transmisión de datos entre muchos usuarios. Con TDM las fuentes de entrada son servidas en secuencia, donde cada intervalo de tiempo es reservado para cada fuente aun cuando no hay datos para transmitir. [2] 18 2.2.3 Multiplexación por división de longitud de onda (WDM) y DWDM Esta tecnología a pesar de existir desde hace varios años, es hoy en día uno de los temas de mayor interés dentro del área de la infraestructura de redes ópticas. Es una tecnología óptica basada en la multiplexación de diferentes longitudes de onda generadas por diferentes emisores de luz dentro de una misma fibra óptica. Esta técnica conceptualmente es idéntica a FDM, excepto que la multiplexación involucra haces de luz a través de fibras ópticas. La idea es la misma, combinar diferentes señales de diferentes frecuencias, sin embargo aquí las frecuencias son muy altas (1x1014 Hz) y por lo tanto se manejan comúnmente en longitudes de onda (λ). Cada longitud de onda utilizada en la transmisión se convierte en un canal WDM. Por otro lado, en estos sistemas cada una de las longitudes de onda es transmitida y demultiplexada en el receptor final, cada señal es transmitida independientemente de las otras, cada canal tiene su propio ancho de banda dedicado y todas las señales llegan al mismo tiempo, a diferencia de TDM. Además con esta técnica se logra aumentar la capacidad de transmisión o ancho de banda de la fibra más allá de los límites que impone el propio material que la conforma. [2] Cuando el número de longitudes de onda que se multiplexan (también conocidas como canales) es superior a 8, esta tecnología se denomina WDM denso o DWDM. La diferencia entre WDM y DWDM es fundamentalmente que los espacios en DWDM son más cerrados que los considerados en WDM y tiene más capacidad. El límite de ese espaciado no es conocido y se han obtenido capacidades de hasta 128 longitudes de onda en una sola fibra. Además DWDM tiene un gran número de funciones: amplifica todas las longitudes de onda de una vez sin tener que convertir la señal al dominio eléctrico, 19 transporta señales de diferentes velocidades y tipos simultáneamente, y posee independencia entre protocolos y capacidades. [2] 2.3 Fibra óptica Las fibras ópticas son guías de luz que poseen la capacidad de transmitir información a grandes distancias por su característica de mínima pérdida de potencia durante la transmisión de una señal. La fibra óptica es capaz de transportar la información por medio de ondas luminosas y no mediante electricidad, lo que evita la interferencia de ruido eléctrico y degradación de la señal. La fibra óptica es un filamento de plástico o cristal de alta pureza constituido por dos cilindros concéntricos del espesor de un pelo (entre 10 y 300 micrones), con índices de refracción distintos; siendo el índice de refracción la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en otro medio. Dicho índice de refracción es una propiedad característica de cada medio. La fibra óptica consta de tres partes: el núcleo (el cual transporta la señal de luz), el manto (mantiene la luz en el núcleo) y la envoltura (protege la fibra), tal como lo muestra la figura 2.6. [6] Figura 2.6: Constitución de la fibra óptica. [3] 20 El principio en que se basa la transmisión de luz por la fibra, es la reflexión interna total; la luz que viaja por el centro o núcleo de la fibra incide sobre la superficie externa con un ángulo mayor que el ángulo crítico, de forma que toda la luz se refleja sin pérdidas hacia el interior de la fibra. Así, la luz puede transmitirse a larga distancia reflejándose miles de veces. Para evitar pérdidas por dispersión de luz debida a impurezas de la superficie de la fibra, el núcleo de la fibra óptica está recubierto por una capa de vidrio con un índice de refracción mucho menor; las reflexiones se producen en la superficie que separa la fibra de vidrio y el recubrimiento. [6] Las fibras se pueden clasificar por el número de modos (rayos) guiados en éstas, se tiene entonces, fibras monomodo (sólo un modo guiado) y fibras multimodo (más de un modo guiado). El tipo de fibra empleado en un principio fue multimodo de salto de índice o índice escalonado, en la que el índice de refracción varía de forma brusca en la superficie de separación entre el núcleo y la cubierta. Luego se desarrolló la fibra multimodo de índice gradual o índice gradiente gradual, cuyo índice decrece suavemente dentro del núcleo hasta coincidir con el de la cubierta en la superficie de separación entre ambas regiones y finalmente se empleó la fibra monomodo de salto de índice (figura 2.7). [2] 21 Figura 2.7: Tipos de fibra óptica. [3] La fibra óptica monomodo se ha convertido en el medio más elegido para comunicaciones de alta velocidad y gran distancia, mientras que la multimodo se utiliza en aplicaciones de corta distancia y velocidades moderadas. [2] 2.3.1 Fibra multimodo de índice escalonado Las fibras multimodo de índice escalonado están fabricadas a base de vidrio, con una atenuación de 30 dB/km, o plástico, con una atenuación de 100 dB/km. Tienen una banda de paso que llega hasta los 40 MHz por kilómetro. En estas fibras, el núcleo está constituido por un material uniforme cuyo índice de refracción es claramente superior al de la cubierta que lo rodea. El paso desde el núcleo hasta la cubierta conlleva por tanto una variación brutal del índice, de ahí su nombre de índice escalonado. [3] 22 2.3.2 Fibra multimodo de índice gradiente gradual Las fibras multimodo de índice de gradiente gradual tienen una banda de paso que llega hasta los 500 MHz por kilómetro. Su principio se basa en que el índice de refracción en el interior del núcleo no es único y decrece cuando se desplaza del núcleo hacia la cubierta. Además Los rayos luminosos se encuentran enfocados hacia el eje de la fibra. Estas fibras permiten reducir la dispersión entre los diferentes modos de propagación a través del núcleo de la fibra. [3] 2.3.3 Fibra monomodo Potencialmente, esta es la fibra que ofrece la mayor capacidad de transporte de información. Tiene una banda de paso del orden de los 100 GHz/km. Los mayores flujos se consiguen con esta fibra, pero también es la más compleja de implantar. La figura 2.7 muestra que sólo pueden ser transmitidos los rayos que tienen una trayectoria que sigue el eje de la fibra, por lo que se ha ganado el nombre de "monomodo" (modo de propagación o camino del haz luminoso único). Son fibras que tienen el diámetro del núcleo en el mismo orden de magnitud que la longitud de onda de las señales ópticas que transmiten, es decir, de unos 5 a 8 mm. Si el núcleo está constituido de un material cuyo índice de refracción es muy diferente al de la cubierta, entonces se habla de fibras monomodo de índice escalonado. Los elevados flujos que se pueden alcanzar constituyen la principal ventaja de las fibras monomodo, sin embargo, sus pequeñas dimensiones implican un manejo delicado y entrañan dificultades de conexión. [3] 23 CAPÍTULO 3: Evolución de las redes núcleo 3.1 Sistemas analógicos La red telefónica básica RTB, o en la literatura inglesa PSTN, fue creada para transmitir la voz humana. Hasta hace poco se denominaba RTC o Red Telefónica Conmutada, pero la aparición del sistema RDSI (digital pero basado también en la conmutación de circuitos), ha hecho que se prefiera utilizar la terminología RTB para la primitiva red telefónica (analógica), reservando las siglas RTC para las redes conmutadas de cualquier tipo (analógicas y digitales); así pues, la RTC incluye la primitiva RTB y la moderna RDSI (Red Digital de Servicios Integrados). Cada línea RTB tiene asignada una numeración específica (su dirección telefónica) y está físicamente construida por dos hilos metálicos (conocidos como par de cobre), que se extienden desde la central telefónica hasta la instalación del abonado (se conoce también como bucle de abonado). En los años 60 las centrales telefónicas, mayoritariamente analógicas, fueron transformando su tecnología a digital. Ello solventó diversos problemas, como los relacionados con la degradación de la señal de voz y la imposibilidad de manejar gran cantidad de llamadas. [7] La estructura de la red es jerárquica y como muestra la figura 3.1 las secciones que forman parte de ella, y que están normalizadas se conocen como: a) Bucle abonado (B. A.): permite llevar la señal analógica desde el último nodo de la red hasta un punto denominado PTR (Punto de Terminación de Red), que se sitúa dentro de la vivienda del abonado. 24 b) Central local (C. L.): es el punto donde se reúnen las líneas de abonado de todos los aparatos telefónicos de una determinada área. c) Central primaria (C. P.): permite la interconexión de cierto número de centrales locales. d) Central secundaria (C. S.): permite interconectar centrales primarias cursando llamadas de tránsito sin disponer nunca de abonados propios. e) Central terciaria (C. T.): permite interconectar centrales secundarias y están conectadas entre sí por una malla. f) Central de tránsito internacional: centros de conmutación que dispone de enlaces con otras centrales extranjeras. [11] En ocasiones se crean encaminamientos directos que no están contemplados en la estructura de red básica. Estos enlaces directos se suelen hacer entre nodos que intercambien volúmenes elevados de tráfico. El conjunto de estas rutas directas forma la red complementaria. Ambas redes, complementaria y jerárquica, coexisten superpuestas y facilitan alternativas de encaminamiento. Aunque como se verá más adelante la nueva estructura de red es más simple. [11] Figura 3.1: Estructura de la red jerárquica analógica. [11] 25 En un principio todos los elementos de red eran analógicos. Los sistemas de transmisión eran explotados a baja frecuencia y usando técnicas de multiplexado por división de frecuencia (FDM). La conmutación era siempre espacial, usando matrices de conexiones para dar continuidad eléctrica a la señal hacia el enlace apropiado. [11] 3.1.1 Conmutación manual En una central telefónica elemental, todas las líneas telefónicas iban a parar a un local equidistante de todos los teléfonos, allí por medio de unos dispositivos la operadora detectaba la llamada de uno de los teléfonos, atendía la llamada, “registraba” con quien quería hablar el usuario, llamaba al destinatario y una vez en comunicación los ponía en conversación mediante otros dispositivos llamados circuitos de cordón, al finalizar la conversación cualquiera de los usuarios volvía a llamar a la operadora que procedía entonces a quitar el circuito de cordón quedando ambos usuarios en disposición de volver a utilizar el servicio. Todas estas operaciones realizadas por la operadora son lo que se denomina como telefonía manual. [8] 3.1.2 Conmutación automática Al aumentar el número de teléfonos fue necesario aumentar el número de operadoras por lo que se empezó a complicar tanto técnicamente como en costes la interconexión entre usuarios atendidos por diferentes operadoras. Con el fin de reducir estos costes se empieza a investigar la forma de sustituir la operadora por dispositivos electromecánicos, con lo que aparece lo que se conoce como telefonía automática, en la 26 que todas las operaciones realizadas por la operadora hasta ese momento son efectuadas por diversos dispositivos en la central automática. [8] Sistemas electromecánicos Son aquellos en los que tanto la red de conexión como la unidad de control están formados por componentes electromecánicos. En los sistemas de conmutación automática el más antiguo es el de paso a paso (step-by-step). En un diseño más evolucionado, el abonado origen de la llamada llegaba hasta un primer selector a través de unas etapas formadas por “buscadores” giratorios (etapa de concentración) con lo que se reducía el número de selectores primeros (en la versión primitiva había un selector para cada abonado) equipando sólo los necesarios de acuerdo con los cálculos de tráfico. El primer selector enviaba el tono de marcar y el abonado procedía a marcar las cifras del abonado de destino las cuales servían para seleccionar un nivel en cada etapa mediante el desplazamiento vertical de las escobillas. A su vez cada selector, con su giro horizontal, buscaba un camino libre automáticamente hacia la siguiente etapa. Al llegar al selector final se utilizaban las dos últimas cifras para posicionar las escobillas sobre los contactos del abonado deseado. [9] Esta actuación “directa” de los impulsos de disco sobre los selectores cargaba toda la “inteligencia” de la selección en el número a marcar que en el caso de redes complejas podía incluir una cantidad alta y variable de cifras (numeración abierta). Además imponía condiciones severas en el ajuste de los discos en cuanto a dimensiones de los impulsos y al intervalo entre cifras. Por ello se intercaló antes de los selectores primeros un circuito “director” que recibía los impulsos de disco con amplia tolerancia (disminuyendo ajustes en 27 casa del abonado), generando después los impulsos de selección que ya incluso podían ser diferentes en número y valor (“traducidos”) a los originales, dando lugar a una selección “indirecta”. Este circuito “director” supuso un gran avance en las técnicas de conmutación, siendo el “órgano de control” esencial en la mayoría de los sistemas de las generaciones siguientes en las que ya recibirá el nombre de “registrador”. [9] A continuación se hará una mención de otros sistemas: sistema panel, sistemas rotatorios, sistemas de matrices de relés, sistemas de barras cruzadas (Crossbar). Sistemas semielectrónicos Son aquellos en los que la red de conexión utiliza componentes electromecánicos y la unidad de control componentes electrónicos. El avance imparable de la Informática, ayudado por la introducción de la Microelectrónica, proporcionó un nuevo elemento a los diseñadores de conmutación: la computadora. La capacidad de proceso de estos nuevos dispositivos y el almacenamiento de programas en su memoria, permitió disponer de una gran flexibilidad para el control de las redes internas de los sistemas y también de las redes exteriores. Se utilizaban al menos dos computadoras por razones de seguridad. Su operación se ajustaba principalmente a dos esquemas: el reparto de carga y la microsincronización. En el primero, las computadoras se repartían la atención del tráfico y en el caso de fallo, la computadora “superviviente” se hacía cargo del tráfico total, recibiendo la información que estuviera en proceso en la computadora en falta. En la microsincronización las dos computadoras trabajaban absolutamente en paralelo con lo que no había pérdida de información (por estar duplicada) si fallaba uno de ellos. Otro aspecto que se detectó fue la conveniencia de diseñar la computadoras especialmente pensados para 28 el proceso de información en tiempo real, requisito imprescindible en conmutación, y así lo hicieron las grandes compañías. Ejemplo: las familias ITT 1600 y 3200. Sistemas electrónicos Son aquellos en los que tanto la red de conexión como la unidad de control están formadas por componentes electrónicos. [9] El sistema de conmutación electrónico tiene 5 partes; una sección de control central para coordinar la operación el sistema; una memoria permanente para almacenar los programas; una memoria temporal para el almacenamiento de datos no permanentes; un sensor de línea que explora cada línea varias veces por segundo para determinar si está ocupada o libre; y finalmente la red de conmutación que consta de relés y drivers (figura 3.2). [10] Cuando un abonado descuelga su teléfono el sensor de línea (line sensor) detecta una petición de tono. El buscador de línea (line finder) notifica al equipo de control de la petición y se envía el tono al abonado. Una vez que se marcan todos los dígitos el número del abonado se almacena en una memoria temporal que también almacena el número llamado. La sección de control inicia una conexión de llamada. Cuando el destinatario de la llamada descuelga el teléfono la red de conmutación establece un camino de voz entre los dos teléfonos y mantiene la conexión hasta que finaliza la llamada. Cuando el abonado que efectúa la llamada cuelga el sensor de línea desconecta la línea. [10] 29 Figura 3.2: Sistema de conmutación electrónico. [10] 3.2 Sistemas digitales El proceso de digitalización de la red ha sido en forma gradual. Comienza con los sistemas de transmisión. Se introducen convertidores analógico/digital a la salida de los conmutadores y se empiezan a utilizar técnicas de multiplexado por división de tiempo (TDM). A continuación se digitaliza también la conmutación. Ahora se realiza la conversión analógica-digital antes de entrar en el conmutador. Así es más fácil dotar a los nodos de funciones de conmutación temporal. Esta red en la que todo, salvo el bucle de abonado, es digital se conoce como la Red Digital Integrada (RDI) y es la más utilizada hoy en día, aunque también existe la Red Digital de Servicios Integrados (RDSI), en la cual se digitaliza el bucle de abonado y se proporciona entonces conexión digital extremo a extremo. [11] La estructura inicial de la red digital establecía, al menos, la existencia de una central autónoma como cabecera digital a nivel provincial. Dicha central debía proporcionar interconexión con otras así como servir de punto de conexión a los elementos remotos digitales y ofrecer soporte de aplicaciones que precisen una central digital (como RDSI). Se crearon centrales autónomas digitales en las áreas urbanas para sustituir a las 30 analógicas poco a poco. Se instalan elementos remotos digitales para impedir el crecimiento de la red analógica. En las áreas urbanas se emplean equipos remotos de conmutación y multiplexión. Respecto a las vías de transmisión se adopta en las ciudades los anillos de fibra óptica. La figura 3.3 muestra la evolución hacia esta nueva estructura de red. [11] Figura 3.3 Evolución hacia la nueva estructura. [11] 3.2.1 Estructura de la Red Digital Integrada (RDI) La nueva arquitectura consta sólo de dos niveles: · Tránsito (núcleo de red): centrales nodales. · Acceso: centrales autónomas (centrales locales digitales o SPC) y centrales remotas (concentradores remotos o RSSU). [11] La Red Digital Integrada es una red de conmutación telefónica con todos los sistemas de transmisión y conmutación digitalizados, a excepción del tramo final que conecta al abonado. A continuación se detalla la estructura: 31 El bucle de abonado Permite llevar la señal analógica desde el último nodo de la red hasta un punto denominado PTR (Punto de Terminación de Red), que se sitúa dentro del recinto del usuario. [12] La red de acceso Está formada por los equipos dónde terminan los bucles de abonado, permitiendo la conexión de éstos con el resto de la red (figura 3.6). La constituyen dos tipos diferentes de equipos: 1) Concentradores Remotos (RSSU, Remote Suscriber Swithcing Units): permiten la conexión de usuarios alejados de la central local digital (SPC) mediante líneas digitales de baja capacidad. Los abonados acceden a través de canalizaciones subterráneas (ductos) al repartidor principal (MDF), que permite la conexión física del bucle de abonado con las unidades de terminación de líneas de abonado (SLTU) de la central. Las SLTU realizan las funciones de terminación de línea de abonado analógico, como son: alimentación eléctrica del terminal, protección contra picos de tensión, detector de actividad en la línea, extracción de señalización de línea y conversión analógico/digital. Las líneas digitales de las SLTU se agrupan en señales E1(o T1) mediante la etapa de multiplexión (MUX). Los canales agrupados en E1 pasa a una etapa de concentración (C.S.), a cuya salida se montan nuevas tramas E1 con los canales activos. Las salidas de la etapa de concentración son llevadas de nuevo a un repartidor (D.D.F) antes de pasarlas al grupo de conmutación principal. A este repartidor están conectados los enlaces provenientes de los usuarios internos de la central, los posibles usuarios remotos y enlaces de entrada y salida a otras centrales. Como los 32 distintos tipos de señales digitales pueden tener códigos de línea y valores de potencia diferentes, antes de ingresar en la matriz de conmutación se homogenizan las entradas mediante la unidad de terminación de línea digital (DLTU), que ofrece una interfaz estándar común para todas las terminaciones digitales. Las principales funciones que realiza son: conversión de código de línea a binario, alineación de trama, inserción y terminación de la transmisión (características eléctricas de la señal). [12] 2) Centrales locales digitales (SPC): conectan a los abonados con el resto de la red telefónica ofreciendo también su servicio a otros usuarios que acceden a ellas mediante concentradores remotos. El grupo de conmutación está formado por bloques que contienen matrices S, que realizan conmutación espacial y matrices T de conmutación temporal. - Conmutación espacial: permiten conectar un cierto intervalo de tiempo (time slot) de cualquier canal de entrada con dicho intervalo de tiempo en cualquier canal de salida. Consiste en un conjunto de puntos de cruce que se pueden seleccionar, estableciendo un camino físico entre la entrada y la salida. [12] Figura 3.4: Conmutación espacial. [12] - Conmutación temporal: permite intercambiar dos intervalos de tiempo diferentes. 33 Figura 3.5: Conmutación temporal. [12] Las operaciones necesarias para la instalación, modificación y reconfiguración de los componentes de una SPC se engloban en un área denominada O&M (Operations and Maintenance). Las SPC de acceso, que junto con las RSSU sustituyen a las centrales locales y primarias, se encuentran siempre conectadas a dos centrales nodales, lo que incrementa la fiabilidad de la red. [12] Figura 3.6: Red de acceso. [12] La red núcleo Desde las centrales locales digitales se accede al núcleo de la red digital integrada mediante interfaces digitales normalizadas. La digitalización de la red de acceso permite disminuir el número de centrales locales necesarias (en relación de una digital por cada 15 34 analógicas), ya que parte de los usuarios se conectará a las RSSU, permitiendo así una simplificación de la estructura de red de acceso respecto a su equivalente analógico. Las centrales locales digitales de un mismo municipio permanecen unidas bajo un mallado parcial, lo que permite disponer de redundancia en los enlaces, así como balancear la carga entre distintas rutas en caso de saturación. [12] El núcleo de la red digital integrada está formado por centrales nodales, que se encuentran interconectadas entre sí mediante una malla de enlaces digitales. Estas centrales nodales sustituyen a las centrales secundarias y terciarias en la red analógica. El tráfico internacional se cursará a través de dichas centrales, estando conectadas cada una a dos centrales internacionales. [12] 3.3 Red de transporte A principios de los años 80 los sistemas digitales se hicieron cada vez más complejos, tratando de satisfacer las demandas de tráfico de esa época. La demanda fue tal alta que en Europa se tuvieron que aumentar las jerarquías de tasas de transmisión de 140 Mbps a 565 Mbps. El problema era el alto costo del ancho de banda y de los equipos digitales. La solución era crear una técnica de modulación que permitiera la combinación gradual de tasas no síncronas (referidas como pleosiocronos), lo cual derivó al término que se conoce hoy en día como PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy). [2] Es así como las redes de transporte en la actualidad incluyen dos principales infraestructuras que utilizan técnica digitales. La PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) y las SDH/SONET (Synchronous Digital Hierarchy / Synchronous Optical Network). [2] 35 3.3.1 Jerarquía digital plesiócrona (PDH) En este modo de operación cada reloj del sistema opera de forma independiente. Se usa, sobre todo, en enlaces entre redes de distintos operadores o internacionales que conectan redes funcionando en modo síncrono. PDH define un conjunto de sistemas de transmisión que utiliza dos pares de alambres (uno para transmitir, otro para recibir) y un método de multiplexación por división de tiempo (TDM) para interpolar múltiples canales de voz y datos digitales. Existen tres jerarquías plesiócrona normalizadas: 1) T1, el cual define el estándar PDH de Norteamérica que consiste de 24 canales de 64 Kbps (canales DS-0) dando una capacidad total de 1.544 Mbps. También están disponibles T1s fraccionales. 2) E1, el cual define el estándar PDH europeo (definido por la ITU-T) pero que es utilizado en el resto del mundo. E1 consiste de 30 canales de 64 Kbps (canales E0) y 2 canales reservados para la señalizaci6n y sincronía, la capacidad total es de 2.048 Mbps. Pero también están disponibles E1s fraccionales. 3) J1, el cual define el estándar PDH japonés para una velocidad de transmisión de 1.544 Mbps consistente de 24 canales de 64 Kbps (canales DS-0), aunque también están disponibles J1 fraccionales. [2] La jerarquía digital plesiócrona está formada por un grupo básico o grupo primario, definido en la recomendación G.732 (según la ITU-T) para Europa. La velocidad de transmisión de este flujo de primer nivel es de 2048 kbit/s y se denomina E1. Aunque el flujo E1 se obtiene con el entrelazado de octetos, a partir del E2 se utiliza entrelazado de bit 36 con cuatro entradas para formar los E2, E3, E4 y E5, que llevarán 120, 480,1920 y 7680 canales de voz respectivamente. En los flujos E2, E3,…, como puede comprobarse, la suma de las capacidades de los flujos de entrada en cada multiplexor no se corresponde con la capacidad del flujo de salida, esto es debido a que cada multiplexor introduce bits para la alineación de trama, la justificación, el control de justificación y otras tareas relacionadas con la transmisión. [2] Sin embargo, PDH tiene muchas debilidades, algunas de ellas son las siguientes: • No existe un estándar mundial en el formato digital, existen tres estándares incompatibles entre sí, el europeo, el estadounidense y el japonés. • No existe un estándar mundial para las interfaces ópticas. La interconexión es imposible a nivel óptico. • La estructura asíncrona de multiplexación es muy rígida. • Capacidad limitada de administración. [2] Esto obligó al desarrollo de una nueva técnica capaz de solventar los problemas anteriormente descritos. 3.3.2 Jerarquía digital síncrona (SDH)/Red óptica síncrona (SONET) En este modo de operación todos los relojes están controlados por un mecanismo automático, de forma que todos operan en la misma frecuencia nominal. La información de temporización se disemina desde el reloj primario de referencia (PRC) a todos los demás por una red superpuesta de control de sincronización. Se suele utilizar en comunicaciones dentro de la red de un mismo operador. 37 SDH/SONET define un conjunto de sistemas de transmisión que utiliza fibra óptica así como el formato de trama, el método de multiplexación y sincronización entre el equipo, además de la especificación de la interface óptica. [2] La ITU-T (International Telecommunications Union - Telecommunications Sector) define el estándar europeo SDH mientras que la ANSI (American National Standards Institute) define el estándar norteamericano SONET. Los niveles de servicio de SDH/SONET incluyen: • OC (Optical Carrier): define las velocidades de transmisión de SONET para señales ópticas en incrementos de 51.84 Mbps. • STS (Synchronous Transport Signal): define las velocidades de transmisión de SONET para señales eléctricas en incrementos de 51.84 Mbps. • STM (Synchronous Transport Mode): define las velocidades de transmisión de SDH para señales eléctricas y ópticas en incrementos de 155.52 Mbps. La SDH viene descrita en la recomendación G.707 de la UIT-T. Como se utilizan redes de sincronismo superpuestas, esto facilita algunas tareas, como la extracción e inserción de afluentes en tramas de niveles altos. Además permite el transporte para servicios ISDN, flujos PDH (desde el nivel más bajo al más alto), flujos ATM, señales de TV y datos basados en IP (Internet Protocol), de manera que SDH es una técnica de transporte de información no limitada a flujos basados en canales vocales de 64 kbit/s, como ocurría en PDH. [2] La principal ventaja de esta nueva estructura de multiplexión es que se pueden recuperar los flujos elementales, es decir los de más bajo multiplexados en la STM-1, 38 directamente desde un flujo de alto nivel, por ejemplo un STM-64, sin necesidad de demultiplexar nivel a nivel, como ocurría en PDH. Esto se consigue porque se conoce la posición en la que se encuentra cada flujo elemental, gracias a la utilización de punteros, y se puede acceder directamente a ellos. [2] En lo que respecta a la disponibilidad, los enlaces de las redes basadas en SONET/SDH son altamente seguros. Debido a que su topología es de anillo, existen enlaces redundantes que en caso de que una fibra se corte, la ruta de transmisión seguirá funcionando con el enlace de respaldo y la comunicación será restaurada nuevamente dentro de un margen de 50 milisegundos. [2] Sin embargo, se pueden citar algunos inconvenientes: necesidad de sincronismo entre los nodos de la red SDH (pues se requiere que todos los servicios trabajen bajo una misma referencia de temporización) y debido a que el principio de compatibilidad ha estado por encima de la optimización de ancho de banda, el número de bytes destinados a la cabecera de sección es muy grande, lo que conlleva a perder eficiencia. [2] 39 CAPÍTULO 4: Redes ópticas 4.1 Ventajas y limitaciones de las redes todo ópticas “Una red todo óptica es la infraestructura de comunicaciones utilizada por un operador para ofrecer sus servicios y que está compuesta por nodos de conmutación ópticos interconectados por enlaces de fibra óptica”. [14] Como se sabe, en los últimos años el campo de las redes de comunicaciones ha experimentado un acelerado crecimiento en el tráfico de datos debido a la popularidad de Internet, a tal punto que en términos de volumen, el tráfico de datos ya ha superado por mucho al tráfico de voz hoy en día. Es entonces que el uso de tecnologías de transmisión por fibra óptica se perfila como una excelente solución a la creciente demanda de servicios de alta velocidad y gran ancho de banda. Además el uso de la multiplexación DWDM permite incrementar los beneficios de las redes ópticas, las cuáles están llamadas a soportar muchos tipos de tráfico y velocidades. 4.1.1 Ventajas Debido a las exigencias del mundo de hoy las redes ópticas prometen ser una solución al saturado núcleo de red pues presenta una serie de ventajas como las siguientes: • Proveen servicios de diferentes tipos de una forma rápida y eficiente. • Con el uso de equipo DWDM instalado, la provisión de un nuevo servicio puede ser tan simple como activar una nueva longitud de onda en la fibra ya existente. 40 • La aplicación de DWDM permite transportar información de diversa naturaleza y procedente de aplicaciones distintas dentro de una misma fibra, incluyendo información transmitida a diferentes velocidades y con distinto formato. • Capaces de soportar conexiones de redes punto a punto, anillo y permitir la conectividad entre anillos, mallas y topología de estrella. • Las funciones de gestión se simplifican porque la mayoría de las tareas se pueden realizar en el dominio óptico, sin necesidad de realizar ninguna conversión optoelectrónica, que lo único que produce es un mayor consumo de recursos e introduce más complejidad en las redes. [3] 4.1.2 Limitaciones Actualmente la implementación de redes totalmente ópticas presentan algunos inconvenientes, los cuales se mencionan a continuación: • Falta mayor madurez con dispositivos DWDM y un menor costo de estos. • Existencia de dispersión cromática y por modo de polarización en las fibras ya instaladas. • Acumulación de diferencias de ganancias para distintas longitudes de onda en redes con EDFA en serie. • La conmutación de paquetes sobre las capas ópticas obliga a disponer de buffers de almacenamiento en los nodos ópticos. • Los dispositivos sintonizables son caros y tienen rango de sintonía baja lo que reducen la cantidad de canales a multiplexar. [14] 41 Sin embargo, a pesar de estas limitaciones, siguen siendo mayores los beneficios que se pueden obtener de las redes ópticas y gracias al avance de la tecnología y el diseño de materiales, es probable que pronto se vea la popularización de este tipo de redes que más allá de un lujo se vuelve en una necesidad para el mundo de las telecomunicaciones de hoy. 4.2 Evolución de las redes ópticas Debido a las ventajas mencionadas anteriormente, el uso de tecnologías de transmisión por fibra óptica se perfila como una excelente solución a la creciente demanda de servicios de alta velocidad y gran ancho de banda. Además la aplicación de la multiplexación DWDM permite incrementar los beneficios de las redes ópticas, las cuáles están llamadas a soportar muchos tipos de tráfico y velocidades. Así este desarrollo ha conducido a la definición de tres niveles en la escala evolutiva de las redes ópticas, específicamente, redes de primera, segunda y tercera generación. 4.2.1 Redes de primera generación La primera generación de redes ópticas se basa en enlaces WDM punto a punto en los cuales todo el tráfico proveniente de un enlace se extrae en cada nodo y se convierte del dominio óptico al dominio eléctrico con el fin de procesar la información de enrutamiento, a su vez, todo el tráfico de salida del nodo tiene que ser convertido nuevamente a formato óptico antes de ser enviado a través del correspondiente puerto de salida. O sea, esta red se caracteriza por utilizar la fibra óptica únicamente como medio de transmisión de alta capacidad, en consecuencia, todo el procesado, enrutamiento y conmutación es necesario que se realice en el dominio eléctrico. [13] 42 4.2.2 Redes de segunda generación En las redes ópticas de segunda generación llamadas también redes de enrutamiento por longitud de onda o redes de conmutación de circuitos ópticos, se realizan además (en el dominio óptico) tareas de enrutamiento, conmutación, ciertas funciones relacionadas con el control, gestión y protección de la red, logrando así un considerable ahorro en equipos y procesado electrónico en los nodos. Y es por tanto que se introduce el concepto de capa óptica. En este tipo de redes, los usuarios finales o capas cliente, tales como SDH, ATM o IP se comunican a través de canales WDM denominados caminos ópticos, los cuales poseen conexiones ópticas extremo a extremo donde la transmisión entre los nodos intermedios se realiza empleando una longitud de onda. Algunos de los equipos utilizados en estas redes son: multiplexores de adición-extracción de longitud de onda ópticos (OADM), terminales ópticos de línea (OLT) y matrices de conmutación óptica (OXC). En este tipo de redes, dado un conjunto de conexiones, el problema de establecer un camino óptico se denomina problema de enrutamiento y asignación de longitud de onda (RWA). Generalmente las peticiones de conexión pueden ser de tipo estática o dinámica. En el caso de caminos ópticos estáticos (SLE) el conjunto total de conexiones se conoce por adelantado; mientras que en el caso dinámico, cada conexión se establece con cada petición generada, posteriormente el camino óptico se libera después de una cantidad finita de tiempo. [13] 43 4.2.3 Redes de tercera generación Están basadas en tecnologías completamente ópticas capaces de conmutar a nivel de longitud de onda para así cumplir con las demandas de tráfico y ancho de banda. Debido a esto la conmutación de ráfagas ópticas (OBS) y la conmutación de paquetes ópticos (OPS) son dos tecnologías muy prometedoras para el transporte de tráfico directamente sobre redes ópticas DWDM. En la conmutación de ráfagas ópticas los paquetes son concatenados dentro de unidades de transporte referidas como ráfagas, las cuales se enrutan a través de la red de una forma completamente óptica. Esta técnica se basa en una reserva previa de recursos que se realiza a partir de un paquete de control, el cual se envía antes que la ráfaga de datos; de esta forma los nodos de la red se configuran de acuerdo a la información contenida en el paquete de control. La conmutación de ráfagas ópticas permite un mejor aprovechamiento de los recursos y es más apropiada para el manejo del tráfico a ráfagas que las redes de conmutación de circuitos ópticos. Se considera la conmutación de ráfagas como un paso de evolución intermedio entre la conmutación de circuitos ópticos y la conmutación de paquetes ópticos. [13] En la conmutación de paquetes ópticos se genera una buena utilización de los recursos de red ya que fácilmente alcanza un alto grado de multiplexación estadística, es completamente compatible con técnicas de ingeniería de tráfico y ofrece una configuración dinámica de los recursos de red con una granularidad muy fina a nivel de paquete. Las redes de conmutación de paquetes ópticos se pueden clasificar en dos categorías, ranuradas o síncronas y no ranuradas o asíncronas. En una red síncrona todos los paquetes deben ser 44 alineados a la entrada del router para poder ser procesados, además los paquetes se caracterizan por tener un tamaño fijo y se ubican junto con su encabezado dentro de una ranura de tiempo fija y de tamaño superior al del paquete con el fin de proveer un tiempo de guarda entre paquetes. En una red asíncrona, los paquetes pueden tener el mismo tamaño o pueden tener diferentes tamaños y no necesitan ser alineados a la entrada del router para ser procesados. Este hecho incrementa las posibilidades de la existencia de colisiones ya que el comportamiento de los paquetes es más impredecible y menos regulado ocasionando que en ciertos casos dos o más paquetes con la misma longitud de onda puedan estar compitiendo por el mismo puerto de salida en el mismo instante de tiempo. Por otro lado, las redes asíncronas son relativamente más fáciles y menos costosas de construir además de ser más robustas y más flexibles que las redes síncronas. [13] 4.3 Arquitectura de la red todo óptica Este tipo de redes está dividida en tres niveles principales la red de larga distancia, la red metropolitana o de agregación regional, y la red de acceso local. La red de larga distancia es la que típicamente conecta pares de ciudades a través de los nodos de paso. La red metropolitana interconecta oficinas centrales en diferentes grupos de clientes y proporciona acceso a los nodos de paso. Finalmente, la red de acceso local, conecta clientes individuales, pertenecientes a un grupo, con la correspondiente oficina central. [3] La arquitectura global de esta red basada en tecnologías que actualmente se encuentran en una fase experimental y que en el año 2015 podrían encontrarse en el mercado, se muestra en la siguiente figura. [15] 45 Figura 4.1: Arquitectura de la Red todo óptica. [15] Específicamente, la red todo óptica constaría de una red de acceso de largo alcance basada en la tecnología Long Reach WDM PON, una red regional basada en la tecnología OBS (conmutación de ráfagas ópticas) y una red de larga distancia compuesta por routers IP todo ópticos basada en la tecnología OPS (conmutación de paquetes ópticos). [15] En la arquitectura de red propuesta los segmentos de acceso y agregación estarían basados en una combinación de las tecnologías 10GPON y WDM PON de largo alcance. Ambas tecnologías se encuentran en desarrollo y ya han sido probadas experimentalmente. 4.3.1 Red de acceso La tecnología WDM-PON de largo alcance permitiría soportar hasta 80 canales ópticos (longitudes de onda), con un alcance de más de 50 Km, sobre una infraestructura óptica pasiva compuesta por enlaces de fibra óptica y multiplexores ópticos. El uso combinado con la tecnología 10GPON permitiría compartir cada canal óptico entre 100 usuarios con conexiones a 100 Mbps. Mediante el uso de estas tecnologías en la red de 46 acceso se podría concentrar todo el tráfico de una extensa área metropolitana sobre un único nodo de agregación (figura 4.2). [15] Figura 4.2: Acceso y agregación WDM-PON de largo alcance. [15] Las tecnologías para interconexión como red de acceso FTTx (Fiber To The x) o las distintas infraestructuras de instalación de fibra óptica, se diferencian por el escenario desde donde surge y hasta donde llega, y por los equipos que intervienen, debido a esto se tiene la siguiente clasificación: a) FTTE (Fiber To The Enclosure): fibra hasta el armario de distribución. b) FTTB (Fiber To The Building): fibra hasta el edificio. c) FTTC (Fiber To The Curb): fibra hasta la acera. d) FTTH (Fiber To The Home): fibra hasta la vivienda. e) FTTN (Fiber To The Node/Neightborhood) fibra hasta el nodo del barrio. [16] 47 Una red óptica pasiva (PON) es una red punto-multipunto, es decir, fibra hasta la arquitectura de red local, en la que la alimentación de divisores ópticos se utiliza para permitir que una sola fibra óptica llegue a diversos locales, por lo general 16 a 128. [6] Además GPON (Gigabit-capable PON) es un estándar muy potente que posee como características principales: soporte global multiservicio incluyendo voz (TDM, SONET, SDH), Ethernet 10/100 Base T, ATM, Frame Relay y otros; alcance físico de 20 km y soporte para varias tasas de transferencia, incluyendo tráfico simétrico de 622 Mbps, tráfico simétrico de 1.25 Gbps y asimétrico de 2.5 Gbps en sentido descendente y 1.25 Gbps en sentido ascendente. [14] Unidad Óptica de Usuario (ONU) Es el dispositivo que se ubica en el domicilio de usuario y le permite acceder o hacer uso de la fibra óptica como medio de transporte en la red. Como actualmente no existe una compatibilidad entre elementos, este debe ser del mismo fabricante que la OLT, aunque se está trabajando para conseguir la interoperabilidad entre fabricantes, lo que permitiría abrir el mercado y abaratar precios. [14] Multiplexores de Inserción/Extracción Ópticos (OADM) Estos dispositivos son capaces de extraer o incorporar la información contenida en cualquiera de las longitudes de onda de la fibra en cualquier punto intermedio de la misma. Esto permite extraer exclusivamente las longitudes de onda cuyo destino final es el nodo actual y dejar pasar el resto de longitudes de onda sin necesidad de ningún procesamiento (figura 4.3) [15], también se encuentra la denominación ROADM que caracteriza a un OADM de tipo reconfigurable. 48 Figura 4.3: Multiplexores de Inserción/Extracción (OADM). [3] Amplificadores ópticos dopados de Erbio (EDFA) Estos dispositivos amplifican las señales en muchas longitudes de onda diferentes simultáneamente, además de tratarse de amplificadores completamente ópticos sin partes electrónicas. Básicamente consiste en una fibra óptica dopada de iones de erbio, el erbio recibe energía procedente de la inyección de luz de un láser lo que genera que los iones de erbio excitados, cedan su energía mediante un proceso de emisión estimulada, proporcionando así la amplificación de la señal (figura 4.4). [3] Figura 4.4: Aplicación de amplificadores ópticos. [3] Regeneradores 3R Estos dispositivos son capaces de amplificar, recuperar la forma y resincronizar las señales digitales de forma totalmente óptica. Es importante mencionar que existen 49 regeneradores 3R (amplificación, recuperación de la forma y resincronización) todo ópticos experimentales para velocidades de más de 200 Gbps (figura 4.5). [15] Figura 4.5: Regenerador 3R. [15] 4.3.2 Red metropolitana o de agregación regional En esta etapa se observa que el equipo de borde de la red del operador es el OLT (Optical Line Terminal) y se trataría del único equipo basado en conmutación electrónica de la red (figura 4.6). En concreto, las principales funciones de este nodo serían las siguientes: • Ejecutaría los protocolos de Control de Admisión (CAC). • Conmutaría el tráfico interno entre diferentes usuarios de la misma red de acceso. • Agregaría el tráfico con destino a otros nodos en canales a 100 Gbps. • Conectaría a los usuarios de la red de acceso con las plataformas de servicio locales (p.ej TV, video bajo demanda, etc.). 50 • Clasificaría el tráfico de usuario en función de su destino y la calidad de servicio requerida. [15] Figura 4.6: Nodo de agregación metropolitano. [15] Terminal Óptico de Línea (OLT) Los OLT se encargan de la adaptación de las señales de la capa cliente a la capa óptica y viceversa. Habitualmente la unidad OLT se interconecta con una red de transporte que recoge los flujos procedentes de varias OLTs y los encamina a la cabecera de la red. El OLT contaría con puertos de red 100 GbE conectados directamente a un conmutador Ethernet todo óptico basado en tecnología OBS. [15] Un aspecto importante a considerar es la dependencia de la potencia de transmisión del equipo OLT con la distancia a la que se encuentra del equipo de usuario, pues si este se encuentra muy cercano al OLT necesitará una menor potencia de su ráfaga para no saturar su fotodiodo y los equipos muy lejanos necesitarán que su ráfaga temporal se transmita con una mayor potencia para que llegue la información correctamente. [14] 51 Conmutadores ópticos (OXC) Los conmutadores ópticos o dispositivos de conexión óptica cruzada (OXC) permiten conmutar una longitud de onda desde cualquiera de sus puertos de entrada a cualquiera de sus puertos de salida. La conmutación puede incluir o no conversión de longitud de onda. [13] El funcionamiento básico de estos conmutadores (switch óptico) es sencillo de comprender: cada nodo dispone de un transmisor sintonizable y de un receptor fijo a una determinada longitud de onda. Si un nodo quiere comunicarse con otro basta con que sintonice su transmisor a la longitud de onda adecuada. Para evitar colisiones entre flujos de tráfico con distintas fuentes pero el mismo destino se utiliza un protocolo de control de acceso al medio de manera que cada nodo del anillo sabe en qué ranura temporal y con qué longitud de onda debe transmitir (figura 4.7). [15] Figura 4.7: Conmutador todo óptico. [14] Los conmutadores Ethernet todo ópticos de una misma región se agruparían formando anillos como el mostrado en la figura 4.8, de esta manera cada nodo de agregación tan sólo necesitaría un puerto 100 GbE sintonizable (y redundado) para 52 comunicarse con los demás nodos de su red regional. Además, en cada anillo regional habría, al menos, un Nodo Regional que concentraría el tráfico con el exterior. [15] Figura 4.8: Anillos todo ópticos regionales. [15] 4.3.3 Red de larga distancia El Nodo Regional contaría con routers IP todo ópticos basados en la tecnología OPS (conmutación de paquetes ópticos). Los routers OPS serían capaces de conmutar tráfico de varios cientos de Terabit por segundo sin necesidad de utilizar convertidores optoelectrónicos (figura 4.9). [15] 53 Figura 4.9: Nodo regional. [15] Routers ópticos El router de conmutación de paquetes ópticos (OPS) procesa etiquetas con la información de enrutamiento y que están codificadas en una subportadora óptica en la misma longitud de onda que transporta el paquete IP. Esta técnica de etiquetado se denomina etiquetado con multiplexación de subportadora (SCM). Los componentes básicos son: • Extractor de etiqueta: debe extraer del paquete óptico la correspondiente etiqueta. • Identificador de etiqueta óptica: procesa la información de direccionamiento del paquete y opera a una relativa velocidad alta. • Búfer o memoria óptica: elemento óptico pasivo que introduce un retardo en la propagación de la luz para que dé tiempo a realizar el procesado de la cabecera del paquete y la configuración del conmutador. • Conversores de longitud de onda: permiten la conversión de longitud de onda en una red de conmutación de paquetes ópticos. 54 • Re-escritura de etiqueta: sistema mediante el cual la nueva etiqueta generada se adhiere al paquete IP. • Elementos de conmutación: permiten trazar la ruta de acuerdo con la información obtenida de las tablas de enrutamiento. [13] Figura 4.10: Router OPS. [15] El núcleo de red estaría compuesto por una malla fotónica que interconectaría los nodos regionales con los nodos de interconexión internacional (figura 4.11). [15] 55 Figura 4.11: Núcleo de red. [15] Finalmente, el nodo de interconexión, o de salida a Internet estaría compuesto por routers OPS redundados como se muestra en la figura 4.12. [15] Figura 4.12: Nodo de interconexión. [15] Debido a las características anteriores, esta red basada en la transmisión de paquetes, es capaz de proveer servicios integrados (unificación de distintos tipos de redes de comunicaciones), incluyendo los tradicionales telefónicos, y capaz de explotar al 56 máximo el ancho de banda del canal haciendo uso de las tecnologías de Calidad del Servicio (QoS) de modo que el transporte sea totalmente independiente de la infraestructura de red utilizada. Además, ofrece acceso libre para usuarios de diferentes compañías telefónicas y apoya la movilidad que permite acceso multipunto a los usuarios. 4.4 Opciones de redes todo ópticas en el mercado actual En el siguiente apartado se hará una descripción de las principales opciones que existen en el mercado actual para el establecimiento de redes todo ópticas, haciendo énfasis en los componentes para la red metropolitana y la red de larga distancia (núcleo de red). En líneas generales, se puede afirmar que las siguientes soluciones pueden trabajar con servicios SDH/SONET y Ethernet (Gigabit Ethernet, 10G Gigabit Ethernet WAN/LAN), lo cual permite reducir costos pues se utiliza infraestructura ya instalada. 4.4.1 Equipos de la marca Ericsson La familia de productos Marconi MHL 3000 es una plataforma DWDM única que ofrece simplicidad de red y eficiencia, el mejor rendimiento en su clase y las sinergias operacionales de aplicaciones de borde, metro y núcleo. Esta familia de productos puede ser configurada en cualquier número de físicas y lógicas configuraciones de red (lineal, anillo y malla), mientras que su capacidad de expansión permite construcciones de red por etapas y que otros cambios de configuración sean hechos en línea con las demandas empresariales en constante evolución. [17] La MHL 3000 ofrece las siguientes soluciones de red: 57 La solución MHL 3000 C/DWDM pasiva provee servicios eficientes en costo en redes de acceso, metro y parques empresariales con una configuración CWDM escalable a [email protected]/10G (figura 4.13). [17] Especificaciones principales: aplicaciones extremo, metro y núcleo; topología punto a punto, lineal, anillo, hub, malla; capacidad 3.2 Tb por línea, 28.8 Tb por nodo; aplicaciones de red, tamaño de red: regional hasta 1000 km y 4000 km troncal, aplicaciones de tramo múltiple, típico: 25 nodos por anillo; inserción/extracción óptica ROADM hasta con 9 grados nodales, filtros C and DWDM; servicios SDH/SONET/CBR (STM1/OC3/CBR-155 Mbit/s, STM-4/OC-12/CBR-622 Mbit/s, STM-16/OC-48/CBR-2.5 Gbit/s, STM-64/OC-192/CBR-10 Gbit/s, STM-256/OC-768/CBR-40 Gbit/s), Ethernet (Gigabit Ethernet,10G Gigabit Ethernet WAN/LAN-Phy), Video (270 Mbit/s). [17] Figura 4.13: Aplicación para redes ópticas con MHL 3000. [17] La mayor capacidad de 1.6 Tb a través de distancias metro-regional (500 km) es ofrecida por la solución MHL 3000 Metro DWDM OADM en topologías lineal, anillo y malla. Esta solución ofrece el mínimo costo por servicio donde se necesita una baja reconfigurabilidad de red. [18] 58 La solución MHL 3000 Metro DWDM ROADM incrementa la flexibilidad de red en aplicaciones regional, metro y núcleo. Funcionalidades ROADM (WSS) de dos vías o escalable multivías de 40 canales posibilitan suministro de servicio remoto y reenrutamiento. [18] La solución MHL 3000 Multi-Reach Core DWDM además incrementa la capacidad a 3.2 Tb/s sobre un alcance de 4000 km. Las multivías escalables de 80 canales ROADM (WSS) @2.5G/10G/40G posibilitan una ágil red de malla (figura 4.14). [18] Especificaciones principales: aplicaciones metro (C/DWDM pasivo, DWDM OADM, DWDM ROADM), núcleo DWDM multi alcance; topología punto a punto, lineal, anillo, hub, malla; capacidad 1.6 Tb/s (40chsx40Gbit/s), escalable a 3.2 Tbit/s (80chsx40Gbit/s) con 28.8 Tb por nodo; tasa de transferencia de operación del canal 2.5,10, 40Gbit/s; aplicaciones de red, tamaño de red: regional hasta 1000 km y 4000 km núcleo, aplicaciones de tramo múltiple, típico: 25 nodos por anillo; inserción/extracción óptica OADM (C/DWDM de 2 o 4 vías), ROADM (de 2 vías); servicios SDH/SONET/CBR (STM1/OC-3/CBR-155 Mbit/s, STM-4/OC-12/CBR-622 Mbit/s, STM-16/OC-48/CBR-2.5 Gbit/s, STM-64/OC-192/CBR-10 Gbit/s, STM-256/OC-768/CBR-40 Gbit/s), Ethernet (Gigabit Ethernet,10G Gigabit Ethernet WAN/LAN-Phy), Video (270 Mbit/s). [18] La MHL 3000 proporciona transporte independiente de protocolo SDH/SONET, Ethernet y Video que va desde 155 Mbit/s a 40 Gbit/s. Además la complejidad operacional es mantenida a un mínimo debido a la arquitectura "plug and play". Esto simplifica el planeamiento, puesta en marcha, mantenimiento y control de la red, lo cual resulta en una reducción de costo de propiedad. [17] 59 Figura 4.14: Aplicación de MHL 3000 Metro. [18] Además es importante mencionar que Telefónica España, realizó con éxito pruebas de campo a una velocidad de transmisión de 400 gigabits por segundo (Gbit/s) sobre fibra óptica, con transporte real de datos sobre sistemas DWDM que ya están en funcionamiento y para ello seleccionó equipos MHL 3000 de Ericsson, único con disponibilidad de demostrador para estas velocidades, además de ser proveedor de malla fotónica. [19] En 2009 se había realizado otra prueba de campo de 100 Gbit/s entre Madrid y Sevilla, cuya velocidad se ha cuadruplicado ahora entre Granada y Jaén. La intención de Telefónica España es que estas velocidades se comercialicen en el año 2013, siempre dependiendo de la demanda del mercado. [19] 4.4.2 Equipos de la marca Alcatel-Lucent El sistema Conmutador de Servicios Fotónicos 1830 PSS es una plataforma de WDM Metropolitana que proporciona una red óptica WDM más flexible, tanto a la hora de diseñar e instalar como de gestionar y supervisar. [20] 60 Estos son algunos de los elementos más destacables del sistema 1830 PSS: - Arquitectura sintonizable/reconfigurable (T/ROADM) con granularidad simple de adición/extracción de longitud de onda. - Seguimiento de longitudes de onda que proporciona ventajas claves para la gestión de redes fotónicas. - Alta densidad de MUX/DEMUX por elemento de red. - Reducción de los costes de operación al hacer las redes WDM Metro más flexibles y automatizadas, y con una operación más rápida y sencilla. - Reducción de los plazos de despliegue de servicios de longitudes de onda. - Mayor capacidad. - Importantes ahorros de energía y de ocupación en planta por bit transportado. - Monitores de rastreo de longitud de onda que localizan la longitud de onda en cualquier punto de la red. - Hasta 88 longitudes de onda y 50 GHz ITU WDM por par de fibra. - Soporta un amplio rango de topologías, incluyendo anillo, punto apunto y topologías de malla arbitrarias. [20] Especificaciones principales: aplicaciones metro y larga distancia (WDM); topología punto a punto, lineal, anillo, malla; escalabilidad de una a cientos de longitudes de onda sin interrupción del servicio; alcance de red: 2200 km a 10 Gb/s para 88 canales, 1200 km a 40 Gb/s P-DPSK para 88 canales, 1200 km a 100 Gb/s PDM-QPSK para 88 canales; servicios SDH/SONET/CBR (STM1/OC-3/CBR-155 Mbit/s, STM-4/OC-12/CBR622 Mbit/s, STM-16/OC-48/CBR-2.5 Gbit/s, STM-64/OC-192/CBR-10 Gbit/s, STM- 61 256/OC-768/CBR-40 Gbit/s), Ethernet (Gigabit Ethernet,10G Gigabit Ethernet WAN/LAN), interfaces ópticas 40 Gb/s. [20] Además un dispositivo lanzado posteriormente es el Módulo de Servicios Fotónicos PSE ("Photonic Service Engine"), un nuevo chip para redes de fibra óptica que ofrece el doble de capacidad y una velocidad de transmisión de datos de 400 Gbps, es decir, cuatro veces superior a las de las redes 100 G actuales. [21] El chip del módulo PSE de 400 G se puede desplegar en una amplia gama de configuraciones de red, desde aplicaciones metropolitanas a redes regionales y redes de muy larga distancia, y puede transmitir longitudes de onda sobre líneas fotónicas nuevas o existentes. Se ha diseñado específicamente para su utilización en una familia de tarjetas de línea del Conmutador de Servicios Fotónicos 1830 PSS, operativo en la actualidad en más de 120 redes en todo el mundo. Permite transmitir más de 23 Terabits de tráfico sobre una única fibra óptica, además de incrementar sus prestaciones en más del 50%, y al mismo tiempo reducir en una tercera parte el consumo de energía por Gigabit. [21] 4.4.3 Equipos de la marca Huawei El sistema de transmisión óptico DWDM OptiX BWS 1600G es un producto de enlace troncal de gran capacidad y larga distancia. La capacidad de acceso de una fibra óptica puede ser puede ser ampliada sin problemas de 10 Gbit/s a 1600 Gbit/s (160 × 10 Gbit/s). Durante la expansión, no existe la necesidad de apagar el equipo o interrumpir el servicio, solo se debe insertar el nuevo equipo o añadir los nuevos nodos. [22] Por otro lado, el sistema OptiX BWS 1600G puede ser desplegado en redes punto a punto, lineales o anillo. Siendo la capa troncal de la red interconecta ciudades principales 62 que transportan tráfico pesado de equipo de conmutación óptico, equipo de área metropolitana DWDM, equipo SDH o router (figura 4.15). Este sistema transmite servicios unidireccionales sobre una fibra, esto es, una transmisión bidireccional es lograda por dos fibras ópticas, de las cuáles una es para transmisión y la otra para recepción. [22] Figura 4.15: Aplicación de OptiX BWS 1600G. [22] La OptiX BWS 1600G ofrece cinco tipos de equipos de red: multiplexor terminal óptico (OTM), amplificador óptico de línea (OLA), multiplexor de inserción/extracción 63 óptico (OADM), regenerador (REG), ecualizador óptico (OEQ). Cada equipo de estos puede funcionar a 160 canales como máximo. [22] Ejemplo de distintas topologías de red para este sistema: Figura 4.16: Tipos de redes OptiX BWS 1600G. [22] Especificaciones principales: aplicaciones metro y larga distancia (WDM); topología punto a punto, cadena, anillo; capacidad máxima sistema tipo I 1600 Gbit/s, sistema tipo II 800 Gbit/s, sistema tipo III 400 Gbit/s; tasa de acceso máximo 10 Gbit/s; 64 número máximo de canales de inserción/extracción sistema tipo I 160, sistema tipo II 80, sistema tipo III 40; servicios SDH/SONET/CBR (STM1/OC-3/CBR-155 Mbit/s, STM4/OC-12/CBR-622 Mbit/s, STM-16/OC-48/CBR-2.5 Gbit/s, STM-64/OC-192/CBR-10 Gbit/s), Ethernet (Gigabit Ethernet,10G Gigabit Ethernet WAN/LAN). [22] 4.4.4 Equipos de la marca ADVA El sistema de transporte escalable WDM FSP 3000 es una solución diseñada para proveedores de servicio y grandes compañías que buscan flexibilidad y eficiencia de costo en multiplexación, transporte y protección de datos de alta velocidad, almacenamiento y aplicaciones de vídeo. Este sistema facilita el incremento de ancho de banda y flexibilidad de servicio en redes de acceso, metro y larga distancia. [23] El sistema FSP 3000 soporta componentes fotónicos configurables y estáticos, incluyendo láseres ajustables y tecnología ROADM multigrado. El concepto de nodo remoto flexible permite a los operadores de red desplegar extensiones WDM-PON que posibilitan un acceso unificado para aplicaciones empresariales y residenciales. Para lograr flexibilidad superior, las opciones de multiplexación de servicios incluyen capacidad de inserción/extracción, Ethernet y tecnología SONET/SDH. De esta forma se logra la solución de transporte óptico más efectiva en costo. [23] Especificaciones principales: aplicaciones de acceso, metro y larga distancia (DWDM, CWDM, WDM-PON); topología punto a punto, punto a multipunto, malla, anillo; capacidad máxima 100 Gbit/s; número máximo de longitudes de onda 80 en banda C, 40 en banda L; servicios SDH/SONET/CBR (STM1/OC-3/CBR-155 Mbit/s, STM4/OC-12/CBR-622 Mbit/s, STM-16/OC-48/CBR-2.5 Gbit/s, STM-64/OC-192/CBR-10 65 Gbit/s, STM-256/OC-768/CBR-40 Gbit/s), Ethernet (Gigabit Ethernet,10G Gigabit Ethernet WAN/LAN), vídeo. [23] 66 CAPÍTULO 5: Conclusiones y Recomendaciones • La necesidad del ser humano de comunicarse a distancia ha impulsado el desarrollo de los sistemas de telecomunicaciones. Es así como surgen los medios de comunicación, de los cuáles el más antiguo quizás sea el telégrafo, que posteriormente conduciría a la invención del teléfono y de esta manera iniciaría entonces la era de la red telefónica con todos sus grandes beneficios. • Cualquier red de telecomunicaciones, sin importar su tamaño o complejidad, consta de dos elementos indispensables: un conjunto de nodos en los cuales se procesa la información, y un conjunto de enlaces o canales que conectan los nodos entre sí y a través de los cuales se envía la información desde y hacia los nodos. Además para todas las redes cada usuario requiere de un equipo terminal, por medio del cual tendrá acceso a la red, pero que no forma parte de la misma. • El uso de técnicas de multiplexación permite un mejor aprovechamiento de los canales de comunicaciones, pues permite que varios dispositivos compartan un mismo canal, lo cual reduce los costes de la red al minimizar el número de enlaces de comunicación entre dos puntos. Entre las principales técnicas de multiplexación destacan FDM, TDM, WDM y DWDM. • La red telefónica conmutada (RTC) fue en un inicio totalmente analógica y conocida como red telefónica básica (RTB), posteriormente se digitaliza el sistema de transmisión y de conmutación, lo cual conduce al establecimiento de 67 la red digital integrada (RDI), la red más utilizada hoy en día. Sin embargo, la evolución hacia un sistema totalmente digital se logra con la red digital de servicios integrados (RDSI), en la cual se digitaliza el bucle de abonado y se proporciona entonces conexión digital extremo a extremo. • La estructura de una red analógica es jerárquica y consta de las siguientes partes: bucle abonado, central local, central primaria, central secundaria, central terciaria y central de tránsito internacional. Pero debido al proceso de digitalización esta red se simplifica a una arquitectura de sólo de dos niveles: tránsito (núcleo de red) y acceso. Además las redes de transporte (núcleo de red) en la actualidad incluyen dos principales infraestructuras de multiplexación que utilizan técnicas digitales: la PDH y la SDH/SONET. • Uno de los principales problemas en las redes es el incremento de usuarios pues se dificulta la conmutación de muchas llamadas al mismo tiempo, sin embargo, este asunto es resuelto mediante la utilización de sistemas electrónicos en los cuales tanto la red de conexión como la unidad de control están formadas por componentes electrónicos, que permiten un rápido y ágil procesamiento de las llamadas en tránsito. • Las redes todo ópticas prometen ser una solución al saturado núcleo de red pues con la aplicación de DWDM permite transportar información de diversa naturaleza (voz, datos, vídeo) y procedente de aplicaciones distintas dentro de 68 una misma fibra, incluyendo información transmitida a diferentes velocidades y con distinto formato. • Las redes de tercera generación están basadas en tecnologías completamente ópticas, capaces de conmutar a nivel de longitud de onda y efectuar tareas de enrutamiento, conmutación, funciones relacionadas con el control, gestión y protección de la red a nivel óptico sin realizar conversiones optoelectrónicas. • Las opciones de redes todo ópticas en el mercado actual ofrecen soluciones que pueden trabajar con servicios SDH/SONET y Ethernet (Gigabit Ethernet, 10G Gigabit Ethernet WAN/LAN), lo cual ayuda a reducir costos pues es posible utilizar infraestructura ya instalada. • Se recomienda hacer un estudio exhaustivo de las características propias y ajenas antes de elegir una marca o fabricante para la implantación de una red todo óptica en el sistema nacional. • Es recomendable ampliar este trabajo en el tema de la descripción de las variables eléctricas, ópticas, instalación y mantenimiento de los dispositivos que conforman una red todo óptica. • Se recomienda además, estudiar qué países tienen el desarrollo o aplicación de este tipo de sistemas y que ayudarán como punto de referencia para la implementación de los mismos. 69 Bibliografía Libros: 1. 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