INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA ESTUDIO DE LA DISTRIBUCIÓN EN TELEFONÍA MÓVIL APLICANDO RADIOFRECUENCIA SOBRE FIBRA ÓPTICA T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA P R E S E N T A N DANIEL MARTÍNEZ CRUZ ANDRÉS NEIRA CÓRDOVA ASESORES DR. RAÚL CASTILLO PÉREZ ING. FABIOLA MARTÍNEZ ZÚNIGA MÉXICO D.F. NOVIEMBRE 2007 Agradecimientos A Dios por permitirme ser la persona que soy. A mis padres por su amor, apoyo y comprensión. Y darme cada uno de ellos lo mejor que tienen. A mi hermano y hermana por la convivencia, cuidado y enseñanza. Me han evitado muchos golpes en la vida. A mis amigos y personas que me estiman por la compañía, aprecio y soporte. Me han hecho pasar buenos momentos y afrontar los malos. A mis asesores en este trabajo por transmitirme su conocimiento y calidad humana. Andrés Neira Córdova i Agradecimientos Este trabajo representa el final de una de las etapas más importantes de mi vida y el inicio de otra que será aún mejor. En este largo trayecto ha habido personas que merecen las gracias por que sin su valiosa atención hubiera sido imposible llegar hasta este punto y también hay quienes las merecen por haber marcado mi camino. A mi madre Martha le agradezco de todo corazón su apoyo incondicional, su confianza, por tratar de llevarme siempre por el camino correcto, soy afortunado por contar siempre con su amor y comprensión. A mi padre Ricardo, quien siempre me apoya, agradezco su guía y confianza en la realización de mis metas. Ustedes han enriquecido mi vida con su cariño y alegría. Agradezco a mis hermanos Ricardo y Erick por el gran apoyo que me brindan, en las buenas y en las malas, me han enseñado mucho, sin ellos hubiera cometido más errores en mi vida, sé que cuento con ellos siempre. A mis grandes amigos y todos los personajes que han dejado huella en mi vida. A todos ellos que estuvieron conmigo y compartimos tantas aventuras, experiencias, desveladas y triunfos. Ustedes han sido fuente de alegría y de gran ayuda. A mis asesores por su disposición y ayuda brindadas. Daniel Martínez Cruz. ii Objetivo General Explicar el uso de tecnologías ópticas para transmitir radio frecuencia en el sistema global de comunicaciones móviles (GSM). Objetivos particulares Mostrar y diferenciar los sistemas de comunicación alámbricos e inalámbricos así como lo medios de transmisión usados en cada caso. Observar el funcionamiento de la transmisión por enlace de radio frecuencia. Examinar los subsistemas, características y elementos referentes al sistema global de comunicaciones móviles (GSM). Exponer el funcionamiento de los dispositivos básicos que forman un enlace óptico y detallar en los elementos involucrados necesarios para transmitir radiofrecuencia. Analizar el funcionamiento, configuraciones, aplicaciones, beneficios y limitantes de la tecnología de radiofrecuencia sobre fibra óptica (RoF). Proponer posibles configuraciones adecuadas de RoF para GSM. iii Justificación Los avances en la tecnología de fibra óptica han colocado a este medio de transmisión como el más eficiente y de mayor capacidad, por lo que surge una tendencia a implementarlo en sistemas ya existentes, con el propósito de mejorar sus servicios. Se propone el uso de la tecnología de radio frecuencia sobre fibra (RoF) en sistemas de redes inalámbricas o sistemas de telefonía móvil a fin de optimizar recursos, disminuir costos y satisfacer la creciente necesidad de ancho banda para aplicaciones futuras de voz, datos y multimedia. Un agregado a estos beneficios es el contar con una administración de recursos centralizada, lo que implica conocer el estado de estaciones de transmisión remotos sin necesidad de transportarse a la locación, tratando de agrupar la mayor cantidad de equipo en un solo punto para compartirlo entre todos las estaciones que conforman el sistema. Esta idea de centralización plantea que el procesamiento de la señal incluyendo modulación, demodulación, codificación y enrutamiento sea desempeñado por una estación controladora dejando como función principal de las estaciones base la conversión opto-eléctrica y viceversa, y el envío-recepción de la señal por su antena de radio. Dejando así una estructura del equipo muy simple. iv Hipótesis La implementación de la tecnología de radiofrecuencia sobre fibra óptica (RoF) en el sistema de telefonía móvil GSM, optimizará el enlace entre las estaciones base y la controladora de estaciones base, minimizando los costos de operación, mantenimiento y reduciendo el equipo de las mismas. Permitirá, satisfacer la creciente demanda de ancho de banda, debido a los desarrollos en técnicas de transmisión e incremento de servicios. Esta tecnología permitirá la evolución hacia sistemas de futuras generaciones. v Introducción Este estudio pretende dar una alternativa a la configuración regular en el subsistema de radio del sistema de telefonía móvil GSM, la forma en que se pretende realizar es mediante el uso de la tecnología óptica para lograr el envío de radiofrecuencia sobre fibra óptica (RoF). Para obtener un panorama general y conocimiento previo hacemos una descripción del funcionamiento de un sistema de comunicación, realizando una distinción entre los sistemas cableados y los inalámbricos. Esto permite realizar la comparación entre características, beneficios, limitantes y costos entre unos y otros según el medio físico que se utilice. Dado que este estudio se plantea para su uso en el sistema de telefonía móvil GSM se han detallado las estructuras y componentes que lo conforman, así como las características físicas y técnicas necesarias para su funcionamiento. Como se verá durante el desarrollo de este trabajo el bloque donde se ubica el uso de la tecnología RoF es el sistema de radio, también conocido como subsistema de estaciones base e involucra el cambio de la conexión física entre los dos miembros de este bloque. La estación base y la controladora de estaciones base cuentan con una conexión mediante interfaz de aire. Tal conexión entre las estaciones, según lo propuesto, será sustituida por un enlace de fibra óptica con todos los dispositivos que esto implica. Debido al desarrollo y mejoras en la tecnología respecto a los dispositivos involucrados en el enlace óptico, tales como fuentes luminosas, fotodetectores, amplificadores, acopladores y la fibra misma es posible hacer este tipo de transmisión de radiofrecuencia sobre fibra óptica. Se ha dedicado una buena parte del documento a explicar su funcionamiento, construcción y estructura. Distinguiendo entre aquellos que por sus características inherentes son de mayor utilidad o indispensables para la transmisión de señales de radiofrecuencia sobre fibra óptica. vi Como última parte de este tratado se explica la teoría y trabajo de sistemas basados en RoF. En esta sección son descritos la ubicación y elementos necesarios para optimizar y hacer más rentable el sistema de radio GSM. Además de que existen varias configuraciones para realizar un enlace de RoF,se puntualiza en las configuraciones posibles y la forma en que pueden ser aplicadas en el sistema GSM. Por último se relaciona con los sistemas de multicanalización óptica, describiendo la forma en que son aplicados para aprovechar las capacidades de la fibra óptica. vii Índice general Objetivo general Objetivos particulares Justificación Hipótesis Introducción Glosario iii iii iv v vi xiv Capítulo 1 Sistemas de Comunicación cableados e inalámbricos 1 1.1 Sistemas cableados 1.1.1 Par trenzado 1.1.2 Cable coaxial 1.1.3 Fibras ópticas 1.2 Sistemas inalámbricos 1.2.1 Ondas de radio 1.2.2 Infrarrojos 1.2.3 Microondas 3 4 6 7 10 12 14 15 Capitulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM 19 2.1 Sistema de radio básico 2.2 Métodos de acceso múltiple 2.2.1 Acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA) 2.2.2 Acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) 2.2.3 Acceso múltiple por división de código (CDMA) 2.3 Sistemas de telefonía móvil 2.3.1 Arquitectura de celdas 2.4 Antecedentes de telefonía móvil 2.5 GSM 2.5.1 Características del sistema 2.5.2 Modulación digital en GSM 2.5.3 Características técnicas de GSM en México 2.5.4 Arquitectura de la red GSM 2.6 Evolución de GSM 2.6.1 UMTS (Servicio universal de telecomunicaciones móviles) 19 21 23 25 27 28 30 31 32 32 33 39 41 50 50 Capitulo 3 Elementos básicos del enlace de fibra óptica 53 3.1 Fibra óptica 3.1.1 Forma de trabajo 3.1.2 Clasificación de las fibras 3.1.3 Efectos indeseables en las fibras ópticas 53 53 55 58 viii 3.1.4 Sistemas de multicanalización 3.2 Fuentes ópticas 3.2.1 LED 3.2.2 Diodo láser 3.3 Fotodetectores 3.3.1 Fotodiodo de vacío y fotomultiplicador 3.3.2 Fotodiodo semiconductor 3.4 Amplificadores ópticos 3.4.1 Amplificadores de fibra Raman 3.4.2 Amplificadores de fibra de Brillouin 3.4.3 Fibras amplificadoras dopadas con erbio (EDFA) 3.5 Elementos extras en el enlace de fibra óptica 3.5.1 Acoplador 3.5.2 Combinador 3.5.3 Splitter 3.5.4 Acoplador de árbol 3.5.5 Acoplador estrella 3.5.6 Acoplador de banda ancha 3.5.7 Acoplador de acceso 3.5.8 Multiplexores y demultiplexores por división de longitud de onda 3.5.9 Atenuador 3.5.10 Filtro de fibra óptica 3.5.11 Terminador de fibra óptica 3.5.12 Empalme 3.5.13 Conector 61 63 64 69 78 79 81 85 86 87 88 92 92 93 93 93 93 94 94 94 94 94 95 95 95 Capitulo 4 Aplicación de RoF en sistemas GSM 97 4.1 Análisis de la tecnología RoF 4.1.1 Beneficios de la tecnología RoF 4.2 Acoplamiento de radiofrecuencia sobre fibras ópticas 4.3 Métodos de generación y transportación de señal 4.3.1 Modulación de RF por intensidad de luz y detección directa 4.3.2 Generación de la señal por heterodino remoto 4.3.3 Generación de la señal usando Transreceptor Óptico 4.3.4 Usando conversiones de frecuencia 4.3.5 Comparación entre técnicas de generación y trasporte 4.4 Aplicación de RoF en el subsistema de estación base de GSM 4.4.1 Configuración con IM-DD 4.4.2 Configuración con incremento y decremento de frecuencia 4.4.3 Configuración usando técnica heterodina remota 4.4.4 Configuración usando transreceptor óptico 4.4.5 Uso de WDM con RoF 98 98 104 105 105 111 114 115 120 121 124 127 129 130 131 Conclusiones Bibliografía 135 139 ix Índice de figuras. Figura 1.1 Diagrama a bloques de un sistema de comunicación 1 Figura 1.2 Sistema ideal de comunicación 2 Figura 1.3 Propagación en la fibra óptica 10 Figura 1.4 Espectro electromagnético 11 Figura 1.5 Comunicación punto a punto 14 Figura 1.6 Comunicación cuasidifusa 15 Figura 1.7 Comunicación difusa 15 Figura 2.1 Transmisor de radio básico 19 Figura 2.2 Receptor de radio básico 21 Figura 2.3 FDMA, diferentes canales a diferentes bandas de frecuencias 23 Figura 2.4 Esquema de ranura de tiempo que se repite constantemente 25 Figura 2.5 Estructura de una trama TDMA 26 Figura 2.6 Estructura de CDMA 28 Figura 2.7 Organización celular 29 Figura 2.8 Transmisor FSK binario 35 Figura 2.9 Transmisor GMSK usando generación directa de FM 38 Figura 2.10 Bloques e interfaces principales en GSM 41 Figura 2.11 Constitución de la estación base 45 Figura 3.1 Espectro electromagnético (frecuencia vs. Longitud de onda) 54 Figura 3.2 Tipos de fibra 58 Figura 3.3 Estructura de un diodo planar GaAs 66 Figura 3.4 Estructura de un diodo de alto brillo de AlGaAs/GaAs 68 Figura 3.5 Estructura de un diodo de alta luminosidad de InGaAsP/InP 69 Figura 3.6 Características de Luz - Corriente de un diodo láser 70 Figura 3.7 Distribución espectral de LED y diodo láser 71 Figura 3.8 Distribución espacial de LED y diodo láser 71 Figura 3.9 Respuesta del láser Fabry- Perot 72 x Figura 3.10 Estructura de in láser de banda de óxido 73 Figura 3.11 Estructura de un láser MCRW 74 Figura 3.12 Diagrama de constitución de láser DFB 76 Figura 3.13 Esquema de un diseño modular de un módulo láser 77 Figura 3.14 Fotodiodo de vacío 80 Figura 3.15 Fotomultiplicador 81 Figura 3.16 Fotodiodo de unión de semiconductores 82 Figura 3.17 Fotodiodo PIN 83 Figura 3.18 Fotodiodo de avalancha 84 Figura 3.19 Amplificador de Raman 87 Figura 3.20 Diagrama a bloque de una fibra dopada con erbio 89 Figura 3.21 Espectro óptico de EDFA (dB vs. nm) 90 Figura 3.22 Configuraciones de EDFA 91 Figura 4.1 Arquitectura básica RoF 98 Figura 4.2 Enlace óptico básico 104 Figura 4.3 Configuración IM-DD a) CS a BS (bajada), b) BS a CS (subida) 106 Figura 4.4 Modulación directa 108 Figura 4.5 Modulación externa 109 Figura 4.6 Modulador de electroabsorción 110 Figura 4.7 Bandas de energía de láser y EAM. En transmisión y absorción 110 Figura 4.8 Heterodino remoto en un enlace RoF 112 Figura 4.9 Transreceptor de electroabsorción 115 Figura 4.10 Configuración con EOM, modulando una señal en RF 116 Figura 4.11 Configuración con EOM, modulando una señal en IF 117 Figura 4.12 Configuración con EOM, modulando una señal en banda base 118 Figura 4.13 Configuración con modulación directa en banda base 119 Figura 4.14 Enlace tradicional entre BS y CS 121 Figura 4.15 Simple conexión vía fibra entre BS y CS 122 Figura 4.16 Enlace de fibra entre BS y CS con RoF 123 Figura 4.17 Aplicacion en configuración IM-DD con modulación directa 124 xi Figura 4.18 Aplicación en configuración IM-DD con modulación externa 126 Figura 4.19 Aplicación en configuración con incremento y decremento 127 Figura 4.20 Aplicación en configuración con heterodino remoto 129 Figura 4.21 Configuración de CS y BS con transreceptor óptico 131 Figura 4.22 Arquitectura de RoF usando WDM 132 xii Índice de tablas Tabla 1.1 Bandas satelitales 17 Tabla 2.1 Clases de MS y BS 39 Tabla 3.1 Características de los LEDs 65 Tabla 3.2 Fotodiodos PIN 83 Tabla 3.3 Detectores de unión semiconductora 85 Tabla .3.4 Comparación de λ en EDFA 92 Tabla 4.1 Ventajas y desventajas de técnicas de generación y transportación 120 xiii GLOSARIO UTP Par trenzado no blindado STP Par trenzado blindado FTP Par trenzado con blindado global LED Diodo emisor de luz LASER Amplificación de luz por radiación de emisión estimulada E/O Convertidor electro-óptico O/E Convertidor opto-eléctrico NA Apertura numérica UIT Unión internacional de telecomunicaciones VLF Frecuencia muy baja LF Frecuencia baja MF Frecuencia media HF Frecuencias altas VHF Frecuencias muy altas UHF Frecuencias ultra altas SHF Frecuencias súper-altas EHF Frecuencias extra-altas LOS Línea de vista NLOS sin línea de vista LEO Órbita terrestre baja MEO Órbita terrestre media GEO Órbita terrestre geoestacionaria IEEE Instituto de Ingeniería de Eléctricos y Electrónicos RF Radiofrecuencia LO Oscilador local BB Banda base LNA Amplificador de bajo ruido FDMA/FDD Acceso múltiple por división de frecuencia / división de frecuencia dúplex xiv TDMA/TDD Acceso múltiple por división de tiempo / división de tiempo dúplex TDMA/FDD Acceso múltiple por división de tiempo / división de frecuencia dúplex AMPS Sistema de servicio telefónico móvil avanzado TACS Sistema de acceso total a comunicaciones NMTS Sistema nórdico de telefonía móvil GSM Sistema Global de comunicaciones móviles TDMA Acceso múltiple por división de tiempo GMSK Modulación por desviación mínima Gaussiana MSK Modulación por desviación mínima FSK Modulación por desviación de frecuencia OCV Oscilador controlado por voltaje PLL Circuito de fase fija CD Corriente Directa CPFSK FSK de fase continua ISI interferencia intersimbólica FM Frecuencia modulada FDMA Acceso múltiple por división de frecuencia CDMA Acceso múltiple por división de código MSC Central de conmutación móvil AUC Centro de autenticación BSS Subsistema de estación base BTS Estación base BCF Funciones de control de estación base CS Estación controladora EIR Registro de Identificación del Equipo HLR Registro de Localización de Local MS Estación Móvil MSC Centro de conmutación de móvil NMC Centro de administración de red NSS Subsistema de red OMC Centro de O y M xv OSS Subsistema de operación PSTN Red de telefonía pública conmutada SIM Módulo de Identificación de Subscritor TRX Transreceptor VLR Registro de Localización del Visitante SIM Módulo de identidad del suscriptor IMEI Identidad móvil internacional del equipo IMSI Identidad móvil internacional del suscriptor BS Estación Base PCM Modulación por codificación de pulsos DXU Unidad de distribución de conmutación TRU Unidad de transmisión y recepción CDU Unidad de combinación y distribución PSU Unidad de alimentación de potencia ECU Unidad de control de energía CS Controlador de estación base LAPD Procedimiento de Acceso al Enlace Canal-D HLR Registro de localización de casa VLR Registro de localización de visitantes UMTS Servicio universal de telecomunicaciones móviles ETSI Instituto europeo de estándares de telecomunicaciones W-CDMA CDMA de banda ancha MLM Láser de Fabry-Perot GLD Diodos láser de ganancia guiada ILD Diodos láser de índice guiado MCRW guía de onda de cubierta de metal DFB Láser de retroalimentación distribuida C3 láser de cavidad acoplada hendida MSR Relación supresión de modo FWHM Ancho de pulso a media potencia VCSEL Láser de superficie emisora por cavidad superficial xvi PMT Tubo fotomultiplicador APD Fotodiodo de avalancha SOA Amplificadores ópticos de semiconductores SRS Efecto de dispersión estimulada Raman SBS Dispersión estimulada Brillouin EDFA Fibras amplificadoras dopadas con erbio RoF Radiofrecuencia sobre fibra óptica OTDM Multicanalización por división de tiempo óptico DWDM Multicanalización por división de longitud de onda densa FBG Fibra de rejilla de Bragg MZI Interferómetro de Mach-Zehnder SCM Multicanalización de sub-portadora WDM Multicanalización por división de longitud de onda SFDR Rango Dinámico libre de impurezas EOM Modulador óptico externo EAM Modulador de electroabsorción xvii Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos Capítulo 1. Sistemas de Comunicación cableados e inalámbricos En el estudio que está por desarrollarse se ven involucrados los sistemas guiados (cableados) y los sistemas no guiados (inalámbricos). En este capítulo analizaremos ambos casos. Se estudiarán los principales tipos de medios físicos e inalámbricos que existen para transportar información en un sistema de comunicación. Un sistema electrónico de comunicaciones es un sistema que tiene como objetivo principal enviar información de un lugar a otro en forma de señales eléctricas. Desde un punto de vista básico, todo sistema de comunicaciones consta de tres bloques: transmisor, medio de transmisión y receptor, como se ilustra en la Figura 1.1. Figura 1.1. Diagrama a bloques de un sistema de comunicación El transmisor contiene como dispositivo de entrada una fuente de información, y el objetivo del transmisor es procesar la señal generalmente eléctrica proporcionada por la fuente de información, para que ésta sea acoplada de manera eficiente al medio de transmisión. 1 Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos El medio de transmisión es el canal a través del cual viaja la información en forma de ondas electromagnéticas, desde el transmisor hasta el receptor. El receptor tiene como objetivo principal, captar parte de la potencia emitida por el transmisor y procesarla para que el dispositivo de salida pueda reproducir la información enviada por el transmisor. Por lo que se puede afirmar que el dispositivo de salida de todo receptor es el dispositivo reproductor de información. De forma ideal, la información reproducida por el dispositivo de salida del receptor tiene que ser una réplica perfecta de la información. Lo anterior requiere que el sistema de comunicaciones desde la fuente hasta el dispositivo reproductor de información se comporte como un circuito lineal, invariante en el tiempo, con un ancho de banda infinito y sin ruido. Una representación en forma de caja negra de un sistema ideal de comunicación se muestra en la Figura 1.2. Figura 1.2. Sistema ideal de comunicación. Este sistema ideal de comunicaciones no se puede obtener físicamente, ya que en todo transmisor y receptor físico se agrega ruido y se comporta como no lineal. Además todo medio de transmisión es paramétrico, introduce atenuación y su ancho de banda es finito. 2 Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos Estas degradaciones, que introducen el transmisor y receptor, así como el medio de transmisión, hacen que la información reproducida por el dispositivo de salida no sea una réplica fiel de la información proporcionada por la fuente. A causa de esto al transmisor se le puede agregar otra finalidad importante: procesar a la señal que contiene la información de forma tal que se reduzca el efecto de las degradaciones introducidas. Muchas de las características principales de los sistemas de comunicaciones están determinadas por el medio de transmisión. Éste se puede clasificar como guiado (físico) o no guiado (inalámbrico). Si es un canal físico, éste puede ser conductor de la electricidad o dieléctrico. 1.1 Sistemas cableados Los sistemas cableados también conocidos como medios guiados, proporcionan un camino físico a través del cual las ondas electromagnéticas se propagan. Las características y la calidad de la transmisión están determinadas tanto por el tipo de señal como por las características del medio. En el caso de los medios guiados, el medio en sí mismo es lo más importante en la determinación de las limitaciones de transmisión. La capacidad de transmisión, en términos de velocidad de transmisión o ancho de banda, depende drásticamente de la distancia y de si el medio se usa para un enlace punto a punto, o por el contrario para un enlace multipunto. Analizaremos estas limitaciones en diferentes medios guiados, por ejemplo, en par trenzado, cable coaxial y fibra óptica [1]. 3 Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos 1.1.1 Par trenzado El par trenzado es el medio más económico y a la vez el más usado. Consiste de dos alambres de cobre aislados, con 1mm de grueso. Los alambres se trenzan de forma helicoidal, esto para que los alambres constituyan una antena simple. Así las ondas de diferentes vueltas se cancelan por lo que la radiación del cable es menos efectiva. El trenzado mantiene estables las propiedades eléctricas a lo largo de toda la longitud del cable y reduce las interferencias creadas por los hilos adyacentes en los cables compuestos por varios pares. La aplicación más común del cable es el sistema telefónico. La distancia que pueden recorrer estos cables sin amplificar la señal es de varios kilómetros pero si son muy grandes necesitan de repetidores. En situaciones donde muchos cables de par trenzado recorren distancias considerables, se atan en haces y se cubren con una envoltura protectora. Los cables que se encuentran dentro de estos haces podrían sufrir interferencias si no estuvieran trenzados. Este tipo de cable se puede usar para transmisión de información analógica y digital. El ancho de banda depende del grosor del cable y de la distancia que recorre, en distancias de pocos kilómetros se pueden obtener transmisiones de varios Mbits/seg. Debido a sus características, el par trenzado es utilizado ampliamente en redes de comunicaciones. Existe una clasificación según su constitución física: Par trenzado no blindado (UTP) Es el cable más utilizado en las redes, ya que es barato y su instalación es sencilla. Por él se pueden efectuar transmisiones digitales (datos) o analógicas (voz). Consiste en 4 pares de conductores de cobre (cada uno protegido por un 4 Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos dieléctrico), que están trenzados de dos en dos para evitar la diafonía. Uno de sus inconvenientes es la alta sensibilidad que presenta ante interferencias electromagnéticas [2]. Existen actualmente 8 categorías dentro del cable UTP, las cuales especifican las características eléctricas del cable como son: atenuación, capacidad de línea e impedancia. A continuación se presentan algunas de las características de cada categoría: Categoría 1. Se usa para transmisión de voz. Especialmente diseñado para redes telefónicas. Alcanza velocidades de hasta 4 Mbps. Categoría 2. Se usa para transmisión de voz y datos hasta 4 Mbps. Categoría 3. Alcanza velocidades de hasta 16 Mbps y un ancho de banda de hasta 16 MHz. Categoría 4. Alcanza velocidades de hasta 20 Mbps y un ancho de banda de hasta 20 MHz. Categoría 5. Es un estándar dentro de las comunicaciones en redes LAN. Capaz de soportar comunicaciones de hasta 100 Mbps, con un ancho de banda de hasta 100 MHz. Categoría 5e. Es una categoría 5 mejorada. Minimiza la atenuación y las interferencias. No está estandarizado. La velocidad de transmisión es de 1000 Mbps. Categoría 6. No está estandarizado aunque ya se está utilizando. Tiene un ancho de banda de 250 MHz 5 Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos Categoría 7. No está definido y mucho menos estandarizado. Se definirá para un ancho de banda de 600 MHz. Par trenzado blindado (STP) En este tipo de cable, cada par va recubierto por una malla conductora que actúa de blindaje frente a interferencias y ruido eléctrico. Su impedancia es de 150 ohms. El nivel de protección del STP ante perturbaciones externas es mayor al ofrecido por UTP. El blindado del STP, para que sea más eficaz, requiere una configuración de interconexión a tierra. Es utilizado generalmente en las instalaciones de procesos de datos por su capacidad y buenas características contra radiaciones electromagnéticas, pero el inconveniente es que es un cable robusto, caro y difícil de instalar. Par trenzado con blindado global (FTP) En este tipo de cable como en el UTP, sus pares no están blindados, pero sí cuenta con un blindado global para mejorar su nivel de protección ante interferencias externas. Su impedancia característica típica es de 120 ohms y sus propiedades de transmisión son más parecidas a las del UTP. 1.1.2 Cable coaxial Es otro medio común de transmisión. Tiene un mejor blindaje que el del par trenzado, así que puede colocarse en tramos más largos a mayores velocidades. 6 Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos Existen dos clases. El cable de 50 ohms, usado para transmisión digital, y el cable de 75 ohms, usado para transmisión analógica y televisión por cable. Consiste en un alambre de cobre rígido como núcleo, rodeado por un material aislante. El aislante está forrado con un conductor cilíndrico, que con frecuencia es una malla de tejido trenzado, también de cobre. El conductor externo se cubre con una envoltura protectora de plástico. La construcción y el blindaje le dan una buena combinación de ancho de banda y excelente inmunidad al ruido. El ancho de banda depende de la calidad y longitud del cable, y la relación señal a ruido de los datos. Los cables modernos tienen un ancho de banda de 1 GHz. 1.1.3 Fibras Ópticas Debido al espectro de frecuencias limitado de otros medios de comunicación, y a las grandes desventajas que presentan frente al medio ambiente y otros factores, la fibra óptica y la tecnología que implica este medio de transmisión, se convierte en un método eficaz para la transmisión digital. La fibra óptica supera las grandes desventajas de las microondas, aunque su proceso de fabricación es complicado, presentan un gran ancho de banda, no son susceptibles ni a las interferencias ni al debilitamiento y por lo tanto las transmisiones pueden conducirse por este medio de transmisión casi con la completa garantía de seguridad. Los cables de fibra óptica también superan por mucho al par trenzado tanto en su capacidad como en su tamaño, ya que el diámetro es un factor muy importante en los cables de pares para aumentar la velocidad de transmisión y disminuir las congestiones, esto se puede evitar sustituyendo un solo cable de cobre por un hilo de fibra óptica, aumentado en gran proporción la capacidad para prevenir los incrementos de vías de comunicación en un futuro. 7 Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos Un sistema de fibra óptica es muy similar a un sistema de microondas. Las principales excepciones son: el medio de transmisión para las ondas luminosas y que la transmisión tiene lugar a frecuencias ópticas, que tienen una longitud de onda más corta que las microondas. Mientras que a las microondas se les designa generalmente por su banda de frecuencias, a las ondas luminosas se les referencia por su longitud de onda, que está relacionada con la frecuencia mediante la expresión: f = c λ Donde: λ es la longitud de onda, c es la velocidad de la luz y f es la frecuencia. A las frecuencias de la luz, la longitud de onda es tan corta que la unidad utilizada es el nanómetro (nm). En el estado actual de la tecnología, el espectro de comunicaciones ópticas útil se extiende, aproximadamente, desde los 800 nm hasta los 1600 nm. Elementos básicos de un sistema de fibra óptica. Los sistemas de fibras ópticas están diseñados con fibras separadas, una para transmisión y otra para recepción, las cuáles tienen en sus extremos un transmisor y un receptor de luz. El transmisor puede ser, ya sea un LED (diodo emisor de luz) ó un LASER. A estos elementos se les llama convertidores electro-ópticos (E/O), los cuales transforman la señal eléctrica en óptica. Los láseres presentan una mayor ganancia del sistema que los diodos LED debido a su mayor potencia de salida y a un mejor acoplamiento de la señal luminosa dentro de la fibra. La principal ventaja del diodo LED es su bajo costo. 8 Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos El receptor consiste en un diodo PIN o un APD, que se acopla a la fibra óptica. El diodo convierte los impulsos de luz en impulsos eléctricos, denominándoseles convertidor opto-eléctrico (O/E). Como la señal óptica se propaga a través de la fibra óptica, se ve degradada por la atenuación y parámetros de la fibra. Por esta razón, es necesario regenerar la señal transmitida. La forma más apropiada de realizar esta tarea es tratando la señal en forma eléctrica. De aquí que los convertidores O/E y E/O sean componentes indispensables en un repetidor óptico. El amplificador e igualador de la señal eléctrica son similares en los sistemas de transmisión convencionales [3]. Principios Básicos La fibra óptica consiste en tres partes: la interior, denominada núcleo, la exterior, llamada revestimiento y un recubrimiento de protección alrededor del revestimiento. Tanto el núcleo como el revestimiento son de vidrio, cada uno con un índice de refracción (nc y nr para el núcleo y revestimiento, respectivamente). El núcleo tiene un índice de refracción superior al del revestimiento. Debido a esta diferencia de índices, la luz transmitida se mantiene y propaga a través del núcleo, satisfaciéndose el principio de reflexión total interna. La luz que entra en la fibra óptica se propaga a través del núcleo en modos, que representan a los diferentes caminos posibles de los rayos de luz, Figura 1.3. Las ondas luminosas deben entrar en la fibra dentro de cierto ángulo, llamado ángulo de aceptación. Cualquier onda que entre según un ángulo mayor será enviado a través del revestimiento. Este ángulo está definido por la apertura numérica (NA). El concepto de apertura numérica es ampliamente utilizado para 9 Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos describir la potencia colectora de luz de la fibra y para calcular la eficiencia de acople fuente/fibra y esta definido por: NA = senα mx = n c 2 − nr 2 (1.1) Como se puede apreciar de la expresión anterior, la apertura numérica es función de los índices de refracción de los materiales de la fibra. Figura 1.3 Todos lo rayos entre R1 y R3 se propagarán en la fibra. 1.2. Sistemas inalámbricos Con la existencia de usuarios de sistemas de comunicación de voz o datos con necesidades de movilidad además de la disponiblidad del medio, se desarrollaron los sistemas inalámbricos. La comunicación inalámbrica tiene ventajas sobre los sistemas cableados, la más importante la accesibilidad, como en lugares de difícil acceso donde tener cable o fibra es muy difícil y costoso por lo que es más conveniente el sistema inalámbrico. Los sistemas inalámbricos se subdividen según el área del espectro electromagnético en el que trabajen (ver Figura 1.4), es decir su longitud de onda 10 Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos o frecuencia de transmisión. Además, según su posición en el espectro adquieren características que los hacen más aptos para trabajar diferentes sistemas. Figura 1.4 Espectro electromagnético Lo que se entiende por frecuencia de una onda electromagnética es el número de oscilaciones por segundo, y se mide en Hertz (Hz). Por otro lado la longitud de onda es la distancia entre dos puntos máximos consecutivos y se designa con la letra griega λ. El principio básico de las comunicaciones inalámbricas es que al conectarse una antena de tamaño apropiado (λ/2, λ/4, etc.) a un circuito eléctrico las ondas electromagnéticas pueden ser difundidas de manera eficiente y ser captadas por un receptor a cierta distancia. En el vacío, todas las ondas electromagnéticas viajan a la misma velocidad, no importando su frecuencia. Esta velocidad se conoce como velocidad de la luz, c, que es aproximadamente 3 x 108 m/s. En el cobre o fibra óptica la velocidad baja a 2/3 de este valor y se vuelve un poco dependiente de la frecuencia. La relación fundamental en el vacío es: λf =c 11 (1.2) Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos 1.2.1 Ondas de radio Una onda de radio se origina cuando una partícula cargada se excita a una frecuencia situada en la zona de radiofrecuencia del espectro electromagnético que ocupa el rango de frecuencias de 3KHz a 300GHz. Los siguientes son los nombres oficiales de UIT (Unión internacional de telecomunicaciones): VLF (Frecuencia muy baja) con gama de Frecuencias: 10 a 30 KHz. Su longitud de onda: 10,000 a 30,000 metros. Algunas características de este tipo de ondas son que se propaga por tierra, tiene atenuación débil y es de características estables. Su uso es frecuente en enlaces de radio a grandes distancias. LF (Frecuencia baja) tiene una gama de frecuencias 30 a 300 KHz. La longitud de onda que abarca es de 1 a 10 Km, algunas características de esta banda son muy parecidas a la VLF, pero de características menos estables. Los usos frecuentes que se le dan son para servicio de AM y principalmente para el control de servicio aeronáutico, como los radio faros. MF (frecuencia media) tiene una gama de frecuencias de 300 KHz a 3 MHz y longitud de onda de 1 Km a 100 m. Como es de suponer es similar a las anteriores pero aquí presenta una absorción elevada durante el día. La propagación prevalentemente ionosférica durante la noche y se usa en la radiodifusión. HF (frecuencias altas) abarca una gama de frecuencias de 3 a 30 MHz con longitud de onda de 100 a 10 m, y su propagación es consistentemente ionosférica con fuertes variaciones estacionales y en las diferentes horas del día y la noche. 12 Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos El uso frecuente es en comunicaciones de todo tipo a media distancia y larga distancia. VHF (frecuencias muy altas) con gama de frecuencias de 30 MHz a 300 MHz y una longitud de onda: de 1 a 10 m. Las características especiales son que su propagación es prevalentemente directa y esporádicamente presenta propagación ionosférica o troposférica. Se usa frecuentemente en enlaces de radio a corta distancia, televisión y en frecuencia modulada. UHF (Frecuencias ultra altas) usa gama de frecuencias: 300 MHz a 3 GHz y longitud de onda de 10 cm a 1 m. Su propagación ofrece posibilidad de enlaces por reflexión o a través de satélites artificiales. El uso que se le da es en enlaces de radio y radar, ayuda a la navegación aérea y televisión. Se han alcanzado frecuencias mucho mayores pero es complicado su manejo por los dispositivos necesarios para producirlas. Éstas se clasifican en: SHF (frecuencias súper-altas) abarcando la gama de frecuencias de 3 a 30 GHz y una longitud de onda de 1 a 10cm. Se propaga exclusivamente en forma directa (LOS) y ofrece enlaces por reflexión a través de satélites artificiales. Los usos frecuentes son en radar y enlaces de radio. EHF (frecuencias extra-altas) con gama de frecuencias de 300 a 3000 GHz y longitud de onda de 0.1 a 1 mm. Son de propagación directa y se usan en radares y enlaces de radio. Las ondas de radio viajan aproximadamente a la misma velocidad que la luz (c), y puesto que su longitud de onda es pequeña, son afectadas por los elementos pequeños que viajan en el aire. Debido a esto son muy vulnerables a la lluvia y en general les afecta el medio por lo que se atenúan con la distancia. 13 Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos Las características necesarias a conocer acerca de ellas son la amplitud, frecuencia y fase. Su uso es muy extendido y son la base de las comunicaciones inalámbricas. Puede decirse que son fáciles de generar y tienen la gran ventaja de poder atravesar edificios, pues como se mencionó son más afectadas por obstáculos pequeños que por los grandes [5]. 1.2.2 Infrarrojos La radiación infrarroja es un tipo de radiación electromagnética de mayor longitud de onda que la luz visible, pero menor que la de las microondas. Rango infrarrojo λ • Infrarrojo cercano (2,500 nm -780 nm) • Infrarrojo medio (50,000 nm- 2,500 nm) • Infrarrojo lejano (50,000 nm – 1mm) Otro factor importante es saber que producen dos tipos de radiaciones: la ionizante y la no ionizante. Una forma de clasificar a los infrarrojos es los tres modos que utilizan para lograr el intercambio de energía óptica, estos caen dentro de los tipos: con línea de vista (LOS line of sight) y sin línea de vista (NLOS): * Punto a punto. Lo cual sería en línea directa y por lo tanto con línea de vista (LOS). Figura 1.5. Figura 1.5 Comunicación punto a punto. 14 Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos • Cuasi difuso. Con múltiples trayectorias y sin línea de vista (NLOS). Figura 1.6. Figura 1.6 Comunicación cuasidifusa. Difuso. El cual llega después de múltiples trayectorias sin un reflector sin línea de vista (NLOS). Figura 1.7. Figura 1.7 Comunicación difusa. 1.2.3 Microondas Las microondas son usadas en radiodifusión, ya que pasan fácilmente a través de la atmósfera con menos interferencia que otras longitudes de onda. Usualmente, las microondas son usadas para transmisión de una señal desde una localización remota a una estación móvil, claro que este equipada con lo necesario. 15 Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos Una característica especial es el hecho de que puede concentrar toda la energía de emisión en un haz pequeño, lo que da una direccionalidad muy efectiva, es decir el haz no se dispersa y llega al punto receptor sin interferir con otros enlaces. A diferencia de las ondas de radio más bajas las microondas no atraviesan edificios. Llegan a viajar por el medio de distintas formas pudiendo ser: * Directa en línea de vista. * Por tropodifusión, rebotando en la ionosfera. * Por el suelo. Dado que el espectro es muy amplio, se han desarrollado variadas aplicaciones con microondas tales como: Sistema Satelital Consiste en uno o más salélites (los cuáles operan en las bandas C, Ku y Ka regularmente ver Tabla 1.1), una estación en la tierra, para controlar el funcionamiento del sistema y una red de estaciones usuarias. Un satélite es una repetidora de microondas en el espacio, formado por la combinación de un receptor, transmisor, regenerador, filtro, una computadora, un multiplexor, un demultiplexor, una antena y guía de onda, el cual es puesto en órbita mediante cohetes espaciales que lo situan circundando la Tierra a distancias relativamente cercanas fuera de la atmósfera. Los tipos de satélites según sus órbitas son: • Satélites LEO (Low Earth Orbit), de órbita baja. Orbitan la Tierra a una distancia de 150 a 500 Km. y su velocidad les permite dar una vuelta al 16 Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos mundo en dos horas. Se usan para proporcionar datos geológicos sobre movimiento de placas terrestres, meteorología y cobertura celular. • Satélites MEO (Medium Earth Orbit), órbita media. Son satélites que se mueven en órbitas medianamente cercanas, de unos 9000 a 18000 Km. Se usa en comunicación en regiones polares. • Satélites GEO (Geosynchronous Earth Orbit). Tienen una velocidad de traslación igual a la velocidad de rotación de la Tierra, es decir que se encuentran suspendidos sobre un mismo punto del globo terrestre. Por eso se llaman satélites geoestacionarios. Para que la Tierra y el satélite igualen sus velocidades es necesario que este último se encuentre a una distancia fija de 35,800 Km sobre el ecuador. Se destinan a emisiones de televisión y de telefonía, a la transmisión de datos a larga distancia, y a la detección y difusión de datos meteorológicos [5]. Generan 2000 watts de potencia y trabajan en 3 frecuencias. Tabla 1.1 Bandas satelitales Banda Bajada (GHz) 3.7- 4.2 Subida (GHz) 5.925 – 6.425 C 4-6 Ku 11-14 11.7 – 12.2 14 – 14.5 Ka 20- 30 17.7 – 21.7 27.5 – 30.5 Bluetooth Es el nombre común de la especificación industrial IEEE 802.15.1, que define un estándar global de comunicación inalámbrica que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos mediante un enlace por radiofrecuencia segura, 17 Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos de corto rango y sin licencia. Los principales objetivos que se pretende conseguir con esta norma son: • Facilitar las comunicaciones entre equipos móviles y fijos. • Eliminar cables y conectores entre éstos. • Ofrecer la posibilidad de crear pequeñas redes inalámbricas y facilitar la sincronización de datos entre nuestros equipos personales. La especificación de Bluetooth define un canal de comunicación de máximo 720 kb/s (1 Mbps de capacidad bruta) con rango óptimo de 10 metros (opcionalmente 100 m con repetidores). La frecuencia de radio con la que trabaja está en el rango de 2,4 a 2,48 GHz con espectro disperso y saltos de frecuencia con posibilidad de transmitir en distintas clases. Clases 1.- Más potente. Una distancia de hasta 100 metros con una potencia de 100 mW (20 dBm), alcanza 1 Mbps. 2.- Comunes. Con distancia de 10 metros y potencia de 2.5 mW (5 dBm) y alcanza 10 Mbps. 3. Con distancia de 10 cm, necesita 1 mW (0 dBm). 18 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM Capítulo 2. Sistema Global de comunicaciones móviles GSM El punto de aplicación de la tecnología que se detalla en este trabajo de tesis es la telefonía móvil. Hemos escogido al sistema GSM por ser el que se encuentra más extendido a nivel global e instalado en nuestro país. En un subsistema de éste, posteriormente analizado, es donde se ubica la aplicación de radiofrecuencia sobre fibra óptica. Para comenzar a tratar al sistema de telefonía móvil, será necesario comenzar con una explicación básica de cómo funciona cualquier sistema de comunicación inalámbrica y las partes que lo conforman. 2.1 Sistema de radio básico Las etapas de radiofrecuencia de la mayoría de los sistemas tienen mucho en común aun cuando en la práctica tienen muchísimas variaciones. El siguiente es un típico diagrama a bloques de los transmisores inalámbricos. Antena Mezclador Amplificador Modulador datos Filtro pasa banda Filtro IF Oscilador local Figura 2.1 Transmisor de radio básico. 19 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM La entrada a un transmisor de radio puede se voz, video, datos u otra información a ser transmitida a uno o más receptores. A estos datos usualmente se les conoce como señal de banda base. La función básica del transmisor es utilizar la información en banda base para modular una señal portadora de una frecuencia mayor la cual pueda ser radiada por la antena transmisora. La razón de esto es que las señales a frecuencias más altas pueden ser radiadas de forma más efectiva y usan el espectro de radiofrecuencia más eficientemente que la radiación de la señal en banda base. El transmisor opera en primer lugar usando los datos de banda base y los modula a una señal de onda senoidal de frecuencia intermedia. A la salida del modulador la señal que se tiene se conoce como señal de frecuencia intermedia (IF) y usualmente se encuentra en los rangos entre 10 y 100 MHz. En enlaces de microondas puede ser de 60 a 80 y la típica de 70 MHz. Esta señal IF es entonces cambiada a una frecuencia superior usando un mezclador, obteniendo la señal deseada en radio frecuencia (RF) para transmitir. El mezclador opera produciendo la suma o diferencia de la señal IF y una frecuencia diferente producida por un oscilador local (LO). Después existe un filtro pasabanda el cual permite a la suma de las frecuencias pasar, mientras rechaza la frecuencia más baja. Si es necesario, un amplificador de potencia se usa para incrementar la potencia de salida del transmisor. Al último existe la antena la cual convierte la señal portadora modulada proveniente del transmisor en una onda plana electromagnética que se propagará. El receptor (ver Figura 2.2) tiene la función de recobrar los datos en banda base transmitidos de una forma esencialmente contraria a las funciones de los elementos del transmisor. La antena recibe ondas electromagnéticas radiadas de muchas fuentes sobre un rango relativamente amplio de frecuencias. Un filtro pasabanda en la entrada provee algo de selectividad al rechazar señales de frecuencias indeseadas y dejando entrar la banda deseada. Este filtro pasabanda es seguido por un amplificador de bajo ruido (LNA), cuya función es amplificar lo más posible la débil señal recibida mientras minimiza la potencia 20 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM del ruido que se añade a ella. Colocando un filtro pasabanda antes del LNA se reduce la posibilidad de que el sensible amplificador se sobrecargue por interferencias. Después de estos elementos un mezclador se usa para convertir la señal de RF recibida a una frecuencia más baja, de nuevo IF. Cuando el LO es puesto en una frecuencia cercana a la de la RF de entrada, la diferencia de frecuencia de salida del mezclador será relativamente baja (típicamente menor a 100 MHz), y podrá ser fácilmente filtrada por un filtro pasabanda de IF. Un amplificador de IF de alta ganancia incrementa el nivel de potencia así que la señal de banda base puede ser recuperada fácilmente, este es el proceso de demodulación [6]. Filtro pasa banda Amplificador IF Mezclador Amplificador de bajo ruido Filtro IF Demodulador Oscilador local Figura 2.2 Receptor de radio básico. 2.2 Métodos de acceso múltiple Los esquemas de acceso múltiple son usados para permitir que varios usuarios móviles compartan simultáneamente un espectro de radio definido. El compartir el espectro es requerido para lograr alta capacidad asignando el ancho de banda disponible (o la cantidad de canales disponibles) a múltiples usarios. Para comunicaciones de alta calidad, esto debe ser hecho sin severas degradaciones en el rendimiento del sistema. 21 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM En sistemas de comunicaciones inalámbricas, usualmente el suscriptor envía información simultáneamente a la estación base mientras que recibe información de la misma estación base. Por ejemplo, en sistemas telefónicos convencionales, es posible hablar y escuchar el mismo tiempo, y este efecto, llamado duplexión, es generalmente requerido en sistemas de telefonía inalámbrica. La duplexión puede ser realizada usando técnicas en el dominio de la frecuencia o en tiempo. La duplexión por división de frecuencia (FDD) provee dos bandas distintas de frecuencias para cada usuario. La banda de subida lleva el tráfico de la estación base al móvil, y la banda de bajada lleva el tráfico del móvil a la estación base. En FDD, cualquier canal duplex consiste de dos canales duplex (de subida y bajada), y un dispositivo llamado duplexor es usado dentro de cada unidad del suscriptor y estación base para permitir simultáneamente la transmisión y recepción de radio bidireccional para la unidad del suscriptor y la estación base en el par de canal duplex. La separación de frecuencia entre cada canal de subida y bajada es constante a través del sistema. La duplexión por división de tiempo (TDD) usa tiempo en lugar de frecuencia para proporcionar ambos, el enlace de subida y bajada. En TDD, múltiples usuarios comparten un solo canal de radio tomando turnos en el dominio del tiempo. Usuarios individuales son permitidos para acceder al canal en ranuras de tiempo asignadas, y cada canal duplex tiene ambos, una ranura de tiempo de subida y una ranura de tiempo de bajada para facilitar la comunicación bidireccional. TDD permite la comunicación en un solo canal y simplifica el equipo del suscriptor ya que un duplexor no es requerido. Acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA), acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) y acceso múltiple por división de código (CDMA) son las tres técnicas de acceso más usadas para compartir el ancho de banda disponible en un sistema de comunicación inalámbrico. Estas técnicas pueden ser 22 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM agrupadas como sistemas de banda estrecha o de banda amplia, dependiendo de cómo el ancho de banda disponible es asignado a los usuarios. 2.2.1 Acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA) El acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA) asigna canales individuales a usuarios individuales. Podemos observar en la siguiente Figura 2.3 que a cada usuario se le asigna una banda de frecuencia o canal único. Estos canales son asignados en función de la demanda de usuarios que requieren este servicio. Durante el periodo de la llamada ningún otro usuario puede compartir el mismo canal. En sistemas FDD (duplexión por división de frecuencia), los usuarios son asignados a un canal como un par de frecuencias, una frecuencia es usada para el enlace de subida del canal, mientras que la otra frecuencia es usada para el enlace de bajada del canal. Figura 2.3 FDMA, donde a diferentes canales se les asignan diferentes bandas de frecuencias. Las características de FDMA son las siguientes: • El canal FDMA porta solamente un circuito de teléfono a la vez. 23 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM • Si un canal FDMA no está en uso, se encuentra desocupado y no puede ser usado por otros usuarios para incrementar la capacidad de compartir del sistema. Es esencialmente recurso gastado. • Después de asignar un canal de voz, la estación base y el móvil transmiten simultánea y continuamente. • El ancho de banda de los canales FDMA es relativamente estrecho (30 KHz). Es por eso que cada canal sólo soporta un circuito por portadora. Esto es, FDMA usualmente es implementada en sistemas de banda estrecha. • El tiempo por símbolo de una señal de banda estrecha es grande comparado con el retraso de expansión promedio. Esto implica que la cantidad de interferencia intersímbolo es baja y, así, la ecualización casi no es requerida en sistemas FDMA de banda estrecha. • Ya que FDMA es un esquema de transmisión continua, muy pocos bits son requeridos para propósitos de encabezados (tales como bits de sincronización y bits de trama) comparado con TDMA. • Los sistemas FDMA tienen costos más altos en sistemas celulares comparados con sistemas TDMA, por el diseño de un solo canal por portadora y la necesidad usar filtros pasabanda costosos para eliminar radiación espuria en la estación base. • La unidad móvil FDMA usa duplexores ya que ambos, el transmisor y el receptor, operan al mismo tiempo. Esto resulta en un incremento en el costo de las unidades suscriptoras de FDMA y las estaciones base. • FDMA requiere de filtración ajustada de RF para minimizar la interferencia de canales adyacentes. 24 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM Figura 2.4 Esquema donde cada canal ocupa una ranura de tiempo que se repite constantemente 2.2.2 Acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) Los sistemas de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) dividen el espectro de radio en ranuras de tiempo, y en cada ranura sólo un usuario está permitido para transmitir o recibir. Cada usuario ocupa una ranura de tiempo repitiendo cíclicamente como se observa en la Figura 2.7, , entonces un canal puede ser visto como una ranura de tiempo en particular que reaparece cada trama, donde n ranuras de tiempo comprenden una trama. Los sistemas TDMA transmiten datos en un método llamado buffer-and-burst (ráfaga de memoria intermedia), así que la transmisión para cualquier usuario es no continua. Esto implica que es diferente en sistemas FDMA (el cual provee FM analógica), En TDMA deben ser usadosdatos digitales y modulación digital. La transmisión de varios usuarios está entrelazada en una estructura de trama repetitiva como se muestra en la Figura 2.5. Se puede observar que una trama consiste de un número de ranuras. Cada trama está compuesta de un preámbulo, un mensaje de información, y bits de cola. En TDMA/TDD, la mitad de las ranuras de 25 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM tiempo en la trama del mensaje de información serían usadas para los canales de enlace de subida y la otra mitad serían usadas para los canales de enlace de bajada. En sistemas TDMA/FDD, la estructura de la trama es idéntica o similar y sería usada únicamente para transmisión de subida o de bajada, pero las frecuencias portadoras serían diferentes para los enlaces de subida y bajada. En general, los sistemas TDMA/FDD intencionalmente inducen muchos retrasos entre las ranuras de tiempo de subida y bajada de un usuario en particular, así que los duplexores no son requeridos en la unidad del suscriptor. Figura 2.5 Estructura de una trama TDMA. La trama se repite en el tiempo. En una trama TDMA, el preámbulo contiene la dirección y la información de sincronización, que ambos (la estación base y los suscriptores) usan para identificarse el uno al otro. Los tiempos de guardia son utilizados para permitir la sincronización de los receptores entre las diferentes ranuras y tramas. Diferentes estándares inalámbricos de TDMA tienen diferentes estructuras de trama TDMA. Las características de TDMA incluyen lo siguiente: • TDMA comparte una sola frecuencia portadora con muchos usuarios, donde cada usuario hace uso de ranuras de tiempo que no se traslapan. El número de ranuras de tiempo por trama depende de muchos factores, tales como las técnicas de modulación, el ancho de banda disponible, etc. 26 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM • La transmisión de datos en sistemas TDMA no es continua, pero ocurre en ráfagas. Esto resulta en un consumo mínimo en la batería, ya que el suscriptor transmisor puede ser apagado cuando no está en uso (lo cual ocurre la mayoría del tiempo). • TDMA usa diferentes ranuras de tiempo para transmisión y recepción, así los duplexores no son requeridos. Aún si FDD es usado, un switch (más que un duplexor) dentro de la unidad del suscriptor es todo lo que se necesita cambiar entre el transmisor y receptor usando TDMA. • Una adaptación de ecualización es necesaria usualmente en sistemas TDMA, ya que la tasa de transmisión es generalmente muy alta comparado con los canales FDMA. • Encabezados de alta sincronización son requeridos en sistemas TDMA debido a las ráfagas de transmisión. Las transmisiones TDMA son ranuradas, y esto requiere que los receptores sean sincronizados para cada ráfaga de datos. Además las ranuras de guardia son necesarias para separar usuarios, resultando que los sistemas TDMA tienen grandes encabezados comparados con FDMA. • TDMA tiene una ventaja en la que es posible localizar diferentes números de ranuras de tiempo por trama para diferentes usuarios. Así, el ancho de banda puede ser abastecido en función de la demanda de los diferentes usuarios, concatenando o reasignando ranuras de tiempo basadas en la prioridad. 2.2.3 Acceso múltiple por división de código (CDMA). Todos los usuarios en sistemas CDMA, como se ve en la Figura 2.6, usan la misma frecuencia portadora y pueden transmitir simultáneamente. Cada usuario tiene su propio código de palabra. Para la detección de la señal de mensaje, el receptor necesita saber el código de palabra usado por el transmisor. Cada usuario opera independientemente sin el conocimiento de otros usuarios. 27 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM Figura 2.6 Estructura de CDMA. Las características de CDMA incluyen el que muchos usuarios de los sistemas CDMA comparten la misma frecuencia. Incrementar el número de usuarios en sistemas CDMA eleva el ruido de una forma lineal. Así, no hay un límite absoluto sobre el número de usuarios en CDMA. Mejor dicho, el rendimiento del sistema gradualmente se degrada para los usuarios según se incrementan éstos, e incrementa cuando el número de usuarios decrementa. 2.3 Sistemas de telefonía móvil La telefonía móvil ofrece acceso vía radio a un abonado de telefonía de tal forma que pueda recibir y realizar llamadas dentro del radio de cobertura del sistema (área dentro de la cual la terminal móvil puede conectarse con el sistema de radio para llamar o ser llamado). 28 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM Existen dos tipos de sistemas inalámbricos similares, el sistema de telefonía móvil y el sstema de telefonía inalámbrico (cordless). La diferencia entre ellos es que en el primero tiene una cobertura amplia, y el caso de un sistema inalámbrico supone que la cobertura es limitada (un área de oficinas o los alrededores de un área residencial). Los sistemas móviles celulares incorporan la ventaja de dividir el área de cobertura en células (Figura 2.7), lo cual, limitando convenientemente la potencia con que se emite cada frecuencia, permite la reutilización de las mismas a distancias bastante cortas y, por lo tanto, aumentar la capacidad de los sistemas [7]. Figura 2.7 Organización celular Entonces, un sistema celular consiste de una serie de células, cubiertas cada una de ellas por un sistema de radio que permite la conexión de los terminales móviles al sistema, y un sistema de conmutación (centro de servicios móviles) que permite la interconexión entre las estaciones radio transmisoras y la conexión del sistema a la red de conmutación pública. 29 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM 2.3.1 Arquitectura de celdas Celda Una celda es la unidad básica geográfica del sistema celular: el termino celda viene de la forma de los panales de abeja y de esta forma es dividida un área de cobertura. Las celdas son estaciones base transmitiendo sobre áreas geográficas pequeñas que se representan con forma de hexágonos. Cada tamaño de celda varía dependiendo de la locación. Las verdaderas celdas no llegan a tener la verdadera forma de hexágono debido a las condiciones del terreno o construcciones. Existen tres tipos macroceldas, microceldas y pico celdas. Macrocelda Una red de macroceldas es desarrollada usando relativamente grandes celdas con diámetro de entre 1 a 10 km. Esto crea una sustancial huella con unos cuantos sectores. Una central de conmutación regional controla todo el tráfico entre un mercado y lo interconecta con la red pública. La capacidad puede se mejorada agregando sectores a los sitios existentes para facilitar el crecimiento del suscriptor. Microceldas Redes de radio de microceldas son usadas en áreas con alta densidad de tráfico, como áreas suburbanas. Las células tienen un radio de entre 100 m y 1 km. Para esas pequeñas células, es difícil predecir las densidades de tráfico y el área de cobertura. 30 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM Picoceldas Estas se llaman también celdas internas y tienen un radio de entre 10 y 100m. Se usan para comunicaciones inalámbricas en oficinas [8]. 2.4 Antecedentes de telefonía móvil Comenzaremos con la llamada primera generación de telefonía móvil, la cual usa la técnica de acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA/FDD), y además contenía dos frecuencias portadoras distintas para establecer la transmisión y recepción. En el caso norteamericano a partir de 1981 comenzó a utilizarse el sistema de servicio telefónico móvil avanzado (AMPS), el cual ofrecía 666 canales divididos en 624 canales de voz y 42 canales de señalización de 30 KHz cada uno. En cambio en Europa se introduce en 1981 el sistema nórdico de telefonía móvil (NMTS 450) el cual empezó a operar en Dinamarca, Suecia, Finlandia y Noruega, en la banda de 450 MHz. Para 1985 en Gran Bretaña, basándose en AMPS, se adoptó el sistema de acceso total a comunicaciones (TACS), el cual contaba con 1000 canales de 25 KHz cada uno y operaba en la banda de 900 MHz. Finalmente en esta década también aparecen otros sistemas de primera generación como el estándar japonés, el C-Netz estándar Alemán y French Radiocom en Francia. Sólo se podía prestar el servicio de voz con las tecnologías de primera generación. El surgimiento de la segunda generación se debió a que con tantos estándares diferentes, los proveedores europeos sufrieron las consecuencias de una diversidad de normas incompatibles entre sí. El reconocimiento de este problema fue un factor que impulsó el desarrollo del estándar GSM para las comunicaciones móviles. En 1982, cuando aparecieron los primeros servicios celulares comerciales, la CEPT (Conférence Européenne des Postes et 31 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM Télécommunications) tomó la iniciativa de poner en marcha un grupo de trabajo, llamado el grupo especial móvil (cuyas siglas GSM perduraron pero con un nuevo significado), quien estuvo encargado de especificar un sistema de comunicaciones móviles común para Europa en la banda de 900 MHz. El GSM comenzó como una norma europea para unificar sistemas móviles digitales y fue diseñado para sustituir a más de diez sistemas analógicos en uso y que en la mayoría de los casos eran incompatibles entre sí. Tras varias pruebas en Francia en 1986 y de la selección del método de acceso (acceso múltiple por división de tiempo TDMA) en 1987, 18 países firmaron en 1988 un acuerdo de intenciones. En este documento los países firmantes se comprometían a cumplir las especificaciones, a adoptar este estándar único y a poner en marcha un servicio comercial GSM, que ofreciera seguimiento automático de los teléfonos móviles en su desplazamiento por todos los países. Conforme se desarrolló, GSM mantuvo el acrónimo, aunque en la actualidad significa sistema global para comunicaciones móviles (Global System for Mobile communications) [9][10]. 2.5 GSM Por ser el sistema que llevó a extender las comunicaciones móviles en México, y seguir siendo utilizado en los sistemas actuales o éstos ser una evolución de él, es necesario analizar la estructura, forma de trabajo y equipo utilizado para una red de este tipo. A continuación se dará una vista para entender el sistema ya que posteriormente será necesario recordarlo. 2.5.1 Características del sistema Es un sistema totalmente digital, operando en las bandas de 800/900/1800/1900 MHz, el cual tiene una arquitectura jerárquica y fue 32 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM diseñado para manejar volúmenes de tráfico razonablemente grandes. A diferencia de los sistemas analógicos, fue dimensionado para contener al menos varios cientos de miles de usuarios por red, y la eficiencia del espectro es mucho mejor que sus antecesores. Esto último debe a la poderosa capacidad de compresión y el que los sistemas digitales puedan tener tamaños de célula mas pequeños sin interferencia entre si [11]. 2.5.2 Modulación Digital en GSM Debido a las características del canal de radio, el sistema de modulación usado en GSM debe tener una alta eficiencia espectral y presentar una fuerte resistencia frente a los efectos nocivos que introduce el canal de radio. El grupo de esquemas de modulación con fase continua y envolvente constante se usa mucho en sistemas con atenuación variable debido a su robustez frente a las interferencias y la atenuación, mientras mantiene una buena eficiencia espectral. Cuanto más lentos y suaves sean los cambios en la fase, mejor es la eficiencia espectral. Un miembro de esta familia es la modulación por desviación mínima Gaussiana (GMSK). Se deriva de la modulación por desviación mínima (MSK), en el que los cambios de fase entre bits contiguos son lineales por trozos, por lo que se tienen cambios instantáneos en la frecuencia. Esto ensancha el espectro, por lo que se usa GMSK en el que se suaviza la fase con un filtro Gaussiano. El parámetro de GMSK que controla el ancho de banda y la resistencia a las interferencias es el producto del ancho de banda de 3 dB (B) por la duración de un bit (T). El mejor rendimiento se obtiene para BT = 0.3, aunque éste produce un solapamiento no despreciable entre canales de frecuencias adyacentes. Esto introduce interferencias que se pueden geográficamente el uso de frecuencias adyacentes. 33 minimizar separando Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM Estas dos técnicas de modulación digital son derivadas de la modulación por desviación de frecuencia (FSK) la cual es relativamente simple. A continuación se explicará cada una de las modulaciones antes mencionadas. Modulación por desviación de frecuencia (FSK) Se considera como una forma de modulación en ángulo con envolvente constante, muy parecida a la modulación en frecuencia convencional con la diferencia de que la moduladora es un tren de pulsos binarios con amplitud que varía entre dos niveles discretos de voltaje, en lugar de una forma de onda con variación continua. Así, la expresión general para la señal FSK binaria es: ⎡⎛ s (t )∆ω ⎞ ⎤ m(t ) = Ac cos ⎢⎜ ωc + m ⎟t⎥ 2 ⎠ ⎦ ⎣⎝ (2.1) en donde: m(t ) = onda FSK binaria Ac = amplitud pico de la portadora sin modular ωc = frecuencia en radianes/seg de la portadora sm (t ) = señal modulante digital binaria ∆ω = cambio de frecuencia en la salida. f m .= frecuencia de modulación Como podemos observar de la ecuación, la amplitud Ac de la portadora se mantiene constante con la modulación pero la frecuencia ωc de la portadora cambia en la cantidad de ±∆ω 2 . Este cambio de frecuencia es proporcional a la amplitud y polaridad de la moduladora binaria. La velocidad a la que cambia la frecuencia de la portadora es igual a la velocidad de cambio de la señal binaria de entrada sm(t). En consecuencia, la frecuencia de la portadora de salida cambia entre ωc + ∆ω 2 y ωc − ∆ω 2 a la velocidad de f m . 34 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM Como en FSK binario la frecuencia de la portadora se desvía en función de los datos binarios de entrada, la salida de un modulador FSK es una función escalón en el tiempo. Conforme la señal de entrada cambia de 0 lógico a lógico 1 y viceversa, la salida FSK cambia entre dos frecuencias: la de marca f m y la de espacio fe respectivamente. Por lo tanto cuando la condición lógica de la señal binaria de entrada cambia, existe un cambio en la frecuencia de salida de la señal FSK. En consecuencia, la velocidad de cambio de la salida es igual a la velocidad de cambio de la entrada. La velocidad de cambio de la entrada del modulador se conoce como velocidad de bits y se mide en bits por segundo (bps). La velocidad de cambio a la salida del modulador se conoce como velocidad de bauds. El baud es la tasa de línea en símbolos por segundo. En la Figura 2.8 se muestra la relación entre la señal digital de entrada y la salida FSK analógica. Figura 2.8. Transmisor FSK binario. 35 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM Generalmente, FSK se genera con un oscilador controlado por voltaje (OCV). Con una entrada binaria, la mayor velocidad de cambio en la entrada se tiene cuando la entrada está constituida por 1´s y 0´s consecutivamente, es decir un tren periódico de pulsos. Como la frecuencia fundamental de este tren periódico de pulsos es la mitad de su tasa de bits, considerando sólo la frecuencia fundamental de la entrada, la máxima frecuencia moduladora para el modulador FSK es igual a la mitad de la tasa de bits de entrada. El circuito para la demodulación de señales FSK es el circuito de fase fija (PLL). En el demodulador PLL-FSK, a medida que la entrada del PLL cambia entre fm y fe, el voltaje de error de cd en la salida del comparador de fase cambia en concordancia. Como sólo existen dos frecuencias de entrada sólo hay dos voltajes de error de salida, uno representa al 1 lógico y el otro al 0 lógico. Así, la salida es la representación de dos niveles (binaria) de la entrada FSK [12]. Modulación por desviación mínima FSK (MSK) MSK es un tipo especial de esquema de modulación FSK, con fase continua en la señal analógica de salida. Se conoce como FSK de fase continua (CPFSK). En esencia, MSK es el FSK binario, excepto que las frecuencias fm y fe están sincronizadas con la tasa bits de la moduladora binaria, por lo tanto, existe una relación de tiempo precisa entre ambas frecuencias; esto no quiere decir que sean iguales. En MSK, la fm y fe se seleccionan de forma que estén separadas de la frecuencia central por un múltiplo impar exacto de la mitad de la tasa de bits. Esta situación asegura la existencia de una transición de fase continua en la señal analógica de salida cuando cambia de una frecuencia de marca a una frecuencia de espacio, o viceversa. El nombre MSK significa la mínima separación en frecuencia que permite una detección ortogonal. MSK es una modulación espectralmente eficiente. Posee propiedades como envolvente constante, eficiencia espectral, buena respuesta ante los errores de 36 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM bits, y capacidad de autosincronización. Una señal MSK genérica se puede expresar como: (2.2) donde mL(t) y mg(t) son los bits pares e impares de la cadena de datos bipolares que tienen valores de +1 o de -1 y que alimentan los bloques en fase y en cuadratura del modulador. Modulación por desviación mínima con filtro gaussiano (GMSK) GMSK es un esquema de modulación binaria simple que se puede ver como derivado de MSK. En GMSK, los lóbulos laterales del espectro de una señal MSK se reducen pasando los datos modulantes a través de un filtro Gaussiano de premodulación. El filtro gaussiano aplana la trayectoria de fase de la señal MSK y por lo tanto, estabiliza las variaciones de la frecuencia instantánea a través del tiempo. Esto tiene el efecto de reducir considerablemente los niveles de los lóbulos laterales en el espectro transmitido. El filtrado convierte cada dato modulante que ocupa en banda base un período de tiempo T, en una respuesta donde cada símbolo ocupa varios períodos. Sin embargo, dado que esta conformación de pulsos no cambia el modelo de la trayectoria de la fase, GMSK se puede detectar coherentemente como una señal MSK, o no coherentemente como una señal simple FSK. En la práctica, GMSK es muy atractiva por su excelente eficiencia de potencia y espectral. El filtro de premodulación introduce interferencia intersimbolo ISI (Inter-Symbol Interference) en la señal transmitida, pero esta degradación no es grave si el parámetro BT del filtro es mayor de 0.5. Debido que en GSM se tiene que BT 37 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM es 0.3, se tienen algunos problemas de ISI y es por ello la señal no es totalmente de envolvente constante. El filtro gaussiano de premodulación tiene una respuesta impulsiva dada por: (2.3) y su respuesta en frecuencia viene dada por (2.4) El parámetro α está relacionado con el ancho de banda del filtro B, por la siguiente expresión (2.5) y el filtro GMSK se puede definir completamente por B y por la duración de un símbolo en banda base T o equivalentemente por su producto BT. La manera más simple de generar una señal GMSK es pasar una cadena de mensajes a través de un filtro gaussiano pasa bajos como los descritos anteriormente, seguido de un modulador de FM. Esta técnica de modulación se muestra en la Figura 2.5 y se usa actualmente en una gran cantidad de implementaciones analógicas y digitales, entre ellas en GSM. Datos NRZ Filtro Gausiano Pasa Bajas Transmisor de FM Salida GMSK Figura 2.5 Diagrama de bloques de un transmisor GMSK usando generación directa de FM 38 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM Las señales GMSK se pueden detectar usando detectores ortogonales coherentes, o con detectores no coherentes como los discriminadores normales de FM. La recuperación de la portadora se puede realizar usando el método propuesto por Baud donde la suma de las dos componentes en frecuencia a la salida del doblador de frecuencia se divide por cuatro. El método de Baud es equivalente al de un PLL con un doblador de frecuencia. Un método no óptimo pero efectivo de detectar señales GMSK es simplemente muestrear la salida de un demodulador de FM [10]. 2.5.3 Características Técnicas de GSM Banda de recepción: 1850 a 1910 MHz. Descendente. Banda de transmisión: 1930 a 1990 MHz. Ascendente. Método de acceso TDMA/FDMA/CDMA Separación de canales: 200 KHz. Usuarios por portadora 8 Duración de trama: 4.615 ms Modulación GMSK Ancho de banda por canal de voz: 25 KHz (12.5 KHz). Ancho de banda por canal 200 KHz Tasa binaria total: 270.833 Kbps Tasa binaria de voz 13 Kbps (6.5 Kbps). EIRP máxima en la BS 500W por portadora Métodos de diversidad Entrelazado y salto de frecuencia Potencia nominal de los móviles: Cinco clases establecidas. Potencia nominal de transmisión de BS. Siete clases de potencia se han definido en pasos de 3 dB. 39 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM Canales de tráfico Consta de dos tipos de canales de tráfico, uno para voz y uno para datos. El canal de tráfico de voz puede ser un canal de tasa completa que hace uso de un codificador de voz que resulta en una señal digital de 13 kbps: tras la codificación del canal se obtiene una tasa binaria de 22.8 kbps. Si es una canal de media tasa se usa un codificador con velocidad de 6.5 kbps y tasa binaria obtenida de 11.4 kbps. Para el canal de tráfico de datos en el caso de canales de tasa completa o de media tasa, se han definido canales de tipo transparente con tasa binarias de 2.4, 4.8, y 9.6 kbps, con distintos procedimientos de adaptación, codificación e interpolación. Canales de tipo no transparente están disponibles con una tasa binaria de 12 kbps. La transparencia ofrece un flujo de datos garantizado, pero bajo las pobres condiciones del canal de radio, la tasa de error puede ser alta. Por el otro lado, los servicios no transparentes se adaptan a las pobres condiciones del canal de propagación reduciendo el flujo de datos para asegurar la integridad de entrega de los datos[13]. En adición a estas características el sistema GSM ofrece la capacidad de traspaso de llamadas (hand-over) y de localización de móvil (roaming). 40 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM 2.5.4 Arquitectura de la red del GSM El sistema completo de red GSM está compuesto de los subsistemas de administración, de conmutación de estación base y de las terminales móviles. OSS A Um Abis NMC VLR OM EIR AUC HLR PSTN BS MSC CS MSC BSS TRX MS BCF VLR NSS Fig. 2.10 Bloques e interfaces principales en GSM OSS: ( Operation subsystem): Subsistema de operación. NMC (Network management center): Centro de administración de red. OMC (O y M center): Centro de O y M. NSS (Network subsystem): Subsistema de red. EIR (Equipment Identity Register): Registro de Identificación del Equipo AUC (Authentication center): Centro de autenticación. HLR (Home Location Register): Registro de Localización de Local. VLR (Visitor Location Register): Registro de Localización del Visitante [14]. MSC (Mobile switching center): Centro de conmutación de móvil. BSS (Base station subsystem): Subsistema de estación base. 41 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM CS (Controller station): Estación controladora. BTS (Base station): Estación base. BCF (Base station control functions): Funciones de control de estación base. TRX (Transceivers): Transreceptor. MS (Mobile Station): Estación Móvil. PSTN (Public switched telephone network): Red de telefonía pública conmutada. SIM (Subscriber Identity Module): Módulo de Identificación de Subscritor. Subsistema de estación móvil (MS) Este subsistema tiene tres funciones básicas: 1. Funciones relacionadas al servicio usado. Como el caso de las comunicaciones de voz (micrófono, altavoz y teclado). Estas funciones no están relacionadas con GSM. 2. Funciones relacionadas con los servicios de transmisión GSM, incluyendo la parte de transmisión de radio. 3. El adaptador de terminal que puede ser requerido para realizar el enlace entre varias interfaces para las dos primeras funciones. La estación móvil consiste en el equipo físico, tal como el transmisor/receptor de radio, procesadores de la exhibición y de la señal numérica, y una tarjeta llamada módulo de identidad del suscriptor (SIM). El SIM proporciona movilidad personal, de modo que el usuario pueda tener acceso a todos los servicios suscritos con independencia de la localización del terminal y del uso de un terminal específico. Insertando la tarjeta de SIM en otro teléfono portátil del GSM, el usuario puede recibir llamadas en ese teléfono, hace llamadas de ese teléfono, o recibe otros servicios suscritos. El equipo móvil es identificado únicamente por la identidad móvil internacional del equipo (IMEI). La tarjeta de SIM contiene la identidad móvil internacional del 42 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM suscriptor (IMSI), identificando el suscriptor, la llave secreta para la autentificación y la demás información del usuario. Los IMEI y los IMSI son independientes, proporcionando de tal modo movilidad personal. La tarjeta de SIM se puede proteger contra uso desautorizado por una contraseña o un número personal de identidad. Subsistema de la estación base (BSS: Base station subsystem) El subsistema de la estación base se compone de dos porciones, la estación base y el controlador de estación base. Éstos se comunican a través de la interfaz especificada de Abis, permitiendo (como en el resto del sistema) la operación entre los componentes hechos por diversos proveedores. Las funciones de este subsistema son las de realizar la comunicación de la red GSM con las estaciones móviles, realizar el traspaso de llamadas en progreso entre celdas y administrar los recursos de radio de la red y los datos de configuración de la celda [13]. Estación base La estación base (BS) es una entrada a la red para las estaciones móviles. Para alcanzar esto, la estación desempeña el papel de un concentrador de infraestructura de radio. Las terminales móviles son enlazadas a la estación base a través de la interfaz de radio (Um) y las comunicaciones con el controlador de la estación base son conducidas a través de la interfaz A-bis. Una estación base controla de una a ocho portadoras de radio, y cada portadora provee ocho canales de radio de tasa completa, transmitiendo vía omnidireccional o vía antena direccional (usualmente un sector de 120º). En los casos de cobertura sectorizada, un simple sitio puede acomodar diversas 43 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM estaciones base, las cuales son sincronizadas con el propósito de incrementar la eficiencia de cobertura entre células. Las funciones de la estación base son: * Transmisión de radio en el formato GSM, empleando técnicas de saltos de frecuencia y espaciamiento de diversas antenas. * Implementación de algoritmos de ecualización para tomar en cuenta los efectos de múltiples trayectorias. * Codificación y decodificación de canales de radio. * Encriptación de cadenas de datos de transmisión. * Control de protocolos de gobierno de mensajería en la capa de enlace de radio. * Transmisión de mensajes de señalización * Operaciones y mantenimiento de equipo de la estación base. El equipo que incluye la BS junto con las interfaces de radio es el necesario para realizar la transmisión y proporcionar servicio a una celda. Dentro de los recursos para el enlace de radio, que proporcionará la comunicación con la MS sobre una interface de aire, se encuentran la configuración e inicio de sistema, la transmisión y la recepción de radio. El primer aspecto se refiere a la carga de software desde la CS y la configuración de los parámetros para que el sistema pueda iniciar, esto incluye las frecuencias de transmisión y recepción, máxima potencia de salida y el código de identificación de la estación base. Para la transmisión se debe asignar la parte del espectro que se va a usar, esto es necesario para poder transmitir diferentes frecuencias con la misma antena, esta acción no sería posible sin el uso de un combinador para el cambio de la frecuencia a radiar. La potencia de radiación viene asignada desde la CS. En el caso de la recepción se refiere a cómo ocurrirá por canales físicos de tráfico y a la detección de solicitudes de canal por parte de la MS. El área de cobertura de una BS es variado dependiendo de las condiciones de tráfico y accesibilidad del área, es decir condiciones de terrenos y ambientales. 44 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM Generalmente el límite es de 35 km de radio de celda. Sin embargo en localidades escasamente pobladas el área de cobertura puede incrementarse. Otro deber de la BS es el procesamiento de la señal antes de la transmisión y después de la recepción, este procesamiento incluye el cifrado, codificación del canal e intercalado, ecualización adaptable, realización de diversidad, demodulación. Cierta administración es llevada acabo en la BS, ya que la demásse hace en la CS: aquí se administra un enlace de señalización entre CS y MS que aplica los protocolos necesarios y adecuados para lograr el envío de información. Además se hace la sincronización extrayendo la información de tiempo de los enlaces PCM (Modulación por codificación de pulsos) desde la CS y se envía al modulo de temporización dentro de la BS. Esto permite que la BS se sincronice con la frecuencia correcta y con el número de trama adecuada. Por último la BS permite llevar a cabo funciones de operación y mantenimiento sin tener conexión con la CS. La siguiente figura muestra los componentes de la estación base, se explicará la función de cada uno de estos. CS TRU/ TRX CDU TRU/ TRX CDU TRU/ TRX CDU DXU Antena ECU PSU Fig. 2.11 Constitución de la estación base 45 Corriente externa Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM Unidad de distribución de conmutación (DXU) La funciones de este dispositivo son las de proporcionar la interface con la CS, manejar los recursos de los enlaces y conectar las ranuras de tiempo de tráfico provenientes de la CS a las unidades de transmisión y recepción (TRU), controlar la señalización hacia la CS y la concentración de información, extraer la información de sincronización desde el enlace y generar el temporizador de referencia de la BS y almacenar la información referente al hardware en una base de datos. Unidad de transmisión y recepción (TRU) En este dispositivo se harán todas las funciones necesarias para manejar una portadora de tráfico, es responsable de la transmisión y recepción de la información, amplificación de potencia y procesamiento de la señal. La BS llega a contener hasta 12 TRUs. Unidad de combinación y distribución (CDU) Esta es la interface entre los TRUs y el sistema de antenas. Lo que hace es combinar las señales desde varios trasmisores–receptores para ser transmitidas y distribuye las señales recibidas. Todas las señales son filtradas antes de la transmisión y después de la recepción con pasabandas. Si los filtros son dúplex permiten transmitir y recibir con la misma antena. Unidad de alimentación de potencia (PSU) Es una fuente de alimentación que adecua el voltaje al necesario para que trabaje la BS. Trabaja con +24 V en corriente directa. 46 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM Unidad de control de energía (ECU) Controla y supervisa el equipo de potencia y regula las condiciones ambientales dentro del gabinete. Controlador de estación base El controlador de estación base (CS) es el elemento responsable del desempeño de la mayoría de las funciones de control relacionadas con un grupo de BSs. Primero es responsable de la configuración de cada BS conectada a él, así que cuando alguna reinicia trabajo después de haber sufrido una avería o después de una interrupción de servicio, obtiene sus parámetros de configuración de la CS. También es encargado de administrar los recursos de radio del sistema, asignación de canal, decisión de traspaso de llamadas entre celdas, etc. Estas funciones que desempeña son de considerable complejidad. El CS es la conexión entre el centro móvil y móvil de la conmutación del servicio (MSC). Las principales funciones del CS son: – Supervisión de las estaciones base. – Administración de recursos del sistema BSS. Asignación de canales de tráfico y de control a cada célula. – Manejo de las conexiones a los teléfonos móviles. El CS controla el establecimiento de estas conexiones después de haber sido iniciadas por el centro MSC. – Localización de los teléfonos móviles y control de su traspaso. – Administración de la búsqueda. CS distribuye los mensajes de búsqueda que se han recibido del centro MSC. – Operación y mantenimiento del sistema BSS. –Gestión de la red de transmisión: CS configura, asigna y supervisa los enlaces a la BS. 47 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM –La trascodificación, incluyendo la multicanalización de cuatro canales de tráfico de tasa total, en un solo canal de 64 Kbps. Algunos elementos de administración del CS Unidad de salto de frecuencia. Esta unidad trae la conmutación entre generadores de trama y el controlador de frecuencia de portadora. Unidad de monitoreo de radio. El circuito de monitoreo de radio detecta y localiza fallas en las cadenas de transmisión y recepción. Generador de trama. Contiene todo el procesamiento de banda base necesaria para abastecer los ocho canales de tasa completa, o dieciséis canales de media tasa. Este controla la señalización de de enlace. Los protocolos para señalización LAPD m y LAPD1 ara comunicaciones con la terminal móvil y el controlador de estación base respectivamente. La unidad generadora de trama gobierna los canales de radio, ajusta la potencia del transmisor y controla la calidad de la transmisión de radio. Unidad transmisora de radio. Esta unidad contiene el transmisor y receptor de la estación base. El transmisor modula, realiza cambios en radio frecuencia y amplifica la potencia. El receptor desempeña el cambio de frecuencia inverso, la conversión analógica – digital y calcula la potencia de la señal. Subsistema de conmutación (NSS: Network and switching Subsystem) Las BSs están conectadas a este subsistema, en el que existe un centro de conmutación móvil (MSC) el cual provee la capacidad de conmutación requerida. Esta unidad controla la sesión de un usuario con otro usuario o locación. El control se lleva a cabo mediante la conexión de esta MSC a varias 1 LAPD. es un acrónimo para Link Access Procedure-D channel (Procedimiento de Acceso al Enlace Canal-D). Es un protocolo de capa 2 del modelo OSI. 48 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM BSs, así una simple MSC puede estar a cargo de aproximadamente un millón de habitantes. El NSS usualmente utiliza sistema de señalización 7 (SS-7). En este punto se encuentran dos registros, uno para almacenar a los suscriptores propios y otro para almacenar temporalmente datos de los visitantes de otras redes. Estos registros son el registro de localización de casa (HLR) y el registro de localización de visitantes (VLR). Las áreas de administración son de avería, de costos, de configuración, desempeño y seguridad. Para poder habilitar estas tareas este subsistema esta conectado directa o indirectamente a todos los otros subsistemas en la red. Subsistema de administración (OSS: Operation subsystem) El subsistema final es el de administración. Las áreas de administración son fallos, costo, configuración, desempeño y seguridad. Para habilitar estas tareas, el OSS está directa o indirectamente conectado a todos los otros subsistemas de la red. Las especificaciones de GSM describen interfaces entre los componentes de la arquitectura. Interfaces Interface de radio o Um. Describe el intercambio de datos entre el BSs y el MSs. Interface Abis. Describe las comunicaciones entre las BS y el CS. Esta hace posible componer una red usando equipo de distintos proveedores. Se encuentra localizada en el BSS. Esta comprende tráfico y control de canales. 49 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM Las funciones implementadas son: Intercambio de tráfico de voz y datos, intercambio de señalización entre CS y BS y transporte de información de sincronización desde CS a las BS. Es una interface PCM 30, como las otras interfaces terrestres en GSM. Es especificada en la serie de recomendaciones G de la ITU. La tasa de transmisión es de 2.048 Mbps, los cuales son particionados en 32 canales de 64 kbps cada uno. Las técnicas de compresión que utiliza GSM empaquetan hasta 8 canales de tráfico en un simple canal de 64 Kbps. Los recursos en la interface usualmente no son usados eficientemente. La razón es que la bts, típicamente tiene solo unas cuantas unidades transmisoras-receptoras, lo cual implica una pequeña capacidad de volúmen de tráfico. Consecuentemente, la línea entre la BS y la CS es usada solo un afracción de su capacidad. Dentro de la trama de capa 2 se encuentran los elementos necesarios para lograr enlace mediente esta interface alguno de los mas importantes es el numero de canal. Este es un parametro que identifica el tipo de canal, la ranura de tiempo y el subcanal usado para la conexión en la interface de aire. Esta interface utiliza las capas 1 a 3 de la pila del protocolo del modelo OSI. La capa 1 forma el canal D. El protocolo LAPD esta en la capa 2, y la capa 3 esta dividida en manejo de transmisor (TRXM), la administración del canal común (CCM), la administración del enlace de radio (RLM), la administración del canal dedicado (DCM). Interface A. Describe el intercambio de datos entre BSS y NSS. 50 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM 2.6 Evolución de GSM 2.6.1 UMTS (Servicio universal de telecomunicaciones móviles) Es un estándar que ha esta en desarrollo desde finales de 1996 bajo el auspicio del Instituto europeo de estándares de telecomunicaciones (ETSI). Fue diseñado para proveer un actualización de alta capacidad para GSM. Cerca de finales del siglo XX muchas propuestas para CDMA de banda ancha (W-CDMA) fueron mezcladas para obtener un único estándar de WCDMA, como resultado esta es llamada UMTS. UMTS también conocido como WCDMA asegura compatibilidad con GSM. La estructura de la red y empaquetado a nivel de bit de datos de GSM se mantiene, con capacidad y ancho de banda adicional en la interfaz de aire. El estándar ha sido diseñado para un servicio inalámbrico siempre disponible, así que computadoras, dispositivos de entretenimiento y teléfonos puedan compartir la misma red inalámbrica y conectarse a Internet a cualquier hora y en cualquier lugar. Soporta tasa de transmisión por encima de 2.048 Mbps por usuario, por lo que permite transferencia de multimedia, datos de alta calidad, audio, video y servicios de multidifusión. Requiere una asignación de espectro mínima de 5 MHz lo cual es una distinción importante de otros estándares. A pesar de ser diseñado para proveer compatibilidad e interoperabilidad con equipo y aplicaciones GSM, para poder un ancho de banda en la interfaz de aire mucho más amplio se requiere un cambio completo en el equipo de RF de cada estación base. Tasas de datos de WCDMA desde 8 Kbps hasta 2 Mbps pueden ser llevadas por un solo canal de radio de 5 MHz, y cada canal puede soportar entre 100 y 51 Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM 350 llamadas de voz simultáneamente, dependiendo de las condiciones del equipo. 52 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica Para llevar a cabo el análisis de este trabajo de tesis será necesario revisar, conocer y comparar a los dispositivos ópticos que permiten la existencia del enlace entre la radiofrecuencia y la fibra óptica. Se detallan lo siguientes. 3.1 Fibra óptica La fibra óptica un elemento de comunicaciones relativamente nuevo se ha destacado por grandes ventajas que proporciona. A pesar de que no son perfectas pues tiene limitaciones tanto técnicas como económicas, gana en meritos a los otros medios tanto guiados metálicos como los no guiados. El material básico utilizado para la fibra es el dióxido de silicio conocido como sílice, un material abundante en el planeta. Aunque algunas fibras llegan a hacerse de plástico transparente u otro material disponible. El análisis a consideración respecto a un uso más universalizado de la fibra en los sistemas es el costo. Claro está que esta consideración se debe hacer detallada y cuidadosamente no solamente a primera vista donde obviamente resulta más costosa que cualquier otro material. Estas comparaciones económicas deben incluir la instalación, operación y mantenimiento 3.1.1 Forma de trabajo La fibra óptica se basa en la transmisión de haces de luz por su núcleo la cual contiene la información. Para comprender la forma de funcionamiento es necesario explicar varios fenómenos inherentes a la naturaleza de la luz. Para explicarlos se realiza la analogía entre luz y ondas electromagnéticas ya que actúan de forma similar. La luz tiene una frecuencia de oscilación muy alta y una pequeña longitud de onda. En la figura se puede observar el espectro electromagnético y comprenderemos a lo que se le considera el rango óptico o luz. A esto nos referimos con las frecuencias que se encuentran en las 53 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica porciones infrarroja, visible y ultravioleta del espectro. Así que los mismos análisis, técnicas y dispositivos son aplicables a estos rangos. Figura 3.1 Espectro electromagnético (frecuencia vs. Longitud de onda) En el rango visible, que va de aproximadamente 0.4 µm hasta 0.7 µm, es lo que distinguimos los humanos desde azul hasta rojo. Las fibras de sílice no son muy buenas para transmitir la luz en la región visible ya que la atenúan y sólo serviría para enlaces muy cortos. Para la región ultravioleta existen perdidas que llegan a ser mayores aún. Sin embargo el rango restante, la región infrarroja, permite una transmisión muy eficiente de luz. Esta región ocurre en longitudes de aproximadamente 0.85 µm y entre 1.26 y 1.75 µm. A estas longitudes se les llama ventanas de transmisión. A pesar de que las ondas luminosas tienen frecuencias mayores que las ondas de radio, ambas obedecen las mismas leyes y comparten las mismas características. Todas las ondas electromagnéticas tienen campos eléctricos y 54 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica magnéticos asociados con ellas, y viajan muy rápidamente. En el vacio la velocidad es de 3 x 108 m/s, esta velocidad indicada por la constante c. Por otro lado, en un enlace de comunicación existen elementos principales involucrados en el desempeño del mismo Estos son, partiendo del punto de inicio de la comunicación al punto donde se recibe: transmisores, la propia fibra óptica, amplificadores, receptores y algunos elementos extra, como son conectores, filtros y atenuadores. 3.1.2 Clasificación de las fibras Dependiendo de las propiedades de las fibras ópticas se les puede clasificar en dos categorías: monomodo y multímodo. En las fibras monomodo el haz puede tomar un único camino, a través del núcleo, que mide alrededor de 10 micras de diámetro. Las fibras multímodo tienen núcleos de entre 50 y 200 micras de diámetro. Las fibras monomodo son más eficaces a largas distancias, pero el pequeño diámetro del núcleo requiere un alto grado de precisión en la fabricación, empalme y terminación de la fibra. La fibra óptica también se clasifica en función del índice de refracción, siendo dos los tipos: índice escalonado e índice gradual. En las fibras de índice escalonado, el índice de refracción es uniforme a lo largo del diámetro del núcleo. En las fibras de índice gradual, el índice de refracción es inferior en las proximidades del revestimiento que en el eje de la fibra. Los rayos se propagan ligeramente más lentos en las proximidades del eje del núcleo que cerca del revestimiento. Tres son los tipos básicos de fibras ópticas, y que se engloban dentro de las dos clasificaciones generales mencionadas anteriormente: a) fibras multímodo 55 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica de índice escalonado, b) fibras multímodo de índice gradual, c) fibras monomodo de índice escalonado. Ver figura 3.4. Fibra multímodo de índice escalonado En este tipo de fibras, los rayos de luz son guiados por reflexión total en la frontera núcleo-revestimiento. El índice de refracción presenta un perfil definido, por ejemplo, por la expresión siguiente: nc = nr (1 + ∆ ) (3.1) siendo ∆ el índice de refracción relativo. La apertura numérica1 NA se puede aproximar a la expresión NA = nc 2∆ (3.2) Valores típicos de NA se encuentran entre 0,2 y 0,5. Esta fibra es económica que los demás tipos, esto no significa que su funcionamiento no sea adecuando pero si limitado para ciertas aplicaciones: típicamente los valores existentes [4] se encuentran un diámetro de fibra de 125µm, con núcleo de 50 y 62.5 µm, la capacidad de transmisión es de entre 10 y 100 MHz/Km según condiciones del enlace, con repetidores a 10 Km. aproximadamente. Fibra multímodo de índice gradual En este tipo de fibras, el índice de refracción cambia gradualmente en el núcleo. Esta variación del índice del perfil de la fibra da lugar a que la luz se propague según la trayectoria curva, en lugar de a tramos rectos como en las 1 Apertura numérica es una propiedad de las fibras ópticas que se refiere al numero de modos o longitudes de onda cuya entrada puede aceptar. 56 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica fibras de salto de índice. Mientras más alto es el índice de refracción, más baja es la velocidad de propagación, según se desprende de la expresión siguiente: V= c n (3.3) Donde V es la velocidad del haz luminoso, c representa a la velocidad de la luz en el vacío y n el índice de refracción. Teniendo en cuenta esta relación es posible hacer iguales los tiempos de propagación a través de cada trayecto de luz, controlando el índice de refracción. De lo anterior se desprende que la fibra del índice gradual actúa como un medio óptico que continuamente enfoca el haz de luz que viaja a lo largo de la fibra. La apertura numérica (NA) de las fibras de índice gradual es una función que depende de la posición a lo largo del núcleo y no es una constante como el caso de una fibra de salto de índice. Partiendo de la óptica geométrica se deduce que la luz incidente sobre el núcleo de la fibra en una posición r se propagará como un modo guiado, sólo si se encuentra dentro de la apertura numérica NA. Las medidas físicas de esta fibra son iguales a sus antecesoras, en cambio la capacidad de transmisión cambia llegando hasta 300MHz/km si se usa una fuente LED y de 400 hasta 1000MHz/km con fuentes láser. El principal factor limitante en este tipo de fibra es la dispersión material (adelante se discutirá acerca de este efecto). Fibra monomodo de índice escalonado Estas fibras, en su construcción más simple, son iguales a las multímodo de salto de índice, sólo que el diámetro del núcleo es mucho más pequeño, pudiéndose propagar un solo modo. La propagación monomodo se consigue diseñando fibras con núcleos cuyos tamaños sean equivalentes a pocas 57 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica longitudes de onda, y con pequeñas diferencias entre los índices de refracción, de tal manera que se mantenga el valor V por debajo de 2,405. Este tipo de fibra logra evitar la dispersión modal gracias a que solo propaga un modo. El que su núcleo sea más pequeño, su NA también disminuye siendo para este caso cerca de 0.11 a diferencia de los 0.22 de la multímodo. La transmisión en este tipo de fibra es en las ventanas de 1300 y 1500nm, pues en la ventana de 850, para poder transmitir un solo modo el núcleo debería ser mas pequeño que el usual de aproximadamente 2.6 nm[3]. Figura 3.2 Tipos de fibra. a) fibra multímodo de índice escalonado; b) fibra multímodo de índice gradual; c) fibra monomodo 3.1.2 Efectos indeseables en las fibras ópticas Además de las propiedades modales ya mencionadas, existen otras que caracterizan a las fibras ópticas. Ahora nos referimos a aspectos relacionados con la atenuación y la capacidad de transmisión de información, íntimamente ligada con las propiedades dispersivas y el ancho de banda de la fibra. 58 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica Atenuación La atenuación se produce, en parte por la absorción intrínseca de los átomos que constituyen la fibra, absorción por defectos atómicos y absorción de impurezas extrínsecas. Otro factor que también influye en la atenuación es la dispersión provocada debido a las inhomogeneidades en el índice de refracción y en la forma de la fibra. Las bandas de absorción intrínseca limitan las ventanas transparentes del materia (donde no exista absorción)l y establecen la región espectral de trabajo. Con el fin de minimizar las pérdidas, en la región intrínseca deben eliminarse las impurezas tanto como sea posible. La absorción por impurezas es provocada por iones metálicos y por iones hidróxido. Si se desea que la contribución a la atenuación debido a estas causas sea pequeña, el nivel de impurezas no debe ser mayor a 10 impurezas por cada mil millones de átomos. La atenuación debida a la dispersión se atribuye, principalmente, a la dispersión de Rayleigh. Un rayo de luz se dispersa parcialmente en muchas direcciones y se pierde energía luminosa. La atenuación causada por este efecto decrece cuanto mayor es la longitud de onda. Su magnitud varía de un tipo de vidrio a otro, haciendo que en unos casos las pérdidas sean menores que en otros. Entre los 400 nm y 1100nm, la atenuación en la fibra se debe principalmente a la dispersión de Rayleigh, lo que favorece la utilización de longitudes de onda lo mayores posibles. Dispersión La capacidad de información de las fibras ópticas está limitada por la distorsión de la señal, que se presenta como el ensanchamiento del pulso transmitido. Tal ensanchamiento es el resultado de las características del material de la fibra, de la estructura de las imperfecciones mecánicas dentro de ella. Este ensanchamiento se denomina dispersión del pulso. 59 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica Hay tres causas principales de dispersión en una fibra: efectos en la guía de onda, dispersión en el material y dispersión modal. Dispersión de guía de onda Esta causa de dispersión en una fibra óptica surge del hecho de que el número de modos depende de la longitud de onda. La dispersión en la guía de onda para modos guiados en una fibra multímodo es sensiblemente pequeña para todos los modos alejados del corte (la longitud de corte es aquella a partir de la cual se transmite más de un modo). Ya que los modos próximos al corte, generalmente, transportan una fracción pequeña de la potencia total y suelen sufrir pérdidas más elevadas, la contribución a la dispersión por esta causa puede ser omitida. Dispersión material La dispersión en el material, denominada también dispersión intramodal, es particularmente insignificante en las fibras monomodo. Este tipo de dispersión se debe al conjunto de longitudes de onda contenido en un pulso. Puesto que el índice de refracción varía con la longitud de onda, la velocidad de grupo de un modo será función de la longitud de onda. Ya que las fuentes de luz tienen diferentes componentes en su espectro, cada una tardará distinto tiempo en la transmisión, debido a las diferentes velocidades a las que viajan, lo que producirá un ensanchamiento del pulso emitido. Dispersión modal La dispersión modal, o dispersión intermodal, determina la capacidad de ancho de banda de las fibras multímodo. Las velocidades de grupo de los diferentes 60 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica modos varían y conducen a un ensanchamiento del retardo de grupo o dispersión intermodal [4]. 3.1.3 Sistemas de multicanalización en fibra óptica La existencia del inmenso ancho de banda que puede proporcionar la fibra óptica, ha ocasionado la creación de sistemas que exploten de la forma más eficiente este recurso, esto junto con la necesidad de transmitir información de distintas fuentes hacia un mismo destino o destinos intermedios, dio como resultado los distintos tipos de mutlicanalización y empaquetamiento para el envío de datos sobre fibra óptica. Los principales sistemas son la multicanalización óptica por división de tiempo (OTDM) , multicanalización por subportadora óptica (SCM) y la multicanalización por división de longitud de onda (WDM) con sus variantes según el número de longitudes de onda utilizadas: sencilla (CWDM) y densa (DWDM). OTDM OTDM se basa en el principio de asignación de ranuras de tiempo, sobre las cuales es posible que una fuente transmita la parte correspondiente de su mensaje sobre la fibra, destinando el uso completo del ancho de banda a cada fuente por turnos o por prioridades. El sistema por su composición depende de instrucciones de control de sincronía o de direccionamiento del mensaje enviado, lo que presenta una desventaja pues reduce la transparencia del canal y aumenta el tiempo de envío de mensaje. 61 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica SCM La multicanalización por suportadota óptica es un esquema donde múltiples señales son multicanalizadas en el dominio de radio frecuencia y transmitidas por una simple longitud de onda. Una ventaja significativa de SCM es que los dispositivos de microondas son mas maduros que los dispositivos ópticos. WDM Por su parte WDM aprovecha la posibilidad de enviar la información de distintas fuentes por diferentes longitudes de onda sobre la misma fibra y asegura la recepción integra de cada una de éstas, con un límite de distanciamiento entre las longitudes de onda. En el sistema mas extendido DWDM llega a agrupar una cantidad de 64 hasta 128 longitudes de onda en una sola banda con distanciamientos de 0.4 nm o 0.8 nm. Con esta gran capacidad de transmisión se hace necesario añadir elementos que puedan asegurar y hacer útil un sistema de comunicación de tal magnitud. Tales como amplificadores, concentradores y multicanalizadores que permitan el retiro e inserción de longitudes de onda específica. Multiplexores ópticos inserción-extracción (OADM) Este tipo de multiplexores surge por la necesidad de poder retirar una señal en un punto de la red que no es el extreme terminal, y si este se retira en el camino Habrá otra señal que se quiera insertar para viajar por el mismo medio. Dado el hecho de que este tipo de tecnología maneja tasas inmensas de bits es lógico pensar que no toda esa información se dirige al mismo sitio. Esta es la función de un OADM. 62 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica Una característica particular de este dispositivo es que no tiene la necesidad de convertir la señal óptica a electrónica para poder hacer su trabajo. Además realiza la función para una longitud específica, y la removerá mientras las otras siguen su hacia destino. El dispositivo puede incluir dentro de si un preamplificador o post- amplificador si es requerido. 3.2 Fuentes ópticas El rol de los transmisores ópticos es el de convertir una señal de entrada eléctrica en una correspondiente señal óptica y después lanzarla dentro de la fibra óptica que funciona como canal de comunicación. El componente más importante de los transmisores ópticos es la fuente óptica. Los sistemas de comunicación de fibra óptica usualmente usan fuentes ópticas de semiconductor tales como diodos de emisión de luz (LEDs) y láser de semiconductor porque ofrecen muchas ventajas inherentes. Algunas de estas ventajas son el pequeño tamaño, la alta eficiencia, buen rendimiento, el rango de longitudes de onda, la pequeña área de emisión compatible con las dimensiones del núcleo de la fibra y la posibilidad de modulación directa relativamente a altas frecuencias. Para obtener emisión espontánea o estimulada para irradiar fotones, las portadoras con exceso de carga deben ser introducidas al semiconductor. Esto es logrado inyectando portadores de carga vía una unión pn. Si la unión pn es operada en la dirección correcta, electrones adicionales son inyectados en la capa p y huecos adicionales en la capa n, los cuales pueden ser usados para irradiar fotones. El proceso de inyección de portadores de carga junto con la emisión que sigue es llamado inyección de luminiscencia. Su uso se encuentra en transmisores (emisores), típicamente en LEDs y diodos láser. 63 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica 3.2.1 LED Un diodo semiconductor el cual irradia luz por emisión espontánea es llamado diodo emisor de luz (LED). La calidad de la conversión de corriente eléctrica en luz es descrita por la eficacia externa cuántica, la cual describe el número de fotones emitidos por unidad de tiempo relativo al número de portadoras de carga cruzando la unión pn en el diodo semiconductor (para GaAs esto es típicamente de 0.5 a 1.0 por ciento). Debido a que la eficacia cuántica disminuye a medida que la temperatura aumenta, el calentamiento de la zona de recombinación debe evitarse, es decir, la correspondiente disipación de calor se debe garantizar. Esta es posible a través de una adecuada construcción del LED. La longitud de onda de la luz emitida es también importante para la operación del LED. Está determinada principalmente por la banda de energía intermedia donde se aplica la siguiente relación: (3.4) donde: Longitud de onda en µm : Banda de energía intermedia en eV (1 eV = 1.60218x10-19 J) = 1.2398 Para el valor de en Diodos de Arseniuro de Galio, el valor de 1.43 eV aplica y es por eso que para el valor de λ es 0.87 µm. Para fósforo de Indio (InP) con =1.35 eV, el valor correspondiente es λ = 0.92 µm. 64 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica El ancho espectral (∆λ) de un LED es aproximadamente proporcional al cuadrado de la longitud de onda λ; es por eso que incrementa a lo largo de las diferentes longitudes de onda. El tiempo de respuesta de un LED es una característica muy importante. Está relacionada con el tiempo de subida del diodo. El tiempo de vida promedio de las portadoras con exceso de carga nombra un factor determinante en la emisión de luz después de que la corriente deja de circular. Los tiempos de vida mínimos típicos oscilan en el rango de unos pocos nanosegundos, el cual corresponde a una modulación de ancho de banda del orden los 100 MHz. El tiempo de subida y la eficacia cuántica dependen de la concentración de huecos, ambos no pueden ser optimizados al mismo tiempo. Particularmente los LEDs “rápidos” emiten, relativo a la inyección de corriente, muy pocos fotones. Estructura y características A continuación, tres ejemplos de LEDs que consideran algunas posibilidades. Valores típicos están listados en la tabla siguiente: Tabla 3.1 Características de los LEDs. Tipo LED LED de alto LED de alto brillo brillo Longitud de onda nm 900 830 1310 Ancho espectral nm 40 40 120 Material semiconductor GaAs AlGaAs/GaAs InGaAsP/InP Estructura Plano Doble Doble heteroestructura heteroestructura Emisión Espontánea Espontánea 65 Espontánea Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica Potencia de la luz lanzada dentro de una fibra con un diámetro del núcleo de 50 µm µW Máxima tasa de bits en 5 5 20 20 60 100 Mbit/s Diodo GaAs para longitudes de onda cerca de 900 nm Los diodos GaAs tienen la estructura más simple de los diodos transmisores. El diodo está compuesto de substrato de GaAs tipo n con una delgada área tipo p de unos 200 µm en la parte superior. La parte de la luz infrarroja generada principalmente en el área P, la cual es emitida en la superficie P, es usada para lanzarla dentro de la fibra óptica. Figura 3.3 Esquema de la estructura de un diodo planar GaAs. 66 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica Diodo de alta luminosidad AlGaAs/GaAs para longitudes de onda cerca de los 830 nm El diodo está compuesto de un cristal semiconductor. Una heteroestructura doble compuesta de tres capas de AlGaAs con diferente espesor y dopajes creciendo epitaxialmente en un substrato de GaAs dopado tipo N. Con estas capas revistiendo hacia abajo y la intervención de refuerzo de oro como disipador de calor, el diodo es soldado a un chip de silicio con un contacto conductor y un aislamiento de SiO2. En la parte inferior del diodo de cristal, una capa de aislamiento de Al2O3 limita el flujo de corriente hacia el contacto tipo P con su pequeña área de superficie. El espesor y en particular el nivel de dopaje por encima de la capa de cubierta de AlGaAS son escogidos ya que la corriente no es disipada calculadamente. El resultado es que la capa de cobertura activa de AlGaAS es excitada a la emisión dentro de un área de sólo un diámetro ligeramente más grande que el del contacto tipo P, así asegurando la pequeña área de emisión deseada. La luz infrarroja irradiada hacia arriba, hacia el sustrato de GaAs es utilizada para ser lanzada hacia dentro de la fibra óptica. Esta radiación es sólo insignificantemente autoabsorbida en la capa activa, porque esta capa es muy delgada, y pasa a través de la capa de AlGaAs sin absorción, aunque sería completamente absorbida en el sustrato de GaAs dentro de sólo unos pocos micrómetros. Por lo tanto, un bien el cual se ajusta concéntricamente sobre el contacto tipo P es grabado en el sustrato de GaAs por encima de la región de emisión. El contacto tipo N se aplica a los restantes materiales GaAs. Esta construcción tiene la ventaja que, con la ayuda del contacto tipo P con su pequeña área de superficie, una correspondiente superficie pequeña de emisión de luz puede ser creada. 67 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica Figura 3.4 Esquema de la estructura de un diodo de alto brillo de AlGaAs/GaAs. Diodos de alta luminosidad de InGaAsP/InP para longitudes de onda cerca de 1310 nm Para diodos transmisores de la segunda ventana (1310 nm), se les debe hacer un cambio de materiales de semiconductor de tres elemetos de AlGaAs a un semiconductor de cuatro elementos de InGaAsP y a los cristales de sustrato de InP. Básicamente, la estructura de los diodos cuaternarios de alta luminosidad corresponde a los diodos de AlGaAs/GaAs. 68 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica Figura 3.5 Esquema de la estructura de un diodo de alta luminosidad de InGaAsP/InP Un semiconductor hecho de InGaAsP emite a una longitud de onda de 1310 nm. Por eso la doble heteroestructura, la cual es altamente efectiva para diodos transmisores puede ser realizada otra vez, en la cual el InP toma el rol de barrera. La capa dopada tipo P de InGaAsP funciona como capa de contacto. El material de sustrato toma la forma de un lente integrado para mejorar el lanzamiento de la luz dentro de la fibra óptica. 3.2.2 Diodo láser Un diodo láser es una fuente de radiación, la cual utiliza emisión estimulada. Láser es la abreviación de las siglas en inglés de amplificación de luz por 69 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica emisión estimulada de radiación. Por medio de una alta densidad de corriente, un gran exceso de portadoras de carga es generada en la banda de conducción en el láser, tomando lugar así una fuerte emisión estimulada. Este efecto de amplificación es debido a una avalancha de fotones que aumenta con un resonador óptico, el cual está compuesto usualmente de dos espejos planos paralelos parcialmente transparentes. Estas superficies de espejos en los diodos láser son superficies de cristales naturales creados por la división de los cristales semiconductores y provistos con una capa adicional protectora. Para mostrar la diferencia entre un LED y un diodo láser, la Figura 3.5 muestra la curva característica de luz-corriente. A medida que la corriente del diodo incrementa, el umbral es alcanzado en el cual la amplificación de luz en el cristal promedia pérdidas debido a la atenuación y radiación. Por encima de este umbral, una fuerte emisión láser comienza. En contraste al LED con su amplia distribución espectral, la emisión en la operación láser se reduce a una o sólo a unas pocas líneas espectrales. Figura 3.6. Características de Luz - Corriente de un diodo láser. 70 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica Figura 3.7. Distribución espectral de la emisión de (1) un LED y (2) de un diodo láser. En contraste a la emisión de un LED, la radiación de un diodo láser es espacialmente coherente debido a la emisión estimulada. El haz irradiado es notablemente más angosto que el de un LED, el cual facilita, particularmente, un lanzamiento efectivo de la luz dentro de la fibra óptica. Figura 3.8. Distribución espacial de la emisión de (1) un LED y (2) un diodo láser. 71 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica Láser de Fabry-Perot (MLM) Este láser emite un patrón multimodal, es decir que, Este láser tendrá una línea espectral dominante en la longitud de onda deseada donde usualmente el modo principal se centra en la ventana de 1310 nm y líneas subsidiarias separadas aproximadamente 1 nm con menores amplitudes. La amplitud máxima a media potencia de modo es de 4 o 5 nm. La siguiente es una figura que ilustra la respuesta de este láser. Figura 3.9 Respuesta del láser Ferry- Perot Diodos láser de ganancia guiada (GLD) Láser de banda oxidante para rangos de longitudes de onda de 800 a 900 nm (Figura 3.10). La concentración de las portadoras inyectadas en la franja activa causa que el índice de refracción tome un perfil lateral, el cual – en particular, con anchos de franjas muy angostas – proporciona una guía estable del modo fundamental lateralmente limitado. Este perfil de índice de refracción corresponde a un perfil de amplificación óptica, también conocida como 72 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica ganancia. Por eso, los diodos láser de esta familia también son conocidos como diodos láser de ganancia guiada. Figura3.10. Estructura de in láser de banda de óxido. Diodos láser de índice guiado (ILD) Un GaInAsP/InP-MCRW (guía de onda de cubierta de metal) es un láser para rangos de longitudes de onda de 1300 a 1600 nm. Los diodos láser con guías de onda integradas son llamados diodos láser de índice guiado (ILD) porque tienen un perfil permanente de índice de refracción [15]. 73 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica Figura 3.11 Estructura de un láser MCRW. Láser de retroalimentación distribuida (DFB) Aunque los diodos láser irradian luz en un rango de longitudes de onda mucho más angosto que los LEDs, para aplicaciones especiales en transmisiones ópticas de datos, por ejemplo, para tasas de bits muy altas, para transmisión coherente o para transmisión de señales de televisión en amplitud modulada, se necesitan láseres de una sola frecuencia. Para este propósito es necesario exactamente el control longitudinal de los modos de oscilación del láser y, en consecuencia, limitar su propagación de onda. Un método para la reducción del número de modos longitudinales es de integrar una estructura periódica en la capa activa del láser, que puede acoplarse dinámicamente al campo de radiación del láser. En contraste a los láser de Fabry-Perot de uso general, que reflejan la luz del láser hacia adelante y hacia atrás en un área de resonancia entre dos superficies espejo del láser, los láseres de retroalimentación distribuida (DFB) emplean una serie de elevaciones de ondulaciones en el sustrato de semiconductores para reflejar 74 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica sólo la longitud de onda de luz específica y, por tanto, ampliar una sola longitud de onda resonante. El ancho espectral de un láser DFB es más pequeño que 1 nm. Un láser C3 (láser de cavidad acoplada hendida) hace posible limitar los modos de un láser a un sólo un modo longitudinal. Se compone de dos láseres FabryPerot electrónicamente separados, que se unen ópticamente por un espacio de aire. Sólo las longitudes de onda que ambos resonadores tienen en común serán amplificadas, de manera que un rayo de luz monocromática se genera. Técnicamente estos láseres C3 son producidos por una simple división del diodo láser semiconductor a lo largo de una superficie paralela de cristal que al final se encuentran. La estructura de los DFB ha sido construida con selectividad de longitud de onda por medio de un mecanismo de retroalimentación. La retroalimentación no esta localizada en los extremos sino que está distribuida a lo largo de la cavidad. Este tipo de láser contiene una rejilla periódica entre las dos capas de la estructura del láser para proveer retroalimentación a una longitud de onda específica que se determina por el espacio del enrejado. Esto corresponde a una variación periódica en el índice modal. Una característica importante que hay que tener en cuenta es la sensibilidad que tiene la luz reflejada, particularmente en el conector donde el láser se enlaza con la fibra principal. Incluso pequeñas cantidades como el 0.1% de la luz emitida, si se refleja, puede desestabilizar el láser y afectar el desempeño del sistema. Para reducir estos efectos de luz reflejada se pueden tomar varias soluciones, una de ellas es la colocación de capas antireflejantes. Otra forma sería cortar la punta de la fibra con un ángulo inclinado para que la luz reflejada no golpee la región activa del láser. Algo más drástico será el colocar un aislador entre el láser y el conector de la fibra. 75 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica Un parámetro importante de un láser DFB es la relación supresión de modo (MSR). Ya que el principal objetivo de este tipo de láser es atenuar modos de longitud subsidiarios y obtener la potencia máxima en el modo dominante. Se puede esperar una MSR > 30 dB para un DFB operando de manera continua. El ancho de pulso a media potencia (FWHM) esperado en condiciones ideales será menor a 0.2 nm. El gran uso de este dispositivo se debe a que la dispersión cromática se incrementa cuando se hacen más amplios los anchos de pulso, lo cual es indeseable para sistemas con tasa de transmisión por encima de de 1 Gbps. Así que el DFB tiene el ancho de pulso más angosto. Se tiene en consideración que es un dispositivo costoso y que su operación es vital en los enlaces de altas tasas de transmisión [3]. Enrejado Tipo p Región activa Tipo-n Figura 3.12 Diagrama de constitución de láser DFB Láser de superficie emisora por cavidad superficial (VCSEL) El diseño básico de un diodo láser en la mayoría de los dispositivos de comunicación de fibra óptica es tal que la luz láser generada sale por el borde del encapsulado láser, es decir la luz de los llamados láseres de emisión de borde deja al semiconductor por una superficie lateral (borde), perpendicular a la dirección del flujo de corriente. También han sido desarrollados laseres en los que la radiación sale perpendicular a la estructura de la capa (en dirección al flujo de corriente) a través de una de las superficies principales. Láseres de este tipo son llamados láser de emisión de superficie de cavidad vertical (VCSEL). Estos requieren 76 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica espejos, por encima y por debajo de la zona activa, de modo que el resonador puede formarse perpendicular a la estructura de la capa. Estos láseres fueron originalmente desarrollados para transmisión cerca de los 850 nm. La investigación se concentra en la transferencia de las emisiones de onda a 650 nm para fibras ópticas de plástico y más hacia la longitud de onda de 1300 nm para fibras monomodo y tasas de bits más altas. Módulo láser La operación práctica de los diodos láser requiere de varios grupos funcionales. Estos se encuentran en un dispositivo herméticamente sellado. La unidad completa se llama módulo láser. La Figura 3.13 muestra un esquema del módulo láser. El diseño modular asegura que el diodo láser puede ser fácilmente adaptado a la vía de transmisión. Figura 3.13 Esquema de un diseño modular de un módulo láser. 77 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica La unión óptica se lleva a cabo en el módulo, es decir, el conector es acoplado óptimamente a la superficie de emisión del diodo (es necesario la alineación de la fibra) y se alimenta, manteniendo el cierre hermético del módulo. El grupo funcional para el control de la temperatura es especialmente importante. Refrigerantes, entre otros, se utilizan para este fin [15]. 3.3 Fotodetectores Es el término aplicado a aquellos detectores de luz, cuya función se compara a la del ojo ya que traducen la percepción de ondas luminosas a diferentes longitudes. En el sistema de comunicaciones óptico difiere mucho el tipo de luz, ya que ésta no puede ser percibida por el ojo, como ya consideramos, el rango utilizado es el infrarrojo, para el cual habrá detectores que distingan y trabajen mejor en este rango. Por tanto el propósito de los dispositivos será el de convertir la radiación óptica a señales eléctricas y además responder rápidamente a los cambios en el nivel de potencia óptico. Existen dos mecanismos de fotodetección [15]. El primero llamado por efecto fotoeléctrico externo, en el que se liberan electrones de una superficie de algún metal gracias a la energía absorbida de una cadena de fotones incidentes. Los dispositivos basados en este efecto son el fotodiodo de vacío y el tubo fotomultiplicador. Otro mecanismo es provocado por la unión de semiconductores a veces llamado efecto fotoeléctrico interno. Aquí sucede que se generan portadores libres de carga por la absorción de fotones incidentes, Existen tres dispositivos de este tipo, el fotodiodo de unión pn, el fotodiodo PIN y el fotodiodo de avalancha. Para poder comparar el funcionamiento de entre todos los detectores ópticos se toman en cuenta diversos parámetros, los más importantes son la responsividad, la respuesta en el espectro y el tiempo de subida. La 78 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica responsividad, ρ, es la relación entre la corriente de salida del detector y la potencia óptica de entrada. Sus unidades son ampere por watt. ρ= i P (3.1) La respuesta en el espectro se refiere a la curva de la responsividad del detector contra la longitud de onda, de aquí que existan distintos detectores según las longitudes de trabajo. Y el tiempo de subida, tr, es el tiempo que tarda el detector en cambiar su salida de corriente de 10% a 90% de su valor de salida cuando existen variaciones en la potencia óptica de entrada. Con esto en cuenta es posible dar un vistazo a cada detector óptico. 3.3.1 Fotodiodo de vacío y fotomultiplicador A pesar de que estos no se utilizan en los sistemas de comunicaciones por fibra óptica, son útiles para probar los componentes de forma independiente, además que el revisar su funcionamiento es más sencillo y facilitará el análisis posterior de los dispositivos semiconductores. Un fotodiodo de vacío como se ve en la figura siguiente funciona al recibir un voltaje nivel de referencia, lo que provoca tener un ánodo positivo y un cátodo negativo. Cuando no le incide luz, la corriente que pasa a través de la resistencia de carga es cero y el voltaje de salida también. Al irradiarse luz sobre el cátodo, los fotones incidentes son absorbidos, liberando energía a los electrones del metal. Algunos de estos ganan suficiente energía como para escapar del cátodo y alcanzar el ánodo. Durante este movimiento se provoca flujo de corriente. 79 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica FOTONES INCIDENTES CÁTODO ÁNODO - + i Rl V V Figura 3.14 Fotodiodo de vacío Para liberar a un solo electrón se necesita una cantidad de energía llamada función de trabajo. Entonces un fotón incidente debe tener por lo menos esta cantidad de energía para causar la emisión un electrón. La función de trabajo se denota con φ y h es la constante de Planck. hf ≥ φ (3.1) La frecuencia óptica más baja que puede ser detectada es f= Φ /h. Lo que corresponde a una longitud de onda de λ = hc / Φ. El tubo fotomultiplicador (PMT) de la Figura 3.15 tiene una responsividad mucho más grande que el fotodiodo, debido a su mecanismo de ganancia interno. La forma de trabajo ocurre en que electrones emitidos desde el cátodo son acelerados hacia un electrodo llamado dinodo. El primer dinodo atrae electrones pues está colocado en un voltaje más alto que el cátodo, típicamente 100 V o mas. Los electrones que golpean al dinodo llevan una cierta energía cinética que al chocar es liberada y provoca que ocurra un proceso secundario de liberación de electrones, pero esta vez liberando cada electrón incidente a más de un electrón del dinodo, lo que provoca una amplificación de la corriente de detección. Así, si se coloca una serie de dinodos antes de llegar al ánodo, cada dinodo subsiguiente tendrá un voltaje 80 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica mayor que su predecesor. Aquí se llegan a obtener ganancias de entre 2 y 6 comúnmente. FOTONES INCIDENTES CÁTODO ÁNODO DINODO - + ELECTRONES SECUNDARIOS i Rl V V Figura 3.15 Fotomultiplicador 3.3.2 Fotodiodo semiconductor Lo fotodiodos de unión semiconductora son pequeños, sensibles a la luz y rápidos, y pueden operar con unos cuantos volts de alimentación mínima. Son casi ideales para sistemas de fibra. Al considerar un fotodiodo de unión pn se puede ver el mecanismo de detección de los fotodiodos de unión. Estos recibir un voltaje de nivel de referencia invertido, se provoca que la barrera de energía potencial entre las regiones p y n se incremente. Los electrones libres (generalmente en la región n) y los espacios libres (normalmente en la región p) no pueden rebasar esa barrera, por lo que no hay corriente. Esta unión se refiere a la región donde la barrera existe, por que no hay cargas libres en la unión. Debido a que no existen cargas libres en la unión, esta se llama zona de agotamiento. Al no tener cargas libres, su resistencia es alta por lo que casi todo el voltaje a través del diodo aparece en la unión. La forma en que trabaja este dispositivo es recibiendo un fotón el cual será absorbido en la unión tras pasar por la capa de alguno de los materiales. La energía absorbida levanta un electrón que se halle al límite a través de la 81 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica banda intermedia de la banda de valencia a la de conducción. El electrón adquiere libertad de moverse. De este efecto un agujero queda en la banda de valencia en la posición antes ocupada por el electrón. Se crean portadores de carga libre. Ocurrirá un reacomodo entre hueco y electrón lo que a su vez ocasiona flujo de corriente. fotón i a) V Banda de conducción Electrón libre creado fotón b) Energía del electrón Agujero libre creado Unión Banda de valencia Figura 3.16 Fotodiodo de unión de semiconductores. a) Alimentación inversa del diodo. b) Diagrama de nivel de energía Si los fotones son absorbidos por las capas p o n, se crea un par electrónagujero pero las cargas libres se moverán muy lentamente por lo que difícilmente alcanzan la unión, no ocurrirá flujo de corriente. Este efecto disminuye la responsividad del detector, lo que lo hace ineficiente. Fotodiodo PIN Este tipo es el más común en los sistemas de comunicaciones ópticos. Es similar al detector anterior, sin embargo este tiene una amplia capa intrínseca 82 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica de semiconductor entre las regiones p y n. la capa intrínseca no tiene cargas libres, así que su resistencia es alta. El voltaje de diodo cruza casi en si totalidad por la capa. Además el hecho de que sea tan grande incrementa la probabilidad de que los fotones incidentes sean absorbidos en ella en vez de en las delgadas regiones p y n. Esto mejora la eficiencia y la velocidad con respecto a su predecesor. Capa intrínseca i p n V Figura 3.17 Fotodiodo PIN Los materiales de construcción son diversos. El mas común es el silicio, y sus longitudes de trabajo están entre 800 nm y 900 nm. Para longitudes mas grandes existen otros materiales como son el germanio y el InGaAs, que aunque introducen un mayor ruido, responden bien en el rango de 1200 nm a 1700 nm. Tabla 3.2 Fotodiodos PIN Rango de Longitud de onda longitud de onda de respuesta pico (µm) (µm) Silicón 0.3 – 1.1 0.8 0.5 Germanio 0.5 – 1.8 1.55 0.7 InGaAs 1.0 – 1.7 1.7 1.1 Material 83 Responsividad pico (A/W) Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica Fotodiodo de avalancha El fotodiodo de avalancha (APD) es un detector de unión semiconductora que tiene ganancia interna, lo que incrementa su responsividad respecto a los dispositivos pn o PIN. Teniendo ganancia, el APD es similar a tubo fotomultiplicador pero su ganancia es menor, llegando a unos cientos o menos. Sin embargo con estas ganancias es un dispositivo más sensible que el diodo PIN. La existencia de la multiplicación de la corriente de avalancha viene de que al recibir un fotón, éste es absorbido en la región de agotamiento, creando un par electrón-hueco libre. Entonces las grandes fuerzas en la región de agotamiento causan que estas cargas se aceleren, ganado energía cinética. Cuando las cargas aceleradas chocan con átomos neutros, se crean pares adicionales usando parte de su energía cinética en empujando electrones a través de la banda de energía. Así que una carga acelerada puede crear varias cargas secundarias. A su vez estas cargas secundarias podrían acelerase y crear nuevos pares, esta es la razón de l proceso de multiplicación por avalancha. En la figura observamos a las capas p+ y n+, las cuales están altamente dopadas, con regiones de baja resistencia teniendo voltajes pequeños. La región π está ligeramente dopada, la mayoría de los fotones son absorbidos en esta capa, y creando allí los pares [4]. Creación de pares electrónagujero Región de multiplicación i p V + p π n + Región de agotamiento Figura 3.18 Fotodiodo de avalancha Se puede decir que los APD son usualmente variaciones de los PIN. 84 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica La siguiente es una tabla de características de los fotodiodos de unión semiconductora, usados en los sistemas de comunicación. Tabla 3.3 Detectores de unión semiconductora Material Estructura Tiempo de subida (ns) Responsividad Ganancia Silicio PIN 0.5 300 -1100 1 Germanio PIN 0.1 500 – 1800 1 InGaAs PIN 0.3 900 – 1700 1 Silicio APD 0.5 400 – 1000 150 Germanio APD 1 1000 – 1600 50 InGaAs APD 0.25 1000 - 1700 20 3.4 Amplificadores ópticos Los amplificadores ópticos han sido diseñados con el propósito de evitar procesos innecesarios y que hacían vulnerable a la red óptica, pues el no tener este dispositivo significaba que para una amplificación era necesario convertir la señal al dominio eléctrico. El avance en las fuentes luminosas impulso el mismo en los amplificadores ópticos al notar que los mismos efectos físicos y atómicos que se producen en las fuentes ópticas, pueden aplicarse en los elementos intermedios de la red óptica para reducir las atenuaciones y sin ser estos completamente fuentes ópticas. El fenómeno físico responsable de la amplificación óptica es el ya antes citado por parte de las fuentes ópticas, aquel introducido por Albert Einstein en 1917 conocido por emisión estimulada. Los fotones emitidos por emisión estimulada tienen las mismas características que los fotones estimuladores, lo que los hace indistinguibles de estos. Por ello un haz de luz puede amplificarse, al pasar por un medio material en el que se provoquen más emisiones 85 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica estimuladas que absorciones. Para ello, es preciso excitar a los átomos que componen el medio material, mediante lo que se llama energía de bombeo, parte de la cual se transfiere al haz de luz que se amplifica. Si uno de tales medios se encierra en una cavidad formada por dos superficies reflejantes enfrentadas, se puede producir un haz de luz láser, originado por el fenómeno de amplificación de la fluorescencia emitida por los átomos excitados, cuando éste pasa múltiples veces por el medio amplificador. Respecto a su aplicación se puede decir que los amplificadores ópticos son componentes de gran importancia estratégica en el desarrollo de enlaces ópticos a gran distancia y alta velocidad, su objetivo es compensar las perdidas de distribución. Más claramente su función es aumentar los diferentes niveles de potencia a las señales débiles en los enlaces muy largos, para asegurar la entrega de una señal que pueda entender el receptor. Las tecnologías existentes y usadas son las siguientes: amplificadores ópticos de semiconductores (SOA), amplificadores de efecto dispersivo de Raman y Brillouin y de fibras dopadas con tierras raras. A continuación se analiza cada uno de éstos con sus aplicaciones comunes. 3.4.1 Amplificadores de fibra Raman Un amplificador de este tipo se llama así al usar el efecto de dispersión estimulada Raman (SRS) y ocurre en fibras de sílice cuando un bombeo intenso se propaga a través de ella. Las principales características de la SRS difieren de la emisión estimulada en un aspecto fundamental. Donde, como en el caso de emisión estimulada un fotón incidente estimula la emisión de otro fotón idéntico sin perder su energía, en el caso de SRS, el fotón incidente bombeado, da su energía para crear otro fotón de energía reducida a frecuencia más baja (dispersión inelástica); la energía que queda es absorbida por el medio en forma de vibraciones moleculares. Así, los amplificadores de 86 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica fibra Raman deben ser bombeados ópticamente a diferencia de los SOA que pueden ser bombeados eléctricamente para proveer ganancia. Se concluye que SRS es un fenómeno no lineal no resonante, que no requiere transferencia de población (intercambio entre electrones y huecos) entre niveles de energía. La Figura 3.17 muestra esquemáticamente un amplificador de fibra de Raman y el esquema de los niveles de energía. ωp ωs ωs ωp ωs Figura 3.19 Amplificador de Raman El bombeo y los haces de la señal a frecuencias wp y ws se inyectan a la fibra a través de un acoplador. La energía es transferida del bombeo del haz a la señal del haz por la SRS. Los amplificadores Raman pueden brindar una ganancia de 30 dB a una potencia de bombeo de cerca de 1.5 W para una fibra de 1.3 Km de longitud. La fuente de bombeo mas práctica es un diodo de neodimio operando a 1.06 µm. 3.4.2 Amplificadores de fibra de Brillouin El principio de operación de las fibras amplificadoras de Brillouin es esencialmente el mismo que los amplificadores Raman excepto por que la 87 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica ganancia óptica se provee por dispersión estimulada Brillouin (SBS) en vez de SRS. Los amplificadores Brillouin son bombeados también, y una parte de la potencia de bombeo es transferida a la señal a través de la SBS. Físicamente cada fotón de energía bombeado usa la mayoría de su energía en crear el fotón de señal de energía, mientras que la energía restante es usada para excitar un fonón acústico. A pesar de la similitud entre SBS y SRS, SBS difiere de SRS en tres aspectos importantes los cuales afectan la operación de los amplificadores Brillouin: 1) la amplificación ocurre sólo cuando el haz se propaga en dirección opuesta al haz de bombeo, 2) el cambio para SBS es más pequeño (de aproximadamente 10 GHz) por tres ordenes de magnitud comparado con SRS y depende de la frecuencia de bombeo; y 3) el espectro de ganancia de Brillouin es en extremo angosto, con un ancho de banda menor a 100 MHz. Pueden ser usados como preamplificadotes para mejorar la sensibilidad de los receptores. Generalmente provee una amplificación de 16 dB dependiendo la longitud de la fibra amplificadora. Una ventaja que permite una amplificación especial es su ancho de banda estrecho pues lo hace ideal para sistemas coherentes y multicanal. 3.4.3 Fibras amplificadoras dopadas con erbio (EDFA) Se dice que estos amplificadores dominan el mercado. El elemento de erbio es usado como dopante y el amplificador se llama fibra amplificadora dopada con erbio. La competencia, los amplificadores de diodo láser, han sido eclipsados por los EDFA, debido a su costosa manufactura y el acoplamiento de luz dentro de la fibra pigtail, su sensibilidad de polarización y su alto nivel de interferencia. Este tipo de amplificadores contiene un elemento activo, el bombeador (Figura 3.20). Éste es usualmente una fuente de luz basada en láser parecida a la de 88 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica los transmisores láser. El bombeo produce una salida en ambas longitudes 980 nm y 1480 nm. El EDFA no es el amplificador más práctico para usar por estar limitado a la banda de 1550 nm. Su difusión se debe a que hace posible la multicanalización por división de longitud onda. La amplificación tiene lugar en cierta longitud de fibra de baja perdida dopadas con tierras raras. Muchos diferentes iones de tierras raras, como el erbio, holmio, neodimio, samario, talio e yterbio, pueden ser usados para producir amplificadores que operen a distintas bandas de longitud de onda, desde 0.5 µm hasta 3.5 µm. Funcionamiento El EDFA consiste de dos elementos activos: la fibra activa dopada con Er3+ y un bombeador adecuado. El bombeador no es más que un transmisor láser– semiconductor. Por lo menos un acoplador es requerido para acoplar la señal de bombeo dentro de la fibra.[3] Fibra dopada con erbio 1550nm 1550nm Separador Óptico Acoplador Separador Óptico Bombeo óptico 980nm o 1480 nm Figura 3.20 Diagrama a bloques de una fibra dopada con erbio 89 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica El típico espectro operacional de los amplificadores dopados con erbio es el siguiente: Figura 3.21 Espectro óptico de EDFA (dB vs. nm) Existen una cantidad considerable de configuraciones de EDFA. Una de ella es donde los haces de bombeo y de señal se propagan en la misma dirección, otra con bombeo en dirección contraria al flujo de la señal. El desempeño es casi el mismo que en las configuraciones de los láseres de bombeos individuales, cuando la potencia de la señal es lo suficientemente pequeña para que el amplificador permanezca sin saturación. En el régimen de saturación la eficiencia de conversión de potencia es generalmente mejor en el bombeo en dirección opuesta, principalmente por el importante rol que juega la amplificación por emisión espontánea. Para evitar la mayor cantidad de ruido es más recomendable la configuración de bombeo según el flujo de la señal. También hay una configuración bidireccional, con dos fuentes de bombeo, donde el amplificador es bombeado en ambas direcciones simultáneamente. Un bombeador opera a 1480 nm, usualmente en dirección opuesta al flujo y el otro en 980 nm en la misma dirección de flujo. Esto hace el mejor uso de las fortalezas de cada uno. El bombeo en 1480 nm tiene una mayor eficiencia cuántica pero también una mayor figura de ruido, mientras que en 980 nm se puede proveer una figura de ruido limitada. 90 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica Figura 3:22 Configuraciones de EDFA 91 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica Una simple etapa de bombeo provee típicamente una amplificación de potencia de 16 dBm en la región de saturación y provee una figura de ruido de 5 a 6 dB en la región de nivel pequeño Cuando se usan ambos bombeos simultáneamente se espera una salida mucho más alta, arriba de los 26 dBm. Para limitar la figura de ruido, lo cual se necesita en muchas aplicaciones de preamplificación, se usa un diseño multietapas. Con este diseño, un separador se coloca inmediatamente después de la primera etapa amplificadora (la cual determina la figura de ruido), para prevenir la degradación del desempeño de la primera etapa debido a una que la amplificación por emisión espontánea pueda propagarse de regreso en la segunda etapa [3][16]. Una consideración mayor en el diseño de los EDFA es la selección de la longitud de onda que se empleará para el bombeo. Puede usarse alguna de las dos 980nm o 1480nm. La tabla siguiente hace una comparación entre el desempeño de las dos: Tabla .3.4 Comparación de λ en EDFA Comparación de bombeo en longitudes de onda para EDFA Longitud de onda 1480 nm 980 nm Fuente luminosa Diodo láser InGaAs /InP Diodo laser InGaAs de superficie apretada Eficiencia de ganancia 5dB/mW 10dB/ mW Índice de ruido 5.5dB 3- 4.5 dB Salida en saturación +20dBm +5 dBm Rango de longitud de Ancho(1470- 1490 nm) Estrecho (979-981 nm) bombeo División de haz Difícil Simple Salida de bombeo 50- 200 mW 10 – 20 mW 3.5 Elementos extras en el enlace de fibra óptica 3.5.1 Acoplador Es un término usado para referirse como sinónimo de dispositivo de enramado. Es el término que define una estructura para transferir potencia óptica entre dos 92 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica fibras o entre un dispositivo activo y una fibra. Se conocen de este tipo al divisor (splitter) y al combinador. Se les llama componentes ramificados dividen una señal de luz en trayectorias separadas o toman varias señales de luz y las combinan en una sola trayectoria. Algunos de estos dispositivos que llevan a cabo esta función son llamados acopladores. Diferentes tipos de componentes ramificados con una breve descripción de sus funciones se listan a continuación. Los acopladores tienen amplia aplicación en redes de área local donde el medio de transmisión es la fibra óptica. 3.5.2 Combinador Típicamente tiene un puerto de salida y dos o más puertos de entrada. Puede ser usado para operación unidireccional o bidireccional. 3.5.3 Splitter Es un dispositivo que típicamente tendrá una entrada y muchas salidas. Puede ser usado para transmisión bidireccional o para distribuir una señal a dos o más dispositivos o terminales de usuarios. 3.5.4 Acoplador de árbol Es aquel que acepta una sola entrada y distribuye la señal a muchas salidas o viceversa. Es comúnmente usado para distribuir señales de una sola fuente a varios recipientes. 3.5.5 Acoplador estrella Es un dispositivo multipuertos con al menos dos puertos de entrada y dos o más puertos de salida. Puede distribuir o combinar señales de múltiples puertos de entrada a un solo puerto de salida, o puede aceptar una sola señal de luz y distribuirla a múltiples puertos de salida. 93 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica 3.5.6 Acoplador de banda ancha También llamado acoplador insensible de longitud de onda opera en ambas ventanas de longitud de onda, 1310 y 1550 nm. Todos los componentes ramificados deberían tener esta capacidad de banda dual. Otra capacidad deseable es que los componentes ramificados deberían ser insensibles a variaciones de longitud de onda dentro de una sola ventana. En otras palabras, pérdidas de inserción deberían ser lo mismo para cualquier longitud de onda dentro de una ventana. 3.5.7 Acoplador de acceso Es un componente ramificado de tres o cuatro puertos que facilita la función añadir y liberar (add and drop), usualmente con algunas fracciones pequeñas de potencia óptica. Su razón de acoplamiento es altamente no uniforme. 3.5.8 Multiplexores y demultiplexores por división de longitud de onda Estos dispositivos no son más que componentes ramificados o acopladores. Estos dispositivos distribuyen señales de luz basadas en su longitud de onda. Un multiplexor por división de longitud de onda es usado para transmitir múltiples señales de luz, cada una a diferente longitud de onda, en una sola fibra. Un demultiplexor toma una colección de señales de luz en una sola fibra y las separa en sus diferentes componentes de longitud de onda donde cada componente es colocada en una fibra individual diferente. 3.5.9 Atenuador Es un componente pasivo que produce una atenuación de la señal controlada en una línea de transmisión de fibra óptica. 3.5.10 Filtro de fibra óptica Es un componente pasivo usado para modificar la radiación óptica que pasa a través de él, generalmente alterando la distribución espectral. Son usualmente usados para rechazar o absorber la radiación óptica en rangos específicos de longitudes de onda, mientras deja pasar otros rangos. 94 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica 3.5.11 Terminador de fibra óptica Es un componente usado para terminar un fibra con el propósito de suprimir reflexiones. 3.5.12 Empalme. Es una unión permanente o semipermanente cuyo propósito es acoplar potencia óptica entre dos fibras ópticas. Existen de fusión y mecánicos. 3.5.13 Conector. Es un componente usualmente ligado a un cable óptico o un aparato con el propósito de proveer conexión y desconexión frecuente de las fibras o cables. 95 Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica 96 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Radiofrecuencia sobre fibra óptica (RoF) es una tecnología muy efectiva al integrar el acceso inalámbrico y óptico. Aquí se combinan la fibra óptica y radio frecuencia, y es una forma de distribuir fácilmente frecuencias de radio como señales de banda ancha o banda base. Para lograr esto se utilizan enlaces de fibra analógicos para transmitir y distribuir la señal entre una CS y numerosas BSs. Existen tres características muy importantes que diferencian una red inalámbrica normal de aquellas que se usan en RoF; primero es que el enlace es transparente al ancho de banda, la modulación de las señales de RF y el protocolo; segundo que logra tener BS más simples y pequeñas; y tercero el que es arquitectura de red centralizada. Esto logra que en ciertos momentos la CS en la red basada en RoF tenga un conocimiento global de la situación actual de la red y así pueda controlar dinámicamente los recursos de la red. Lo que hace interesante este estudio, en el que al parecer no varía mucho el diseño de la red inalámbrica, es que al basar la red en RoF, ésta será por mucho más eficiente en términos de la administración de los recursos del sistema si la comparamos con la arquitectura normal. Esto la hace una tecnología prometedora para los servicios inalámbricos de multimedia futuros que demandan mayor capacidad y ancho de banda [17] [21]. La idea básica de proponer sistemas de redes inalámbricas basados en la tecnología de RoF se plantea como una alternativa más costeable y capaz de soportar la creciente demanda de ancho de banda. En redes de este tipo una estación controladora es conectada a numerosas estaciones base, las cuales son de estructura y características simples, vía fibra óptica. La función principal de la BS es convertir la señal óptica a una eléctrica y enviarla por su antena transmisora al móvil y viceversa. Por tanto casi todo el procesamiento de la señal (incluyendo modulación, demodulación, codificación y enrutamiento) es desempeñado en la estación controladora. Lo que significa que la función de la red RoF es usar 97 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM enlaces de fibra óptica para distribuir señales de RF entre la CS y las diversas BSs. Figura 4.1 Arquitectura básica RoF La arquitectura general de RoF en la Figura 4.1, tiene como mínimo un enlace RoF el cual consiste de todo el equipo requerido para colocar la señal RF en una portadora óptica, más el enlace de fibra óptica y el hardware requerido para recuperar la señal de RF de la portadora óptica. La longitud de onda de la portadora es usualmente seleccionada para que coincida con cualquiera de las dos ventanas, la de 1300 nm o la de 1550 nm, ya que en la primera una fibra monomodo normal tiene una dispersión mínima y en la segunda la atenuación es mínima [21]. 4.1 Análisis de la tecnología RoF 4.1.1 Beneficios de la tecnología RoF Algunas de las ventajas y beneficios de la tecnología RoF comparado con la distribución de señales electrónicas se mencionan a continuación: 98 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Bajas pérdidas de atenuación La distribución eléctrica de señales de microondas de alta frecuencia en el espacio libre o a través de líneas de transmisión es problemática y costosa. En aire libre, las pérdidas debidas a la absorción y reflexión incrementan con la frecuencia. En líneas de transmisión, la impedancia sube con la frecuencia, llevando a pérdidas muy altas. Por lo tanto, distribuir señales de radio de alta frecuencia eléctricamente sobre largas distancias requiere equipo de regeneración de señal muy caro. Como para las ondas milimétricas, su distribución usando líneas de transmisión no es factible aún para cortas distancias. La solución alternativa a este problema es distribuir señales de banda base o señales a baja frecuencia intermedia (IF) de la estación controladora (CS) a la estación base (BS). Las señales en banda base o en IF son convertidas a la frecuencia de microondas requerida en cada estación base, amplificadas y después radiadas. Dado que serían necesarios osciladores locales (LOs) de alto rendimiento para la conversión en cada estación base, este arreglo lleva a complejas estaciones base con reducidas funciones a desempeñar. No obstante, ya que las fibras ópticas ofrecen muy bajas pérdidas, la tecnología RoF puede ser usada para lograr ambas, distribución de baja pérdida de ondas milimétricas, y la simplificación de las BS al mismo tiempo. Las fibras monomodo (disponibles comercialmente) hechas de sílice tienen pérdidas por atenuación debajo de 0.2 dB/km y 0.5 dB/km en las ventanas de 1550 nm y 1310 nm, respectivamente. Fibras ópticas de polímero, una clase más reciente de fibra óptica, presentan un rango de atenuación más alto: de 10-40 dB/km en las regiones de 500-1300 nm. Estas pérdidas son mucho más bajas que las encontradas en, digamos cable coaxial, cuyas pérdidas son más altas por tres órdenes de magnitud a más altas frecuencias. Por lo tanto, al transmitir microondas en forma óptica, las distancias de transmisión incrementan 99 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM considerablemente y la potencia de transmisión requerida se reduce notablemente. Gran ancho de banda Las fibras ópticas ofrecen un enorme ancho de banda. Existen tres ventanas de transmisión principales, las cuáles ofrecen baja atenuación, que son: 850 nm, 1310 nm y 1550 nm. Para una fibra monomodo, el ancho de banda combinado de las tres ventanas excede los 50 THz. No obstante, hoy en día los sistemas comerciales utilizan sólo una fracción de esta capacidad (1.6 THz). Pero los desarrollos para explotar más la capacidad óptica de la fibra continúan. Los factores principales que llevan hacía el desbloqueo de más y más ancho de banda de la fibra óptica incluyen la disponibilidad de baja dispersión de la fibra, de los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) para la ventana de 1550 nm y el uso de técnicas avanzadas de multicanalización, como la multicanalización por división de tiempo óptico (OTDM), en combinación con técnicas de densa multicanalización por división de longitud de onda (DWDM). El enorme ancho de banda ofrecido por las fibras ópticas tiene otros beneficios aparte de la alta capacidad para transmitir señales de microondas. El gran ancho de banda óptico activa el procesamiento de señales de alta velocidad que tal vez es más difícil o imposible de hacer en sistemas electrónicos. En otras palabras, algo de la demanda de funciones de microondas tales como el filtrado, mezclado, conversión, puede ser implementado en el dominio óptico. Por ejemplo, el filtrado de ondas milimétricas puede ser logrado convirtiendo la señal eléctrica para ser filtrada en una señal óptica, después desarrollando el filtrado usando componentes ópticos tales como el interferómetro de Mach Zehnder (MZI) o la fibra de rejilla de Bragg (FBG), y después convirtiendo la señal filtrada en forma eléctrica. Por lo tanto, el proceso en el dominio óptico hace posible el uso de componentes ópticos 100 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM de bajo ancho de banda más baratos tales como diodos láser y moduladores, y sigue siendo capaz de manejar señales de gran ancho de banda. Sin embargo, la utilización del gran ancho de banda ofrecido por las fibras ópticas está severamente obstaculizado por la limitación en el ancho de banda de los sistemas electrónicos, los cuáles constituyen las fuentes y los receptores de la transmisión de datos. Este problema se denomina “cuello de botella electrónico”. La solución para el cuello de botella electrónico descansa en la multicanalización efectiva. Técnicas como OTDM y DWDM -mencionadas anteriormente- son usadas en sistemas ópticos digitales. En sistemas ópticos analógicos incluyendo la tecnología RoF, la multicanalización de sub-portadora (SCM) es usada para incrementar la utilización del ancho de banda de la fibra óptica. En SCM, muchas sub-portadoras de microondas, las cuales son moduladas con datos digitales o analógicos, son combinadas para modular la señal óptica, que después es llevada en una sola fibra. Esto hace a los sistemas RoF más rentables. Inmunidad a la interferencia electromagnética La inmunidad a la interferencia electromagnética (EMI) es una propiedad muy atractiva de las comunicaciones ópticas, especialmente para transmisión de microondas. Esto es porque las señales son transmitidas en forma de luz a través de la fibra. A causa de esta inmunidad, son preferidos los cables de fibra aún para conexiones cortas en ondas milimétricas. Relacionada a la inmunidad a la interferencia electromagnética está la inmunidad a ser escuchados, lo cual es una característica importante de las comunicaciones de fibra óptica, ya que proporciona privacidad y seguridad. 101 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Fácil instalación y mantenimiento En sistemas RoF, el equipo caro y complejo se encuentra en la estación central (CS), haciendo más simples las estaciones base (BS). Por ejemplo, la mayoría de las técnicas de RoF eliminan la necesidad de un oscilador local y el equipo relacionado en la BS. En tales casos un fotodetector, un amplificador y una antena hacen a la BS. Los equipos de modulación y conmutación se mantienen en la CS y son compartidos por varios BSs. Este arreglo lleva a que las BSs sean más pequeñas y ligeras, efectivamente reduciendo la instalación del sistema y los costos de mantenimiento. La fácil instalación y los bajos costos de mantenimiento son requisitos muy importantes para sistemas de ondas milimétricas, debido al gran número de BSs requeridas. En aplicaciones donde las BSs no son fácilmente accesibles, la reducción en requerimientos de mantenimiento lleva a un mayor ahorro en costos de operación. BSs más pequeñas también conducen a la reducción en el impacto ambiental [22]. Reducción del consumo de energía La reducción del consumo de energía es una consecuencia de tener una BS simple con equipo reducido. La mayoría de los equipos complejos se mantienen en la CS. En algunas aplicaciones, las BSs operan en modo pasivo. Por ejemplo, los sistemas de fibra, de 5 GHz, que emplean pico-células, pueden tener las BSs operando en modo pasivo. La reducción del consumo de energía en la BS es significativa considerando que las BSs son a veces colocadas en locaciones remotas que no son alimentadas por la red eléctrica. 102 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Asignación dinámica de recursos Ya que la conmutación, modulación, y otras funciones de RF son desempeñadas en la controladora de estación base (CS), es posible asignar capacidad dinámicamente. Por ejemplo en un sistema de distribución RoF para tráfico GSM, se puede asignar más capacidad en un área (en un centro comercial por ejemplo) durante horas pico y después puede ser reasignarla a otras áreas cuando estén fuera de los picos de demanda (por ejemplo en zonas residenciales pobladas en las tardes). Esto puede ser logrado asignando longitudes de onda óptica a través de multicanalización por división de longitud de onda (WDM) según se necesite. Asignar la capacidad dinámicamente como se va necesitando evita el requisito de asignar capacidad permanente, lo cual sería un gasto de recursos en casos donde la carga de tráfico varía frecuentemente y por márgenes muy grandes. Aplicaciones de la tecnología RoF La tecnología RoF no es adecuada para aplicaciones de sistemas, donde un alto 1 SFDR (Rango Dinámico libre impurezas) es requerido, a causa del rango dinámico limitado. Es verdad que en los sistemas móviles de cobertura amplia, tales como GSM, un SFDR de > 70 dB es requerido (en exteriores). Por tanto, la mayoría de aplicaciones en interiores no requieren un alto SFDR. Por ejemplo, el SFDR requerido para un enlace de subida de GSM reduce de > 70 dB a cerca de 50 dB para aplicaciones en interiores. Por esta razón, los sistemas de distribución RoF pueden ser prontamente usados para distribución en interiores de señales inalámbricas de ambos sistemas, móviles y de comunicación de datos. En este caso el sistema RoF se vuelve un sistema de antena distribuida (DAS). 1 SFDR (Spurious Free Dinamyc Range ). Es la potencia máxima de la señal de salida para la cual la potencia del producto de intermodulación de tercer orden es igual al ruido de fondo (noise floor). 103 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM 4.2 Acoplamiento de radiofrecuencia sobre fibras ópticas De forma general un enlace óptico consistirá en una fibra óptica, un transmisor, un receptor y un amplificador como en la figura. Amplificador Amplificador Transmisor Receptor Fibra óptica Figura 4.2 Enlace óptico básico A diferencia de las redes ópticas convencionales donde señales digitales son transmitidas principalmente, RoF es fundamentalmente un sistema de transmisión analógico debido a que distribuye las señales, directamente en una portadora de radiofrecuencia, desde un CS a un BS. Realmente, la señal analógica que es transmitida puede ser cualquiera de éstas: una señal de Radiofrecuencia (RF), una señal de frecuencia intermedia (IF) o un señal de banda base (BB). En el caso de ser transmisión en IF o BB, es necesario hardware adicional para convertirlo a la banda de RF que es requerida en la BS para transmisión. En el transmisor óptico, la señal de RF/IF/BB puede ser colocada en la portadora óptica usando modulaciones directa o externa de luz láser. El sistema, como es de esperarse no es perfecto pues tiene limitaciones debidas a efectos no lineales, por los límites de la respuesta en frecuencia en el láser y los dispositivos de modulación, así como de la dispersión en la fibra. La transmisión de señales analógicas en la fibra tiene ciertos requerimientos específicos respecto a linealidad y rango dinámico, los cuales son diferentes y más exactos que los usados en sistemas de transmisión digital [20]. 104 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM 4.3 Métodos de generación y transporte de señal Virtualmente todos los enlaces ópticos transmiten señales de microondas o de onda milimétrica aplicando modulación de intensidad de luz. Esencialmente existen tres diferentes métodos de transmisión de este tipo de señales sobre enlaces ópticos con modulación de intensidad: modulación de intensidad directa, modulación externa y de heterodino remoto. En modulación de intensidad directa un parámetro eléctrico de la fuente de luz es modulado por la señal de RF de información. En la práctica el parámetro suele ser la corriente del diodo láser. En el segundo método se aplica una fuente de luz sin modular y un modulador de luz externo. En el tercer método, las señales de RF son generadas de forma óptica vía heterodino remoto, lo cual es un método en el que más de una señal óptica es generada por la fuente luminosa; una de ellas es modulada por la señal de información y éstas son mezcladas por el fotodetector o por un mezclador externo para formar la señal RF de salida [17]. 4.3.1 Modulación de RF por intensidad de luz y detección directa Esto se conoce como IM-DD. Para realizar la modulación de la fuente existen dos métodos, uno es dejar que la señal de información en RF module directamente la corriente de la fuente como se observa en la Figura 4.3. La segunda opción es operar el láser de forma continua y entonces usar un modulador externo tal como el Mach-Zehnder para que este module la intensidad de luz. En ambos casos, la señal moduladora es la señal RF a ser distribuida. La señal de RF debe ser apropiadamente pre- modulada por los datos de transmisión, debido a que RoF requiere equipo electro-óptico muy capaz y complejo en la CS. Después de la transmisión a través de la fibra y detección directa en el fotodiodo, la corriente resultante es una réplica de la señal modulante RF aplicada ya sea directamente o por el modulador externo en la CS. Esta corriente se amplifica para alcanzar el 105 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM requerimiento de voltaje que será usado para excitar la antena. El formato de modulación de los datos se conserva [19]. Modulador de microondas a) Generador de microonda BS Fuente CS Modulador de microonda LD Fotodiodo Modulador de microondas Almacén de datos CS b) Demodulador de microondas BS Fotodiodo LD Figura 4.3 Configuración IM- DD a) CS a BS (bajada), b) BS a CS (subida) Usualmente la mayoría de los sistemas de RoF, incluyendo los de IM-DD usan fibras monomodo para su distribución. 106 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Ventajas de IM-DD La ventaja de este método es la simpleza y por otra parte el que si se usa una fibra de baja dispersión junto con un modulador externo el sistema se vuelve lineal. Por tanto el enlace óptico actúa sólo como un amplificador o atenuador y es entonces transparente al formato de modulación de la señal RF por lo que se puede transportar cualquier tipo de formato. Dichos sistemas necesitan poca o nula actualización si el formato de modulación de la señal RF cambia. Desventajas de IM-DD Una desventaja de la técnica IM-DD es su dificultad de maniobra con aplicaciones de onda milimétrica de alta frecuencia. Esto se debe a que para generar señales de frecuencia más alta (tales como la de onda milimétrica), la señal modulante debe también estar a la misma alta frecuencia. Para modulación directa de un láser esto no es posible por las limitantes de ancho de banda y las no linealidades, lo que causa distorsión por el fenómeno de intermodulación. Por otro lado, aunque los moduladores externos pueden soportar altas frecuencias de señales de RF, requieren de voltajes altos, lo que a su vez lleva a tener amplificadores muy costosos.Una desventaja más es que es susceptible a la dispersión cromática. Modulación directa Ésta es la más simple de las tres soluciones, por lo que se usa siempre que se puede. Al ser combinada con detección directa usando un fotodetector, es usual referirse a esta como modulación de intensidad con detección directa (IM-DD). 107 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Modulación de intensidad f RF f RF Fotodetector Fuente Óptica Filtro paso banda Entrada RF Figura 4.4. Modulación directa El enlace de modulación directa consiste en un láser semiconductor que convierte directamente una modulación de señal pequeña (cercana al nivel de referencia puesto por la corriente directa) en una correspondiente modulación de intensidad de fotones emitidos (cercana al promedio de la intensidad en el nivel de referencia). Además que un único dispositivo servirá como fuente óptica y como modulador óptico-RF. Existe un fenómeno que limita el uso de esta modulación y es el ancho de banda del láser, es decir su velocidad de conmutación. Los láseres simples pueden ser modulados a frecuencias de varios gigahertz, llegando a 5 o hasta 10. Sin embargo existen reportes de que hay algunos láseres de modulación directa que pueden operar hasta los 40 GHz o más, pero éstos son raros e incluso se podría decir que inaccesibles en el mercado. Por tanto, es preferible aplicar modulación externa para frecuencias muy altas, encima de los 10 GHz. 108 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Modulación externa En un sistema de fibra el modulador óptico externo (EOM) sigue al diodo láser, que opera a un nivel fijo de potencia. Estos moduladores externos son más complejos y costosos que los moduladores internos, pero agregan la ventaja de poder trabajar a tasas más altas y con menor distorsión de la señal. Evita casos como el ocurrido en modulación directa, al ocasionar que la salida de la portadora de un láser tenga variaciones en frecuencia desde el principio hasta el final de un pulso digital. Lo cual incrementa el ancho del pulso, la dispersión y a su vez ésta limita la capacidad del sistema. Por tanto, cuando es necesario tener sistemas de capacidades más grandes o frecuencias más amplias, el mejor candidato será un modulador externo. Modulación de intensidad Fuente Óptica f RF f RF Fotodetector Modulador RF/ Óptico Filtro paso banda Entrada RF Figura 4.5 Modulación externa Modulador de electroabsorción Es un dispositivo basado en el uso de uniones de semiconductor. Éste trabaja de la siguiente forma: al recibir un voltaje de referencia inverso tiene un decremento 109 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM en la banda de energía (normalmente denotada W), lo que ocasiona el comportamiento físico de los fotones, que al tener energía menor que la de la banda del material, éstos serán transmitidos a través del semiconductor, y en cambio, si cuentan con energía mayor que la banda, serán absorbidos por el material [4]. Metal p InGaEs Capa de absorción p Inp n InP (substrato) Metal Figura 4.6 Modulador de electroabsorción La banda de energía de la fuente láser, se ve en la siguiente figura, donde por un lado no se aplica ningún voltaje externo, por lo que la energía del diodo llega a ser menor que la del EAM, así que lo fotones se transmiten. En cambio si se aplica el voltaje inverso, la banda de energía del EAM disminuye, así que los fotones son absorbidos. Láser WLD EAM WEAM TRANSMISION Láser EAM WLD ABSORCIÓN WEAM Figura 4.7. Bandas de energía de láser y EAM. En transmisión y absorción 110 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Para necesidades del sistema posteriormente propuesto, gracias a las características citadas, este modulador llega a ser de las mejores opciones [19]. Interferómetro Mach- Zehnder Este dispositivo sirve de modulador externo y está constituido por guías de ondas de titanio difuso colocadas en un substrato de niobatio de litio. Trabaja recibiendo la señal de la fuente óptica y puede modularla aplicando un voltaje a los electrodos. Entonces cuando el haz de luz entra, se divide y va por dos caminos y después se recombina a la salida, si no recibe el voltaje, la recombinación ocurre en fase por lo que la interferencia será constructiva y ocurrirá una transmisión máxima. En cambio, al aplicar un voltaje considerable a los electrodos, existirá una fase de 180º entre los caminos y al combinarse a la salida los dos haces obtenidos se interferirán destructivamente y la señal de salida será mínima. Al jugar con el voltaje se pueden obtener las modulaciones requeridas, este tipo de dispositivos opera en el rango de gigahertz y puede requerir hasta 10 volts para lograr su trabajo. 4.3.2 Generación de la señal por heterodino remoto Heterodino remoto También se llama detección coherente. Aquí existe un haz de luz fijo, llamado oscilador local en analogía con el usado en radiofrecuencias. Éste se mezcla con la onda modulada a la entrada del fotodetector lo que realmente hace es detectar los cambios en fase ocasionados por la suma de las señales y los transforma en cambios de intensidad óptica. Las variaciones son reproducidas en formas de onda de corriente, lo que hace posible la recepción y demodulación de portadoras 111 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM ópticas moduladas en frecuencia. Además de esta detección analógica también es muy efectivo para señales digitales moduladas en intensidad [4]. Existen diversas formas de generar las dos portadoras ópticas para la técnica de heterodino coherente. Una sería el uso de un modulador de fase óptico para generar varias bandas laterales, y entonces seleccionar los componentes requeridos. Otro enfoque es el uso de dos fuentes ópticas separadas. Las dos están hechas para emitir luz a frecuencias separadas por la frecuencia de microonda requerida. Las dos técnicas mencionadas son entonces usadas para tener la frecuencia de referencia entre dos portadoras ópticas estables y relacionadas en fase. CS Fuente de datos m(t) f1 Fuente óptica a dos frecuencias BS Modulador Acoplador f2 Filtro óptico PD fm(t)= f1- f2 Figura 4.8 Heterodino remoto en un enlace RoF Ventajas Usando la técnica de heterodino, frecuencias muy altas pueden ser generadas, limitadas solamente por el ancho de banda del fotodetector. Además se detectan altas potencias y tiene una alta relación de portadora a ruido (CNR). Esto es por que las potencias ópticas de las dos fuentes contribuyen a la potencia de la señal de microondas generada. 112 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM La técnica de heterodino remoto tiene una ventaja inherente respecto a la dispersión cromática. Si sólo una de las dos portadoras ópticas es modulada con datos, la sensibilidad del sistema a la dispersión cromática se reduce enormemente, lo cual no es posible en modulación de intensidad directa. Reducir los efectos de la dispersión cromática es muy importante en los formatos de modulación de señales sensibles al ruido de fase, donde la dispersión causa pérdidas en la potencia. Otro atributo importante de la detección por heterodino remoto es que permite la modulación de datos a baja frecuencia en la CS dado que no se requieren componentes electro-ópticos de alta frecuencia. Además en contraste con IM-DD, el modulador en la CS puede ser manejado con datos en banda base o frecuencias bajas de RF. Moduladores de frecuencia baja generalmente tienen pequeños voltajes de media onda y además requieren bajos niveles de manejo, por esto son fáciles de linealizar. Una ventaja mayor de la técnica de heterodino óptico es la capacidad de producir señales con el 100% de capacidad de modulación de intensidad. Otros beneficios incluyen procesamiento de señales fotónicas y capacidades de funcionamiento del sistema de radio tales como control de fase, filtrado y conversión de frecuencia. Desventajas La mayor desventaja es la fuerte influencia del ruido de fase del láser y las variaciones de frecuencia óptica en la pureza y estabilidad de las portadoras de RF generadas. Dado que los láseres tienen anchos espectrales amplios, se deben tomar medidas extras para reducir el ancho del haz de las señales de RF generadas. Estas medidas hacen más complejo el sistema. Las técnicas usadas 113 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM para reducir la sensibilidad al ruido de fase incluyen bucles ópticos encerrados en fase (OPLL) e inyección de bloqueo óptico (OIL) [22]. 4.3.3 Generación de la señal usando un Transreceptor Óptico La estructura más simple de una BS se puede implementar con la colocación de un transreceptor óptico como el de electroabsorción (EAT), el cual funciona con el mismo principio antes mencionado para el modulador de electroabsorción, y desempeña la función de un conversor óptico-eléctrico (O/E) para la bajada de señal y de un conversor electro-óptico (E/O) para la subida de la señal, y hace ambos al mismo tiempo. Así, dos longitudes de onda son transmitidas sobre una fibra óptica de CS a BS. Una para la transmisión de bajada, la cual es modulada por la señal de datos, mientras que la longitud de onda para la subida no es modulada. Esta última llega a modularse por la señal de datos de subida en la BS y regresa a la CS. Entonces la función que puede desempeñar un EAT es doble, por un lado como fotodiodo para la trayectoria de datos y por otro como modulador provee la trayectoria de retorno de los datos, y sin la necesidad de un láser en la BS. Una desventaja es que sufre del problema de dispersión cromática. Hay que notar que siempre serán necesarias dos longitudes de onda para los enlaces de subida y bajada, y así es posible la operación full-dúplex [17]. 114 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Figura 4.9 Transreceptor de electroabsorción 4.3.4 Usando conversiones de frecuencia En esta técnica se transporta una señal en la banda de frecuencia intermedia (IF) en vez de la banda RF. El transporte de la señal óptica en esta banda está casi libre de dispersión cromática. Sin embargo, la conversión eléctrica entre bandas requiere de mezcladores de frecuencia y un oscilador de ondas milimétricas, resultando en costo adicional a la BS. Otra ventaja de esta técnica es el hecho de que ocupa un pequeño ancho de banda, lo cual es especialmente benéfico cuando el sistema es combinado con DWDM. Configuraciones del enlace RoF La configuración del enlace es la forma de armar la parte correspondiente a la transmisión y recepción de la señal saliente y en este caso dependerá de la clase de bandas de frecuencia utilizadas, esto para tener una mayor eficiencia. Se basa 115 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM en el tipo de banda de frecuencia que será transmitida sobre la fibra óptica (en banda base, frecuencia intermedia o radio frecuencia). Primero veamos un esquema básico para la banda RF donde se asume que la BS tiene su propia fuente de luz para propósitos explicativos, ya que -como veremos- podría configurarse sin la necesidad de esta fuente para la transmisión de subida. También observamos que la BS no tiene equipo de modulación o demodulación, ni para éste ni para ninguna de las configuraciones, esto lo concentra la CS. Para la transmisión de bajada de CS hacia las BSs, la señal de información proveniente de cualquier lugar, la red pública, Internet u otra CS es introducida al módem de la CS. La señal que proviene de cualquiera de la tres bandas se usa para modular la señal óptica del láser. En el caso de RF si la señal es de frecuencia baja dentro de la banda es posible modular con ésta directamente el láser. En cambio si es una señal de frecuencia alta dentro de la banda, es necesario utilizar moduladores ópticos externos (EOM), como lo son los de electroabsorción. La señal óptica modulada es transmitida hacia las BS por la fibra óptica. Ya en el punto de la CS la señal, de la banda que sea, es recuperada detectando la señal óptica modulada con un simple fotodetector. Esta señal que se recuperó necesita ser reconvertida a la banda RF (si es que llegó en banda base o frecuencia intermedia), y se trasmitirá a los móviles con la antena de la BS. PSTN, Internet u otra CS CS Modem de radio BS LD Enlace de bajada EOM Señal IF PD Señal RF Enlace de subida PD EOM Figura 4.10 Configuración con EOM, modulando una señal en RF 116 LD Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM En la figura 4.10 se puede observar que la señal modulada es generada en la CS en RF y es directamente transmitida a las BSs por el EOM. A ésta configuración se le puede llamar puramente de radiofrecuencia sobre fibra óptica sin ninguna otra acotación. Luego, en cada BS se recupera la señal modulada al usar un fotodetector que obtenga la señal original de la señal óptica modulada, y así como la recupera la transmite directamente a los móviles vía la antena. Esta distribución de la señal tiene la gran ventaja de tener un diseño sumamente simple de BS. Sin embargo un punto en contra será que es susceptible a la dispersión cromática de la fibra lo que limita un tanto la distancia de transmisión. CS PSTN, Internet u otra CS Modem de radio BS LD Enlace de bajada EOM PD Señal RF Señal IF Enlace de subida PD EOM LD Figura 4.11 Configuración con EOM, modulando una señal en IF Por otro lado en la configuración mostrada en la Figura 4.11, la señal modulada es generada en la CS frecuencia intermedia (IF) y transmitida a las BS por el EOM, así que esta configuración se llama de frecuencia intermedia sobre fibra óptica. Entonces aquí en cada BS la señal modulada se recupera de igual forma con el fotodetector y se debe convertir a RF, para poder enviar la señal a los móviles vía la antena. Lo que cambia en este esquema es que la dispersión cromática aparecida en la configuración anterior se ve disminuida, pero necesita de ciertos 117 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM elementos físicos electrónicos en las estaciones base tal como un oscilador local para lograr la reconversión de IF a RF. PSTN, Internet u Modem de radio otra CS CS BS LD Enlace de bajada EOM PD Señal RF Señal IF Enlace de subida PD EOM LD Figura 4.12 Configuración con EOM, modulando una señal en banda base La siguiente configuración, que claro es muy similar a las dos anteriores, tiene de nuevo un cambio respecto a la señal modulada que arroja la CS. Esto es que es transmitida por el EOM en una frecuencia en banda base. Entonces en el lado de las BS la señal modulada se recupera con el fotodetector y debe ser convertida a RF ya sea pasando por IF o directamente, y ya podrá ser transmitida a los móviles. En esta transmisión en banda base los efectos de la dispersión cromática ni siquiera se notan, pero la configuración en la BS es la más compleja pues al no existir una subportadora de frecuencia, no hay otra alternativa que recurrir a multicanalización por división de tiempo y por división de código. 118 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM PSTN, Internet u Modem de radio otra CS CS BS Enlace de bajada LD PD Señal RF Señal IF Enlace de subida PD EOM LD Figura 4.13 Configuración con modulación directa en banda base. Para este último caso de análisis, la señal modulada es generada por la CS en banda base o IF y es transmitida a las BSs realizando una modulación directa del láser. Después, en cada BS la señal modulada se recupera detectando la señal óptica modulada con el fotodetector, y es reconvertida a la banda RF, y así transmitida a los móviles. Esto es práctico para frecuencias relativamente bajas, digamos menores a 10 GHz [17]. Cuando se reduce la banda de frecuencia usada para generar la señal modulada, el ancho de banda requerido para ésta modulación óptica se reduce en gran manera. Esto puede llegar a ser importante cuando la tecnología llaga a ser combinada con multicanalización por división de longitud de onda densa (DWDM). Pero el hacer esto incrementa la cantidad de equipo en las BS por la necesidad de conversión a RF. Por otro lado al usar la transmisión con subportadora de RF, la configuración en las BSs se simplifica sólo cuando se utiliza un modulador óptico externo para ondas milimétricas como conversor eléctrico-óptico y del otro lado un fotodetector de alta frecuencia como conversor óptico-eléctrico. 119 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Aún sin revisar está el caso de la transmisión inversa, que será ya más fácil comprender. Ocurre que la señal de subida de un móvil hasta la CS desempeña el proceso en forma revertida. Digamos para la configuración en RF, la señal llega del móvil a su correspondiente BS y esta señal sin proceso alguno es amplificada y transmitida a la CS modulando una señal óptica de un láser usando el EOM. Para los demás casos se agrega el proceso de conversión a la banda de frecuencia en la que se encuentra su enlace y el envío con el EOM o para la última configuración modulando directamente el láser. 4.3.5 Comparación entre técnicas de generación y trasporte Tabla 4.1 Ventajas y desventajas de técnicas de generación y transporte Técnicas Ventajas Desventajas Heterodino Óptico Capacidad de modulación Fuente de luz complicada completa Libre de efectos de dispersión No necesita oscilador Modulación Externa Configuración simple Efecto de dispersión Usa láser DFB Alta pérdida por inserción Respuesta no lineal En altas frecuencias necesita de un EAM Conversión de Modulación directa en IF frecuencias hacia arriba y hacia abajo Usa oscilador de ondas milimétricas Libre de efectos dispersión de En altas frecuencias necesita un EAM 120 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Transreceptor Óptico Sirve como modulador y En fotodetector altas frecuencias necesita un EAM Para distribución usa WDM 4.4 Aplicación de RoF en el subsistema de estación base de GSM Como vimos en la Sección 2.4, el enlace entre las CS y BS en el sistema GSM se logra mediante la interfaz A-bis, la cual es un enlace de microondas dedicado entre la CS y BS, como se ve en la siguiente figura. A- bis Procesamiento para RF BS A- bis CS BS Procesamiento para RF Figura 4.14 Enlace tradicional entre BS y CS Lo que se propone en este estudio es en una primera parte sustituir esa interfaz por un enlace de fibra óptica entre las diversas BSs que controla una CS. 121 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Procesamiento para RF CS Procesamiento para RF Figura 4.15 Simple conexión vía fibra entre BS y CS Hasta este punto es indiferente para la BS el tener una u otra conexión física, pues las funciones que desempeña siguen siendo las mismas incluyendo la modulación, demodulación, asignación de canales, etc. Dejando claro que este cambio provoca la necesidad de distintos dispositivos para lograr el enlace óptico. De esta forma sería inútil realizar el trabajo y gasto para cambiar la interfaz. Pero si tomamos en cuenta los beneficios enormes que ofrece la comunicación óptica respecto al ancho de banda disponible y distancia en el enlace con pérdidas mínimas, por citar algunos, sería correcto pensar que se puede realizar un cambio a la configuración con el propósito de mejorar de algún modo el sistema. Como hemos visto, el avance de la tecnología óptica permite la posibilidad del envío de las señales por el medio incluso cuando su frecuencia sea alta y además ofreciendo un mayor ancho de banda. 122 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Con los dispositivos adecuados, existe la posibilidad de enviar señales de RF necesarias para el trabajo del sistema GSM, desde un punto central distribuyéndolas por la fibra óptica, resultando así que las BSs sean más simples, sin la necesidad de equipo para procesar la señal y de menor costo, ya que las únicas funciones a realizar serán la conversión óptico eléctrica y viceversa, y la transmisión-recepción de las señales hacia y desde las MSs. Procesamiento completo de la señal BS BS CS BS Figura 4.16 Enlace de fibra entre BS y CS con RoF Las configuraciones antes mencionadas pueden ser aplicables para dar soporte a la distribución del sistema celular GSM utilizando una gama de dispositivos ópticos de distintas características según las necesidades. Factores que intervienen al momento de escoger los dispositivos a utilizar son la cantidad de tráfico que será manejado, la distancia a la que se encuentra la BS de la CS y la fiabilidad requerida para el enlace. 123 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Ahora analizaremos los elementos que compondrían a la BS y la CS en cada configuración distinta. 4.4.1 Configuración con IM/DD Generador de microondas Datos de bajada Procesador de señales a) Modulador de microondas Señal a 1.9 GHz Láser DFB Fibra monomodo 9/125 nm Datos de subida Demodulador Señal a 1.9 GHz Fotodiodo PIN CS b) Fotodiodo PIN Señal a 1.9 GHz Láser DFB Señal a 1.9 GHz Fibra monomodo BS LNA LNA: Amplificador de bajo ruido Figura 4.17 Aplicación en configuración IM/DD con modulación directa a) CS y b) BS Para el uso de la configuración con IM-DD se observan en la Figura 4.17 los elementos que ocupa cada bloque. En la CS el tratamiento de la señal y el procesamiento se efectúan por un procesador de señales o etapa procesadora. Para los elementos correspondientes al enlace, en el caso de ser de bajada, se 124 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM propone el uso del láser DFB por las características que permiten modulación directa a altas velocidades. La corriente de éste será alimentada por la señal de datos modulada a la frecuencia de transmisión en RF. Entonces la señal es transmitida por fibra monomodo, que permitirá mayor alcance. La fibra podrá ser sustituida por tipo multimodo de índice gradual en caso de no ser distancias muy largas o no ocupar ningún tipo de multicanalización. En el enlace de subida la recepción será con un fotodiodo PIN, por las características de sensibilidad, y ya que en la BS se usa una fuente óptica, la señal llegará con la suficiente potencia. La traducción de señal óptica a eléctrica continuará en la RF de trabajo asignada, entonces será necesario demodularla y obtener la señal de datos. En el caso de la BS, que como sabemos su constitución debe ser muy sencilla para este tipo de configuración, contará con un fotodiodo PIN y un amplificador de potencia para el enlace de subida. Así se logra la conversión óptico-eléctrica y se le da la energía necesaria a la señal para poder ser radiada por la antena. Para el enlace de bajada se cuenta con un bloque de RF, este consta de filtro pasabanda que limitará la recepción a la banda asignada y un amplificador de bajo ruido (LNA) el cual limpiará la señal reduciendo el ruido del circuito y amplificando la señal. Éste debe estar ajustado de tal forma que no rebase los parámetros de entrada soportados por el diodo láser DFB conectado a él. Este último será modulado en intensidad luminosa por la corriente recibida y la enviará a la CS. Si dentro de la planeación con este tipo de configuración resulta muy costoso el uso del láser DFB, puede usarse otro tipo de menor costo y, claro, de menores capacidades. Si el láser colocado no puede trabajar a la capacidad de modulación será necesario el uso de un modulador externo. Para esta clase de diseño proponemos el uso del láser de Fabry-perot junto con un modulador MachZehnder. Este último incrementará en gran medida las capacidades de modulación llegando a ser incluso mayores que las logradas en el caso anterior. Sin embargo, 125 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM al usar un modulador externo existen pérdidas por acoplamiento. En la Figura 4.18 encontramos el diagrama de CS y BS. Generador de microondas Datos de bajada Modulador de microondas a) Señal a 1.9 GHz Procesador de señales Modulador MachZehnder Láser FabryPerot Datos de subida Demodulador Señal a 1.9 GHz Fibra monomodo 9/125 nm Fotodiodo PIN CS Fotodiodo PIN b) Señal a 1.9 GHz Fibra monomodo Modulador MachZehnder BS Señal a 1.9 GHz LNA Láser FabryPerot Figura 4.18 Aplicación en configuración IM/DD con modulación externa a) CS y b) BS Como se observa, los únicos elementos que cambian respecto a la configuración anterior son las fuentes transmisoras y la necesidad del modulador óptico. El modulador usado es el Mach-Zehnder, que llega a estar sobrado en capacidad ya que los 60 o más GHz que alcanza superan a los 1.9 GHz que utilizamos. Pensando en necesidades futuras y migraciones de tecnología su uso es bien justificado. 126 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM 4.4.2 Configuración con incremento y decremento de frecuencia Ahora veremos los elementos prácticos para usar un enlace en el que no se transmite precisamente a RF, pues la frecuencia de trabajo es reducida para el transporte. a) Generador IF Datos de bajada Modulador IF Modulador de electroabsorción Señal a IF Procesador de señales Fibra monomodo 9/125 nm VCSEL Datos de subida Demodulador IF Señal a IF Fotodiodo PIN CS Fotodiodo PIN Modulador RF Señal a IF Fibra monomodo Señal a RF b) Generador RF Modulador De electroabsorción Señal a IF Demodulador RF LNA VCSEL BS Figura 4.19 Aplicación en configuración con incremento y decremento de frecuencia a) CS y b) BS 127 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM En la CS se utilizará de forma primaria un modulador de ondas a una frecuencia intermedia para conversión de la señal de datos proveniente del procesador, por lo que para la transmisión óptica no será necesario el uso de una fuente muy poderosa. En este ejemplo se propone usar un láser VCSEL, ya que no es tan costoso como sus similares y cuenta con una transmisión bastante coherente. Además, con el uso de un modulador de electroabsorción externo podrá trabajar sin problemas a las velocidades requeridas, contando con que la frecuencia a la que se modulará no será muy grande. Para el enlace de bajada se repite el elemento común y más usado de detección (fotodiodo PIN) y un demodulador de IF para recuperar los datos en banda base. Por la parte de la BS, el enlace de bajada comienza con el receptor, (de nuevo el confiable fotodiodo PIN), la señal recuperada por éste se encontrará a la frecuencia de envío (IF) por lo que se necesitan los elementos para convertirla o subirla a la señal de transmisión de 1.9 GHz. Estos son un generador y modulador a tal frecuencia. Este generador servirá igual para el enlace de subida pues se logrará la operación contraria: bajar la frecuencia a la IF en uso. Se realiza con esta señal la conversión óptica usando, igual que en la CS un láser VCSEL y un modulador externo (EAM). Aunque en estas propuestas los mismos tipos de fuentes y moduladores son usados en ambos lados de la conexión, esto no es un requerimiento pues siempre que se cumplan con las características necesarias es posible usar cualquier tipo de elemento. Evitando en la medida el uso de conexiones innecesarias que incrementen las pérdidas. 128 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM 4.4.3 Configuración usando técnica heterodino remota. Como podemos observar en la Figura 4.20, ésta es la configuración más robusta en cuanto a equipo se refiere, pues se necesitan equipos similares tanto en la CS como en la BS, para el enlace óptico. En el caso del enlace de bajada la señal de datos entra en un modulador de electroabsorción, así modulándose con la señal de un diodo láser VCSEL, el cual presenta las características apropiadas de transmisión para esta configuración, que aunque no siendo el mejor láser cumple con lo requerimientos de potencia y ancho de haz y aún así no siendo tan costoso como los DFB. a) b) Figura 4.20 configuración de heterodino remoto aplicado a la a) CS y b)BS 129 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Una segunda fuente es utilizada (para poder realizar el heterodineado en el receptor), cuya señal se combinará con la de la primera fuente en un acoplador, y siendo transmitida en una fibra monomodo la cual asegura poca dispersión en el enlace. Ésta también puede ser sustituida por una fibra multimodo de índice gradual cuando la distancia no es considerable. Para el enlace de subida se cuenta con un fotodiodo APD el cual lleva a cabo la detección, esta por sus propiedades amplificadoras incrementará la potencia de la señal recibida. Aunque consume mayor energía es útil cuando existen enlaces muy largos donde la señal llegue con potencia óptica reducida. En la parte de la BS para el enlace de bajada se cuenta con el mismo equipo que en la CS, como lo hemos estado realizando usando equipos iguales en ambos lados del enlace. Sin embargo ya que aquí es necesario un amplificador de potencia eléctrica para el envió de la señal por la antena se puede evitar el fotodiodo APD y usar el tradicional PIN. En el enlace de subida se cuanta con el equipo idéntico que en CS. 4.4.4 Configuración usando transreceptor óptico Esta configuración es la más simple -en cuanto a equipo se refiere- en la estación base, ya que no necesita fuentes debido a que se utiliza este dispositivo transreceptor. En la CS se tienen dos fuentes láser DFB por que se necesita que la señal sea lo más coherente posible y que trabaje a velocidades más altas. Estas fuentes emitirán dos señales diferentes pero muy cercanas en longitud de onda, para poder realizar el enlace. Una de ellas será modulada por un modulador de electroabsorción el cual recibirá una señal de un generador de RF que llevará los datos, de esta forma se transmiten las dos señales sobre la fibra óptica mediante un combinador, llegando así a la BS en el transreceptor que, como se ha 130 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM mencionado anteriormente, convierte la primera señal al dominio eléctrico para poder transmitirla a la MS, mientras que la segunda señal es utilizada para regresar los datos de subida a la CS, al realizarse este proceso la segunda señal puede sufrir atenuaciones debido a muchos factores como es la distancia, el ruido etc., por lo que podemos utilizar un amplificador EDFA para contrarrestar estos efectos en el enlace y para que no haya pérdidas. Figura 4.21 configuración de las estaciones CS y BS con transreceptor óptico La señal al regresar a la CS (modulada con los datos) es detectada por un APD, el cual amplifica la señal si es que no se colocó el EDFA en el enlace, después es demodulada en RF hasta llegar al procesamiento de datos en banda base. 4.4.5 Uso de WDM con RoF Como es posible observar en la Figura 4.16, el enlace vía fibra desde una CS puede llegar a diversas BSs sin la necesidad de agregar fibra dedicada a cada BS. Para lograr esto y aprovechar la capacidad con la que se cuenta en el medio de transmisión es necesario usar sistemas de multicanalización. Para este efecto la tecnología más usada y desarrollada es la de WDM. 131 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM Las ventajas que provee al combinarse con RoF es simplificar la topología de la red asignando distintas longitudes de onda para BS individuales. Esto logra la posibilidad de actualizaciones de servicios y de la red más fácilmente y provee una administración más simple. El uso de WDM agrega un multicanalizador o multicanalizadores en la CS, además de los elementos que ya mencionamos, y en las BSs serán necesario filtros que retiren la longitud asignada a esa estación o el elemento multicanalizador de inserción y extracción (OADM). 1 2 3... BS 1 BS 2 EAT EAT OADM OADM N EDFA … λ 1 2 3... N OADM … EAT λ BS N : Portadora óptica CS : Bajada RF : Subida RF Figura 4.22 Arquitectura de RoF usando WDM En la Figura se observa de forma sencilla la idea de usar WDM para compartir el canal y conectar todas la BSs correspondientes a la CS. Por un lado la CS envía la señal multicanalizada que será repartida las veces correspondientes, donde el OADM en cada BS hará la función de aceptar la señal correspondiente con la longitud de onda requerida y rechazar el resto. Por otro lado, la CS recibirá las 132 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM señales enviadas por las BSs quienes se encargarán de adecuar la señal para enviarla a la longitud que tienen asignadas. Incluso de esta forma aunque llegue a sonar ya no tan simple la configuración, se reducen los equipos y costos de una red GSM, pues se aprovecha enormemente el medio físico disponible y se comparten aquellos elementos que parecieran muy costosos. 133 Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM 134 Conclusiones Del presente estudio podemos recuperar que la existencia de los sistemas de comunicación se provoca por la necesidad o deseo de intercambiar información entre personas o grupos. El que exista tan amplia diversidad de sistemas no es más que la lógica adaptación a las necesidades existentes y al surgimiento de nuevas, así como del nacimiento de tecnologías y métodos nuevos y mejores que sustituyen a los existentes. De la diferenciación realizada entre los sistemas guiados y no guiados podemos concluir que cada uno tiene sus ventajas propias. Respecto a estos últimos encontramos que son ideales para comunicaciones punto-multipunto pues el medio se comparte siendo este el aire y además garantizan la movilidad. El punto débil de los sistemas inalámbricos será el que el medio llega a ser saturado por todos aquellos que transmiten, lo que ocasiona tener una capacidad finita, la cual puede estar llegando a su tope a pesar de las técnicas desarrolladas para compartirlo. Como observamos, los medios guiados como son el par trenzado, cable coaxial y fibra óptica son los más utilizados dentro de las redes de voz, datos y video, debido a las características que presentan, además de su bajo costo comparado con algunos medios inalámbricos, que nos ayudan a elegir cuál es el más adecuado para el tipo de enlace que se desee realizar. Existen redes que emplean distintos tipos de cables en su estructura para obtener un mejor desempeño y rendimiento en la transmisión. De los medios guiados el que más destaca por su capacidad de transmisión, parámetros y manejabilidad es la fibra óptica. Presenta un gran ancho de banda y muy baja atenuación en distancias considerables, regularmente es implementada en conexiones troncales y transmisiones de larga distancia. 135 Destaca el hecho de poder transmitir a grandes distancias sin la necesidad de regeneración, la inmunidad electromagnética que presenta, el poder usar una misma fibra para transmitir distintas señales, utilizando cada una de éstas la disponibilidad del canal sin tener que asignar porciones de tiempo o frecuencia y la posibilidad de tener sistemas de comunicación todo óptico. Para sistemas de este tipo además de la fibra óptica son necesarios otros dispositivos como las fuentes luminosas, fotodetectores, amplificadores, acopladores e incluso multicanalizadores ópticos. El avance, mejoras e innovación en estos dispositivos es lo que ha permitido la introducción de los sistemas ópticos al manejo de señales de frecuencia alta, pues se ha reducido aquella limitante conocida como cuello de botella electrónico. Así se abrió la posibilidad de aplicación de sistemas de fibra óptica en entornos donde no se utilizaba como lo es este caso el sistema de radio de GSM. Donde el funcionamiento actual - basado en una conexión entre centrales y estaciones base por una interfaz de aire a microondas y efectuando el proceso de demodulación, asignación de canales y adecuación a la frecuencia requerida es eficiente hasta cierto punto y cubre con las necesidades de los usuarios, sin embargo puede ser mejorado. En cambio con la utilización de sistemas ópticos se propone el cambio de la arquitectura existente, logrando así una reducción en el equipo en las estaciones base y en los costos de instalación, manejo y mantenimiento de este sistema. Además con la previsión de dar abasto a la creciente demanda de ancho de banda para futuras generaciones de telefonía móvil. Dentro del tema fundamental del estudio, el de explicar el uso de sistemas ópticos para la transmisión de señales de RF dentro del subsistema de radio de GSM corroboramos de forma teórica, es decir con fundamentos bibliográficos que usar RoF llega a ser redituable y mejora el diseño existente del sistema. Las maneras en que se hace la mejora son, en primer lugar, que la fibra óptica proporciona mejor confiabilidad al sistema pues se tiene conocimiento del 136 medio de transmisión y en caso de fallo es fácil encontrar el punto a ser reparado; en segundo, y quizá el más importante, esta la reducción en el equipo necesario en la estación base y por lo tanto el consumo de energía y costos. El hecho de hacer hincapié en este punto es que cuando se incremente el número de móviles y tráfico de los mismos será necesario reducir el tamaño de las celdas, lo que significa elevar el número de BSs requeridas. Si éstas tienen el costo actual, será una inversión muy grande la que habrá de hacerse. En cambio con la arquitectura propuesta será posible realizar el crecimiento de BSs sin realizar inversiones tan considerables. Debido a la constante expansión geográfica de los sistemas celulares como GSM, ha surgido la necesidad de buscar nuevas rutas para poder realizar enlaces de radio entre BSs, esto se vuelve complicado ya que estos enlaces deben contar con línea de vista y debido a las irregularidades en el terreno, estos enlaces se pueden volver muy complejos, es decir, se necesitan varios repetidores para un enlace punto a punto, lo cual nos lleva a una mayor inversión. En cambio implementando la tecnología RoF, esta desventaja que presenta el sistema convencional, prácticamente desaparece. Pudimos reconocer que al llevar a cabo la arquitectura RoF se cuenta con un control centralizado el cual tiene sus ventajas, como el tener conocimiento de todo el sistema y realizar reparaciones sin tener que desplazarse a la locación remota. Sin embargo se llega a rechazar esta centralización pues por un lado puede ser muy complejo y excesivo el procesamiento requerido y por otro lado el que el encabezado de señalización necesario llega a ser muy grande. Este último realmente no es un problema, pues estos se encabezados se desechan al llegar a su BS destino y el espacio que ocupan dentro de las tramas de transmisión es insignificante comparado con la capacidad que se incrementa el sistema. Una última consideración que se tiene es que debido a ciertas limitaciones ópticas como la dispersión cromática las propiedades de la RF pueden llegar a ser pobres, para esto hay disponibles técnicas que 137 contrarresten estos efectos, como la del uso de fuentes más coherentes o fibras de dispersión compensada. 138 Bibliografía [1] Jardon Aguilar, Hideberto, Fundamentos de los sistemas modernos de comunicación, edit. 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