diseño de una red de transporte de telecomunicaciones para la
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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica DISEÑO DE UNA RED DE TRANSPORTE DE TELECOMUNICACIONES PARA LA COSTA OCCIDENTAL DEL LAGO DE MARACAIBO Por: Guillermo Andrés Rosero Carmona Sartenejas, Marzo de 2008 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica DISEÑO DE UNA RED DE TRANSPORTE DE TELECOMUNICACIONES PARA LA COSTA OCCIDENTAL DEL LAGO DE MARACAIBO Por: Guillermo Andrés Rosero Carmona Realizado con la asesoría de: Tutor Industrial: Ing. Rodolfo Remón Tutor Académico: Prof. Miguel Díaz INFORME DE CURSOS DE COOPERACIÓN TÉCNICA Y DESARROLLO SOCIAL Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico Sartenejas, Marzo de 2008 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica DISEÑO DE UNA RED DE TRANSPORTE DE TELECOMUNICACIONES PARA LA COSTA OCCIDENTAL DEL LAGO DE MARACAIBO Informe de Cursos de Cooperación Técnica y Desarrollo Social presentado por Guillermo Andrés Rosero Carmona 01-34406 Realizado con la asesoría del Ing. Rodolfo Remón y el Prof. Miguel Díaz RESUMEN En este Proyecto de Grado se diseñó una red de transporte de telecomunicaciones a través de fibra óptica para interconectar a la ciudad de Maracaibo con las poblaciones de La Villa del Rosario y de Machiques, en el estado Zulia, y poder brindar, en una primera etapa, servicios de transmisión de datos y televisión por suscripción, y en una segunda etapa, telefonía IP. Para lograr el diseño se realizó un estudio de la demanda de los servicios en estas zonas geográficas, se estudió el terreno y la ruta del tendido de fibra óptica, lo referente a la alimentación eléctrica del sistema, las diversas alternativas en cuanto a equipos, fibras ópticas y materiales comerciales, se realizó también el estudio de la disponibilidad de la red, se hizo un análisis de costos y un cronograma de ejecución de la obra. Se obtuvo un diseño de red de topología lineal utilizando fibra óptica monomodo G.652A y con tres nodos ópticos multiservicio escalables, con interfaces eléctricas y ópticas, FE y GbE. Este diseño será implementado en los próximos meses por la Corporación Multivisión en las zonas mencionadas. PALABRAS CLAVE: Multivisión, redes de transporte, fibra óptica, nodo óptico multiservicio, WDM, Ethernet, ATM, SONET/SDH. Aprobado con mención: _______ Postulado para el premio: _______ Sartenejas, Marzo de 2008 A Emilse y Guillermo, mis dos grandes pilares. AGRADECIMIENTOS Agradezco en primer lugar a Dios, por haberme dado la vida, la familia que tengo, la fe, la sabiduría y la fortaleza para afrontar cada uno de los retos que se me han presentado para alcanzar mis metas y por colocar en mi camino personas y situaciones valiosas que me han hecho crecer mucho como ser humano. A mi familia: Emilse, Guillermo y Yesenia, por su amor incondicional, por haberme infundado desde siempre los valores necesarios para la vida, por brindarme su apoyo en todos mis proyectos personales y por sus sabios consejos en los momentos en que más los necesitaba. A mi tutor industrial, el ingeniero Rodolfo Remón, por brindarme todo el apoyo que necesité durante la pasantía, por su confianza, por transmitirme muchos de sus conocimientos y experiencia, y por enseñarme, con el ejemplo, la importancia de ganarse el respeto y el cariño de las personas. A mi tutor académico, el profesor Miguel Díaz, por aceptarme como pasante, por su paciencia, sus valiosas ayudas, su visita hasta el Zulia y su disposición a ayudarme en todo momento. A mis amigos: William, Marvin, Andrea, Sara, Eduardo, Pablo y Carlos, por brindarme su amistad, su confianza, su buen humor, su ayuda y su apoyo durante gran parte de mi carrera. A los amigos de Multivisión, Harry, Norman, Antonio, Joel, Franklin, Jairo, Astrid, Karina, Jeny, Jorge, Leonardo, Enrique, Oswaldo Silva, Oswaldo Montilla, Isaac, Franklin Escorcia, María Eugenia, Steven, Daniel, Nailin, Leidy, Alfonso y muchos otros amigos y amigas de la gran familia Multivisión, que con su amistad, hospitalidad, simpatía y conocimientos, hicieron de mi pasantía una experiencia muy enriquecedora y agradable. A mi compañero Néstor, por estar siempre pendiente y dispuesto a colaborar con la realización de este libro y a Reinaldo, Laura y Caren por sus aportes para este informe. A Vanessa por ser tan especial conmigo, por su apoyo y por estar siempre pendiente del avance y culminación de este libro. A mi alma mater, la Universidad Simón Bolívar por ampliar mi visión del mundo, permitirme descubrir nuevos horizontes, hacerme un profesional de alto nivel y permitirme formar parte de la excelencia. A todos mis familiares y a los que de algún modo colaboraron con mi carrera, con mi etapa de pasantía y con la elaboración de este informe. A todos, muchísimas gracias. i ÍNDICE GENERAL ÍNDICE GENERAL ...........................................................................................................................i ÍNDICE DE TABLAS ......................................................................................................................iv ÍNDICE DE FIGURAS Y GRÁFICAS ............................................................................................ v LISTA DE ABREVIATURAS........................................................................................................vii CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 1 1.1 Introducción ................................................................................................................................. 2 1.2 La Empresa: Corporación Multivisión C.A................................................................................. 3 1.2.1 Reseña Histórica ................................................................................................................... 3 1.2.2 Estructura Organizativa ........................................................................................................ 6 1.2.3 Dirección Técnica ................................................................................................................. 6 1.3 Descripción de los capítulos ........................................................................................................ 7 1.4 Objetivos del Proyecto ................................................................................................................ 8 1.4.1 Objetivo General ................................................................................................................... 8 1.4.2 Objetivos Específicos ........................................................................................................... 8 CAPÍTULO 2 FUNDAMENTO TEÓRICO ............................................................................... 11 2.1 Redes de Transporte .................................................................................................................. 11 2.1.1 Generalidades de las redes .................................................................................................. 11 2.1.2 ¿Qué es una red de transporte? ........................................................................................... 15 2.1.3 Topologías .......................................................................................................................... 16 2.1.4 Etapas de una red de transporte para sistemas de distribución de TV por suscripción (estructura) ............................................................................................................................. 20 2.1.5 Dispositivos y componentes en una red de transporte ........................................................ 20 2.2 Tecnologías y protocolos de transmisión .................................................................................. 25 2.2.1 Ethernet ............................................................................................................................... 25 2.2.2 ATM.................................................................................................................................... 39 2.2.3 PDH .................................................................................................................................... 42 2.2.4 SONET/SDH ...................................................................................................................... 43 ii 2.3 Fibra óptica ................................................................................................................................ 46 2.3.1 Definición ........................................................................................................................... 47 2.3.2 Tipos de fibra óptica ........................................................................................................... 51 2.3.3 Algunas características de la fibra óptica ........................................................................... 54 2.3.3.1 Atenuación ................................................................................................................... 54 2.3.3.2 Pico de Agua................................................................................................................ 55 2.3.3.3 Dispersión .................................................................................................................... 55 2.3.4 Tipos de láseres ................................................................................................................... 58 2.3.5 Fuentes de ruido en un enlace de fibra óptica ..................................................................... 61 2.3.5.1 Ruido de intensidad relativa ........................................................................................ 62 2.3.5.2 Ruido de la fibra .......................................................................................................... 62 2.3.5.3 Ruido de modo de partición ........................................................................................ 62 2.3.5.4 Emisiones espurias ...................................................................................................... 63 2.3.5.5 Ruido de intensidad interferométrica .......................................................................... 64 2.3.5.6 Ruidos en el detector ................................................................................................... 65 2.4 Multiplexación por longitud de onda ........................................................................................ 65 2.4.1 Definición ........................................................................................................................... 66 2.4.2 Tipos ................................................................................................................................... 66 2.4.3 Propiedades ......................................................................................................................... 67 2.5 Redes de acceso ......................................................................................................................... 68 2.5.1 Definición ........................................................................................................................... 69 2.5.2 Modalidades de acceso ....................................................................................................... 69 2.5.3 Ruta de retorno.................................................................................................................... 75 2.6 Triple play ................................................................................................................................. 75 2.7 Voz sobre IP .............................................................................................................................. 76 2.8 Sistema GPS .............................................................................................................................. 78 CAPÍTULO 3 ESTUDIOS PREVIOS AL DISEÑO .................................................................. 83 3.1 Análisis de la demanda .............................................................................................................. 82 3.2 Encaminamiento del tendido de fibra óptica ............................................................................. 85 iii 3.3 Planimetría y representación cartográfica ................................................................................. 89 CAPÍTULO 4 ANÁLISIS Y DISEÑO ......................................................................................... 93 4.1 Selección de la arquitectura (topología) .................................................................................... 93 4.2 Análisis de alternativas de nodos ópticos multiservicio ............................................................ 95 4.2.1 Consideraciones de distancias y amplificación .................................................................. 96 4.2.2 Presupuesto de Potencia Óptica .......................................................................................... 96 4.2.3 Análisis de equipos ............................................................................................................. 99 4.3 Selección de la fibra óptica...................................................................................................... 101 4.4 Análisis de alternativas de sistemas de alimentación .............................................................. 103 4.5 Disponibilidad y calidad de servicio ....................................................................................... 106 4.5.1 Disponibilidad ................................................................................................................... 106 4.5.2 Calidad de Servicio ........................................................................................................... 107 4.6 Análisis de costos .................................................................................................................... 108 4.7 Cronograma de ejecución ........................................................................................................ 110 CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................... 113 5.1 Conclusiones............................................................................................................................ 114 5.2 Recomendaciones .................................................................................................................... 116 Bibliografía .............................................................................................................................. 118 iv ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1. Índices de refracción y velocidad de la luz en algunos materiales. .......................... 48 Tabla 3.1. Detalle del ancho de banda necesario para servicios de TV digital ......................... 83 Tabla 3.2. Detalle de servicios, empresas interesadas y anchos de banda por cliente. ............. 83 Tabla 3.3. Resumen de la demanda de ancho de banda organizada en servicios y regiones. ... 84 Tabla 3.4. Demanda total de ancho de banda en la región estudiada. ....................................... 84 Tabla 3.4. Fragmento del formato con el detalle de los postes entre La Villa del Rosario y Maracaibo. ................................................................................................................................. 88 Tabla 4.1. Coordenadas geográficas de cada población de interés. .......................................... 94 Tabla 4.2. Presupuesto de Potencia. Operación en 1310 nm. Tramo Machiques - La Villa del Rosario ....................................................................................................................................... 97 Tabla 4.3. Presupuesto de Potencia. Operación en 1550 nm. Tramo Machiques - La Villa del Rosario ....................................................................................................................................... 97 Tabla 4.4. Presupuesto de Potencia. Operación en 1310 nm. Tramo La Villa del Rosario Maracaibo .................................................................................................................................. 97 Tabla 4.5. Presupuesto de Potencia. Operación en 1550 nm. Tramo La Villa del Rosario – Maracaibo .................................................................................................................................. 98 Tabla 4.6. Presupuesto de Potencia. Operación en 1310 nm. Trayecto completo (MachiquesLa Villa del Rosario-Maracaibo) ............................................................................................... 98 Tabla 4.7. Presupuesto de Potencia. Operación en 1550 nm. Trayecto completo (MachiquesLa Villa del Rosario-Maracaibo) ............................................................................................... 98 Tabla 4.8. Características más resaltantes de los nodos ópticos multiservicio.......................... 99 Tabla 4.9. Características más resaltantes de los sistemas UPS. ............................................. 105 Tabla 4.10. Costos de los equipos y sistemas que serán utilizados en el proyecto. ................ 109 Tabla 4.11. Costos de los elementos y materiales que serán utilizados en el proyecto........... 109 Tabla 4.12. Costos de mano de obra del proyecto. .................................................................. 109 Tabla 4.13. Otros costos del proyecto. .................................................................................... 109 Tabla 4.14. Costo de producción total del proyecto. ............................................................... 110 v ÍNDICE DE FIGURAS Y GRÁFICAS Figura 1.1. Organigrama de la Corporación Multivisión............................................................... 6 Figura 1.2. Organigrama de la Gerencia de Desarrollo. ................................................................ 7 Figura 2.1. Comparación de las arquitecturas OSI y TCP/IP ...................................................... 15 Figura 2.2. Topología Punto-a-Punto .......................................................................................... 16 Figura 2.3. Topología lineal ......................................................................................................... 16 Figura 2.4. Topología de bus. ...................................................................................................... 17 Figura 2.5. Topología de anillo. ................................................................................................... 17 Figura 2.6. Topología de estrella. ................................................................................................ 18 Figura 2.7. Dos topologías de malla posibles. ............................................................................. 18 Figura 2.8. Topología totalmente conexa. ................................................................................... 18 Figura 2.9. Topología de árbol..................................................................................................... 19 Figura 2.10. Un ejemplo de topología mixta. .............................................................................. 19 Figura 2.11. Nodos Ópticos Multiservicio comerciales. ............................................................. 21 Figura 2.12. Transmisión a ráfagas de paquetes pequeños. ......................................................... 32 Figura 2.13. Formato de trama de los estándares Ethernet. ......................................................... 33 Figura 2.14. Circuitos virtuales (VC) transportados sobre el mismo camino.............................. 41 Figura 2.15. a. Trama STS-1 de SONET. b. Trama STM-1 de SDH .......................................... 44 Figura 2.16. Reflexión y refracción. ............................................................................................ 49 Figura 2.17. Reflexión total. ........................................................................................................ 49 Figura 2.18. Estructura de una fibra óptica. ................................................................................. 50 Figura 2.19. Modos guiados dentro de una fibra óptica. ............................................................. 51 Figura 2.20. Tipos de fibra óptica. ............................................................................................... 52 Figura 2.21. Cono de aceptación ................................................................................................. 53 Figura 2.22. Pérdidas de potencia en la fibra óptica en función de la longitud de onda ............. 55 Figura 2.23. Dispersión cromática vs. Longitud de onda ............................................................ 57 Figura 2.24. Onda polarizada circularmente. Las líneas rojas representan al campo eléctrico y las verdes al campo magnético, siendo las flechas, los vectores resultantes. ........................ 57 Figura 2.25. Diagrama esquemático de un láser. ......................................................................... 59 vi Figura 2.26. Características del láser semiconductor. ................................................................. 60 Figura 2.27. Láser de realimentación distribuida. a. Estructura del láser. b. Salida del láser ..... 61 Figura 3.1. Crecimiento sostenido de la demanda con un incremento interanual del 42%. ........ 85 Figura 3.2. Posición de la fibra óptica en un poste. ..................................................................... 86 Figura 3.3. Vista desde arriba de un poste que no se puede utilizar. ........................................... 87 Figura 3.4. Mapa completo del recorrido de la fibra óptica entre La Villa del Rosario y Maracaibo. ............................................................................................................................. 91 Figura 4.1. (a) Estado Zulia completo. (b) Fragmento de la región de estudio. ......................... 93 Figura 4.2. Diagrama de la red de transporte de la Corporación Multivisión. ............................ 95 Figura 4.3. Diagrama simplificado de un UPS en línea de doble conversión con carga. .......... 104 Figura 4.4. Cronograma de ejecución de la implementación de la obra. ................................... 112 vii LISTA DE ABREVIATURAS AAL ATM Adaptation Layer / Capa de Adaptación de ATM AC Alternate Current / Corriente Alterna ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line / Línea Digital Asimétrica del Suscriptor AMPS Advanced Mobile Phone System / Sistema Telefónico Móvil Avanzado ANSI American National Standards Institute / Instituto Nacional Estadounidense de Estándares ATM Asynchronous Transfer Mode / Modo de Transferencia Asíncrona B-ICI Broadband Interexchange Carrier Interconnect / Interconexión por Intercambio de Portadora de Banda Ancha C/N Carrier to Noise / Relación Portadora a Ruido CATV Community Antenna TV / Televisión por Antena Comunitaria CCTV Closed Circuit TV / Circuito Cerrado de Televisión CDMA Code Division Multiple Access / Acceso Múltiple por División de Código CMTS Cable Modem Termination System / Sistema Terminal de Cable-Modems CRC Cyclical Redundancy Checking / Chequeo por Redundancia Cíclica CSMA/CD Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detect / Detección de Portadora con Acceso Múltiple y Detección de Colisiones CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing / Multiplexación Gruesa por División de Longitud de Onda dB Decibelio DC Direct Current / Corriente Directa (o Continua) DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications / Telecomunicaciones Inalámbricas Mejoradas Digitalmente DFB Distributed Feedback / Realimentación Distribuida DLC Digital Loop Concentrator / Concentrador de Lazo Digital DOCSIS Data Over Cable Service Interface Specification / Especificación de Interfaz sobre Servicios de Datos por Cable DSAP Destination Service Access Point / Punto de Acceso al Servicio de Destino DSL Digital Subscriber Line / Línea Digital del Suscriptor DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing / Multiplexación Densa por División de Longitud de Onda DXF Data Exchange Format / Formato de Intercambio de Datos EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier / Amplificador de Fibra Dopado con Erbio EIA Electronic Industries Alliance / Alianza de Industrias de Electrónica FC Fibre Channel / Canal de Fibra FDDI Fiber Distributed Data Interface / Interfaz de Distribución de Datos a través de Fibra FE Fast Ethernet / Ethernet Rápido FP Fabry-Perot viii FTTB Fiber to the Building / Fibra hasta el edificio FTTC Fiber to the curb / Fibra hasta la acera Gbps Gigabit per second / Gigabit por segundo GHz Giga Hertz / Mil millones de Hertz GMII Gigabit Media Independent Interface / Interfaz Gigabit Independiente del Medio GNIC Gigabit Ethernet Network Interface / Tarjetas Gigabit Ethernet de Interfaz con la Red GNSS Global Navigation Satellite System / Sistema Global de Navegación por Satélite GPRS General Packet Radio Service / Servicio de Radio para la transmisión de Paquetes en General GPS Global Positioning System / Sistema de Posicionamiento Global GSM Global System for Mobile Communications / Sistema Global para Comunicaciones Móviles HFC Hybrid Fibre Coaxial / Híbrido de Fibra y Coaxial HTTP Hypertext Transfer Protocol / Protocolo de Transferencia de Hipertexto IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers / Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos INN Interferometric Intensity Noise / Ruido de Intensidad Interferométrica IP Internet Protocol / Protocolo de Internet IPG Inter-Packet Gap / Espacio entre Paquetes IPX Internetwork Packet Exchange / Intercambio de Paquetes entre Redes ITU International Telecommunication Union / Unión Internacional de Telecomunicaciones kbps Kilobits per second / Kilobits por segundo LAN Local Area Network / Red de Área Local LANE LAN Emulation / Emulación de LAN LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation / Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación LED Light Emmiting Diode / Diodo Emisor de Luz LLC Link Layer Control / Control de la Capa de Enlace LMDS Local Multipoint Distribution System / Sistema de Distribución Local Multipunto MAC Medium Access Control / Control de Acceso al Medio MAN Metropolitan Area Network / Red de Área Metropolitana Mbps Megabits per second / Megabits por Segundo MHz Mega Hertz / Un millón de Hertz MIC Message Integrity Check / Chequeo de Integridad de Mensaje MII Medium Independent Interface / Interfaz de Medio Independiente MPN Mode Partition Noise / Ruido por Modo de Partición MTTF Mean Time to Failure / Tiempo medio hasta la falla MTTR Mean Time to Repair / Tiempo medio de reparación NF Noise Figure / Figura de Ruido NIC Network Interface Card / Tarjeta de Interfaz con la Red ix nm nanómetro NNI Network to Network Interface / Interfaz Red a Red NOC Network Operations Center / Centro de Operaciones de la Red NOC Network Operations Center / Centro de Operaciones de la Red NOM Nodo Óptico Multiservicio OMI Optical Modulation Index / Índice de Modulación Óptica OSI Open System Interconnection / Interconexión de Sistemas Abiertos OTDR Optical Time Domain Reflectometer / Reflectómetro Óptico en el Dominio del Tiempo PCS Physical Coding Sublayer / Subcapa Física de Codificación PDH Plesiochronous Digital Hierarchy / Jerarquía Digital Plesiócrona PLC Power Line Communications / Comunicaciones a través de la Línea Eléctrica PMA Physical Medium Attachment / Acoplamiento Físico al Medio PMD Physical Medium Dependent / Dependencia Física del Medio PMD Polarization Mode Dispersion / Dispersión por Modo de Polarización PON Passive Optical Network / Red Óptica Pasiva PPV Pay per View / Pago por Visión ps picosegundo PSTN Public Switched Telephone Network / Red Telefónica Pública Conmutada QoS Quality of Service / Calidad de Servicio RDSI Red Digital de Servicios Integrados RF Radio Frecuency / Radio Frecuencia RIN Relative Intensity Noise / Ruido de Intensidad Relativa RMS Root Mean Square / Raíz Media Cuadrática RS Reconciliation Sublayer / Subcapa de Reconciliación SDH Synchronous Digital Hierarchy / Jerarquía Digital Síncrona SDV Switched Digital Video / Video Digital Conmutado SLA Service Level Agreement / Acuerdo de Nivel de Servicio SNAP Subnetwork Access Protocol / Protocolo de Acceso a la Subred SOA Semiconductor Optical Amplifier / Amplificadores Ópticos de Semiconductor SONET Synchronous Optical Network / Red Óptica Síncrona SSAP Source Service Access Point / Punto de Acceso al Servicio de Fuente STM-1 Synchronous Transport Module level – 1 / Módulo de Transporte Síncrono de Nivel 1 STP Shielded Twisted Pair / Par Trenzado Apantallado STS-1 Synchronous Transport Signal – 1 / Señal de Transporte Síncrono de Nivel 1 STS-3c Synchronous Transport Signal – 3, concatenated / Señal de Transporte Síncrono de Nivel 3, concatenada TCP Transmission Control Protocol / Protocolo de Control de Transmisión x TDM Time-Division Multiplexing / Multiplexación por División de Tiempo TDMA Time Division Multiple Access / Accesso Múltiple por División de Tiempo TIA Telecommunication Industries Association / Asociación de Industrias de Telecomunicación UBR Universal Broadband Router / Encaminador Universal de Banda Ancha UDP User Datagram Protocol / Protocolo de Datagrama de Usuario UMTS Universal Mobile Telecommunications System / Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles UNI User to Network Interface / Interfaz Usuario a Red UPS Uninterruptible Power Supply / Fuentes de Poder Ininterrumpidas UTP Unshielded Twisted Pair / Par Trenzado sin Apantallar VC Virtual Channel / Canal Virtual VCI Virtual Channel Identifier / Identificador de Canal Virtual VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Lasers / Transmisores Láser con Superficie de la Cavidad Vertical VOD Video On Demand / Video bajo Demanda VoIP Voice over IP / Voz sobre IP VP Virtual Path / Camino Virtual VPI Virtual Path Identifier / Identificador de Camino Virtual VPN Virtual Private Network / Red Privada Virtual WAN Wide Area Network / Red de Área Extensa WDM Wavelength Division Multiplexing / Multiplexación por División de Longitud de Onda Wi-Fi Wireless Fidelity / Fidelidad Inalámbrica WLAN Wireless Local Area Network / Red Inalámbrica de Área Local WLL Wireless Local Loop / Bucle Local Inalámbrico WWDM Wide Wavelength Division Multiplexing / Multiplexación Amplia por División de Longitud de Onda CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 2 1.1 Introducción Durante la última década se ha visto cómo una gran cantidad de servicios de telecomunicaciones que antes eran exclusivos, ahora se han ido masificando. Desde el punto de vista tecnológico, esto se puede atribuir a tres factores fundamentales: 1. El desarrollo de la tecnología de la conmutación de paquetes, que aunque ya era aplicada en el campo de la informática, desde hace cierto tiempo ha comenzado a aportar importantes beneficios en su aplicación al mundo de las telecomunicaciones. 2. La implantación de nuevas tecnologías de transmisión óptica (como la Multiplexación por División de Longitud de Onda), que permiten la transmisión de grandes cantidades de información de forma muy barata y fiable. 3. La aparición de alternativas de acceso vía radio, como sucede con la telefonía celular que proporcionan soluciones innovadoras en servicios (al agregar movilidad) y en la gestión del negocio (al poder realizarse en condiciones de gastos variables). Otro factor que hay que tener en cuenta es el crecimiento sostenido de Internet el cual se ha estado convirtiendo en una fuente vital de información y que justifica, en gran parte por sí misma, el desarrollo de nuevas redes y mercados. A principios de la década de los años 90, cuando el Internet empezó a hacerse popular, prácticamente sólo se empleaba en el ámbito de la investigación y la educación. Actualmente su uso está sobradamente generalizado en el ámbito empresarial, social y residencial, hasta el punto de que esta generalización se ha convertido en el principal impulso para que, al día de hoy, el volumen del tráfico de datos haya sobrepasado al del tráfico de voz en las redes de muchos operadores. El gran incremento de la demanda de ancho de banda por parte de los usuarios implica que los operadores necesiten nuevos medios para satisfacerla. La consecuencia de esto es el surgimiento de nuevas redes de transporte y de acceso, así como de técnicas de conmutación basadas en el medio de transmisión que mayor velocidad soporta hasta ahora: la fibra óptica. Es por esto que la Corporación Multivisión, concibe este proyecto que consiste en diseñar una red de transporte de servicios de telecomunicaciones, a través de fibra óptica, para la costa occidental del Lago de Maracaibo, en el Estado Zulia. Se ha propuesto desarrollar esta 3 plataforma inicialmente en los Municipios Machiques de Perijá, Rosario de Perijá y Maracaibo, para ser extendidos posteriormente a otros municipios del estado, considerando las deficiencias de los servicios de telecomunicaciones en esta región y la presencia operativa de Multivisión en la misma. Todo ello, en el marco del replanteamiento de las telecomunicaciones, donde la visión social prevalece para la prestación de los servicios y procurándose que el desarrollo del sector se dirija hacia áreas donde existen deficiencias o no existen dichos servicios, logrando así la integridad nacional, la reducción de la desigualdad del acceso de la población a los servicios de telecomunicaciones y la posibilidad de brindar estándares mínimos de penetración, acceso, calidad y asequibilidad económica independientemente de la ubicación geográfica y del nivel socio-económico de sus habitantes. 1.2 La Empresa: Corporación Multivisión C.A. Multivisión es una empresa operadora de múltiples servicios de comunicación por cable, que brinda soluciones de comunicaciones, información y entretenimiento a las familias Venezolanas. La misión de Multivisión es prestar un servicio de televisión y comunicación vía cable de una gran calidad y disponibilidad, para satisfacer las exigencias y expectativas de nuestra clientela, atendiendo sus necesidades de entretenimiento, información, comunicación y publicidad, mediante la utilización de una infraestructura tecnológica adecuada, una programación balanceada y una eficiente organización empresarial. La visión de la corporación es consolidar una empresa altamente competitiva que responda a las exigencias internacionales y actualizada en las diferentes áreas de los servicios de telecomunicaciones vía cable, en función de una clientela plenamente satisfecha. 1.2.1 Reseña Histórica Multivisión, creada con capital local, inició sus operaciones en 1997, año en el cual comienza a desplegar su red de cable coaxial, para ofrecer servicios de televisión por 4 suscripción en La Villa del Rosario, Estado Zulia; desde sus comienzos hasta la actualidad Multivisión mantiene su misma premisa: "Satisfacer al cliente es nuestra máxima prioridad". Tras obtener la habilitación administrativa para operar en varios pueblos aledaños, Multivisión comienza a explotar todo su potencial gerencial que hoy en día la define como una empresa de constante crecimiento en el mercado regional. En 1997: • Comienza a desarrollar su infraestructura en todo el Municipio de La Villa del Rosario, Estado Zulia. • Realiza una alianza estratégica con una empresa cableoperadora local en La Villa del Rosario. • Afianza su presencia en La Villa del Rosario. En 1998: • Comienza a gestionar la compra de un pequeño cableoperador en el Municipio La Cañada de Urdaneta. • Amplía la red instalada en La Villa del Rosario, llegando hasta un pequeño poblado llamado Puentecitos. En 1999: • Completa la compra del cableoperador en La Cañada de Urdaneta y amplía su mercado. • Supera los 20000 hogares suscritos. • Mejora la infraestructura de la red en La Cañada de Urdaneta. En 2000: • Adquiere un cableoperador en el Municipio La Concepción. • Los ingresos de Multivisión, crecen en un 60%. • Alcanza los 30000 hogares suscritos. • Afianza su presencia en La Cañada de Urdaneta. • Adquiere un cableopearador en San José de Perijá en el mes de Noviembre. • Lanza al mercado el Plan Básico en La Villa del Rosario para clientes con menor poder adquisitivo. 5 En 2001: • Inaugura una moderna sede en La Concepción. • Simplifica su estructura administrativa para reforzar su operatividad. • Lanza al mercado el Plan Morocho. • Supera los 35000 hogares suscritos. • Comienza negociaciones con un cableoperador en Machiques. En 2002: • Hace una importante inversión para mejorar la infraestructura de la sede de San José de Perijá. • Logra un acuerdo con el cableoperador de Machiques de Perijá y coordinan fusionarse. • Supera los 45000 hogares suscritos. • Lanza canal adulto codificado en todas sus sucursales. En 2003: • Completa la adecuación de sus redes en Machiques. • Consolida una empresa altamente productiva. • Incrementa su cartera de abonados en más de un 30%, con nuevas promociones lanzadas al mercado. En 2004: • Obtiene créditos importantes con la banca para financiar su plan de negocios. • Obtiene respaldo de proveedores internacionales para reforzar su operatividad. • Supera los 50000 hogares suscritos y se consolida como una empresa en constante crecimiento y a la vanguardia tecnológica. En 2005: • Adecúa sus redes para prepararse a ofrecer Internet Banda Ancha, manteniéndose a la vanguardia tecnológica. • Firma un contrato con la empresa IFX, con lo que logra una alianza estratégica y adquiere la capacidad de ofrecer una gama de servicios integrados de telecomunicaciones a todos sus abonados. En 2006: • Comienza a prestar servicios de Internet Banda Ancha. 6 • Logra interconectar a Machiques con San José a través de fibra óptica. • Multivisión supera los 60000 hogares suscritos. 1.2.2 Estructura Organizativa La estructura organizativa de Multivisión se presenta en forma departamental funcional. En la figura 1.1 se aprecia el organigrama de la empresa. Figura 1.1. Organigrama de la Corporación Multivisión. 1.2.3 Dirección Técnica En la figura 1.1 se observa que la Dirección Técnica tiene a su cargo tres gerencias: la de Desarrollo, la de Operaciones y la de Sistemas e Internet. El proyecto presentado en este informe se desarrolla bajo la Gerencia de Desarrollo, la cual se organiza como se muestra en el organigrama de la figura 1.2. Esta Gerencia tiene a su cargo la Coordinación de Construcción 7 y la Coordinación de Ingeniería. Esta última se encarga de todo lo referente a diseños de Ingeniería y a la Inspección y Control de Calidad de las obras que ya han sido implementadas. Figura 1.2. Organigrama de la Gerencia de Desarrollo. 1.3 Descripción de los capítulos En el capítulo 2 del libro se plasma todo el fundamento teórico en el que basó el diseño de la red. Comienza tratando las redes de transporte, pasa a explicar las tecnologías existentes para transmisión de datos, hace un tratamiento completo de los detalles más importantes sobre fibra óptica considerando las limitaciones de este medio, luego se habla de las técnicas de Multiplexación por División de Longitud de Onda, para cerrar con otros temas de interés para el diseño como las redes de acceso, el servicio Triple Play, la voz sobre IP y el sistema GPS, ya que éste se utilizó ampliamente para las representaciones cartográficas del tendido de fibra óptica. En el capítulo 3 se tocan temas que deben ser conocidos antes de comenzar a tomar decisiones de ingeniería. Estos temas son: análisis de la demanda de servicios en las zonas geográficas estudiadas, encaminamiento del tendido de fibra óptica y la planimetría y representación cartográfica del recorrido de dicho tendido. 8 El capítulo 4 plantea los análisis y el diseño en cuanto a arquitectura de la red, nodos ópticos multiservicio, alternativas de fibra óptica, de sistemas de alimentación y respaldo, disponibilidad de la red, calidad de servicio y el cronograma de ejecución de la obra. El capítulo 5 cierra con las conclusiones y recomendaciones del diseño. 1.4 Objetivos del Proyecto 1.4.1 Objetivo General - Diseñar una red de transporte de servicios de telecomunicaciones de alta velocidad (voz, datos y video) a través de fibra óptica entre el Centro de Operaciones de Red (ubicado en la ciudad de Maracaibo) y las ciudades de Villa del Rosario y Machiques. 1.4.2 Objetivos Específicos - Hacer el levantamiento cartográfico de campo a fin de determinar la arquitectura y el detalle del tendido de fibra óptica, entre las poblaciones de Machiques, La Villa del Rosario y Maracaibo. - Hacer un estudio de la demanda de los servicios a fin de dimensionar la red de modo eficiente. - Estudiar las diferentes alternativas tecnológicas tanto de protocolos y esquemas de transmisión, como de Multiplexación por División de Longitud de Onda, para seleccionar la más apropiada. - Analizar las alternativas que se tienen en cuanto a sistemas de alimentación y protección de energía eléctrica. - Seleccionar las marcas y modelos de todos los componentes del proyecto, desde la fibra óptica y todos los elementos necesarios para su tendido, hasta los equipos de los nodos y sistemas de alimentación. - Analizar los costos de la implementación de la red. 9 - Realizar los cálculos de disponibilidad de servicio del sistema. - Realizar un cronograma de ejecución de la obra. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTO TEÓRICO 11 2.1 Redes de Transporte 2.1.1 Generalidades de las redes Para reducir la complejidad de diseño, la mayoría de las redes están organizadas o modeladas como una pila de capas o niveles. La cantidad de capas, el nombre de cada capa, su contenido y la función de cada una, difieren de una red a otra. El objetivo de cada capa es ofrecer ciertos servicios a las capas superiores, aislando aquellas capas de los detalles de cómo son realmente implementados los servicios ofrecidos. En esencia, cada capa es una especie de máquina virtual que ofrece servicios a la capa superior a ella. Este concepto es bastante familiar y ampliamente usado en las ciencias de la computación, donde se conoce como ocultamiento de información, tipos de datos abstractos, encapsulamiento de datos y programación orientada a objetos. La idea fundamental es que un trozo particular de software (o hardware) provee un servicio a sus usuarios pero mantiene ocultos los detalles de su estado interno y algoritmos. La capa n de una máquina mantiene una conversación con la capa n de otra máquina. Estas reglas y convenciones usadas en esta conversación son conocidas como el protocolo de la capa n. Un protocolo es, básicamente, un acuerdo entre las partes que se comunican sobre cómo se debe proceder en dicha comunicación. En realidad, los datos no se transfieren directamente de la capa n de una máquina a la capa n de la otra máquina. En lugar de ello, cada capa pasa los datos y la información de control a la capa inmediata inferior hasta que se alcanza la capa más baja. Por debajo de la capa 1 está el medio físico que es a través del cual ocurre la comunicación real. Entre cada par de capas adyacentes hay una interfaz. La interfaz define cuáles son los servicios y operaciones primitivas que las capas inferiores ponen a disponibilidad de las superiores. A un conjunto de capas y protocolos se le llama arquitectura de red. La especificación de una arquitectura debe contener suficiente información para permitir al que la implementa, 12 escribir el programa o construir el hardware para cada capa asegurando que obedecerá correctamente al protocolo apropiado. Ni los detalles de la implementación ni la especificación de las interfaces es parte de la arquitectura porque éstas se encuentran escondidas dentro de la máquina y no son visibles desde el exterior. Incluso no es necesario que las interfaces en todas las máquinas dentro de una red sean las mismas, dado que cada máquina puede usar correctamente todos los protocolos. A una lista de protocolos usados por cierto sistema (un protocolo por capa) se le llama pila de protocolos. Dos arquitecturas de red muy importantes son el modelo de referencia OSI y el modelo de referencia TCP/IP. Aunque los protocolos asociados con el modelo OSI son escasamente usados, el modelo en sí es bastante general, aún goza de validez y los rasgos discutidos en cada capa mantienen su importancia. El modelo TCP/IP tiene las propiedades contrarias: el modelo en sí no es muy usado pero los protocolos son ampliamente utilizados. El modelo OSI tiene siete capas. Los principios aplicados para llegar a las siete capas se pueden resumir de la siguiente manera: 1. Una capa debe ser creada donde se necesite un nivel de abstracción diferente. 2. Cada capa debe cumplir una función bien definida. 3. La función de cada capa debe ser escogida con una visión hacia la definición de protocolos estandarizados internacionalmente. 4. Los límites de la capa deben ser escogidos para minimizar el flujo de información a través de las interfaces. 5. El número de capas debe ser lo suficientemente grande como para que distintas funciones no necesiten estar en la misma capa sin necesidad y lo suficientemente pequeño como para que la arquitectura no se vuelva inmanejable. Nótese que el modelo OSI en sí mismo no es una arquitectura de red dado que no especifica los servicios exactos y protocolos que se usarán en cada capa. Sólo dice qué debería hacer cada capa. Sin embargo, ISO también ha emitido estándares para todas las capas, aunque 13 esto no sea parte del modelo de referencia como tal. Cada una ha sido publicada como un estándar internacional por separado. La capa física: Se preocupa de la transmisión de un flujo binario no estructurado a través de un medio físico: se ocupa de las características mecánicas, eléctricas, funcionales y de procedimiento del acceso al medio físico. La capa de enlace de datos: Proporciona una transferencia de información fiable a través del enlace físico; envía bloques (tramas) con la sincronización necesaria, control de errores y control de flujo. La capa de red: Proporciona a los niveles superiores independencia frente a la transmisión de datos y las tecnologías de conmutación usadas para conectar sistemas; es el responsable de establecer, gestionar y terminar conexiones. La capa de transporte: Proporciona transferencia de datos fiable y transparente entre extremos de conexión; proporciona recuperación frente a errores y control de flujo de extremo a extremo. La capa de sesión: Proporciona la estructura de control para la comunicación entre aplicaciones; establece, gestiona y finaliza conexiones (sesiones) entre aplicaciones cooperativas. La capa de presentación: Proporciona independencia a las aplicaciones frente a diferencias en la representación de los datos (sintaxis). La capa de aplicación: Proporciona acceso al entorno OSI a los usuarios y también proporciona servicios de información distribuidos. Contiene una variedad de protocolos que comúnmente son necesarios para los usuarios. Un protocolo de aplicación ampliamente usado es el http (HyperText Transfer Protocol), que es la base del World Wide Web. 14 Por otro lado tenemos el Modelo de Referencia TCP/IP. La necesidad de una nueva arquitectura referencial con la capacidad de conectar múltiples redes de manera fluida dio lugar al Modelo de Referencia TCP/IP, el cual debía ser muy flexible y además compatible con los equipos existentes para el momento. Este modelo consta de cinco niveles o capas relativamente independientes: capa física, capa de acceso a la red, capa de internet (interredes), capa de transporte (máquina a máquina) y capa de aplicación. La capa física: Cubre la interfaz física entre un dispositivo de transmisión de datos y un medio de transmisión o red. Se ocupa de especificar las características del medio de transmisión, la naturaleza de las señales, el régimen binario y otros asuntos relacionados. La capa de acceso a la red: Se ocupa del intercambio de datos entre un sistema final (servidor, estación de trabajo) y la red a la que está conectado. El computador origen deberá indicar a la red, la dirección del computador destino, de modo que la red pueda encaminar los datos al destinatario apropiado. La capa de internet: Establece mecanismos que permiten a los datos, atravesar múltiples redes interconectadas. El Protocolo de Internet (IP) se usa en este nivel para proporcionar la función de encaminamiento a través de múltiples redes. La capa de transporte: Establece mecanismos que permiten que los datos se intercambien de forma fiable, brindando la seguridad de que todos los datos llegan a la aplicación destino y que llegan en el mismo orden en que se enviaron. Estos mecanismos son independientes de la naturaleza de las aplicaciones. El Protocolo de Control de Transmisión (TCP, Transmission Control Protocol) es el protocolo más comúnmente usado para proporcionar esta funcionalidad. La capa de aplicación: Contiene la lógica necesaria para dar soporte a las diversas aplicaciones de usuario. Se necesita un módulo específico para cada tipo concreto de aplicación (por ejemplo, para una aplicación de transferencia de archivos). 15 En la figura 2.1 se ve una comparación que muestra una especie de equivalencia entre ambos modelos de referencia. Figura 2.1. Comparación de las arquitecturas OSI y TCP/IP 2.1.2 ¿Qué es una red de transporte? En líneas generales, una red de telecomunicaciones es un conjunto de recursos interconectados entre sí que, gestionados de algún modo, interaccionan para satisfacer las necesidades de los usuarios que la utilizan. Cuando se habla de una red de trasporte, se está haciendo referencia a una red de un gran ancho de banda que transporta grandes cantidades de información. Este tipo de redes presenta altos niveles de disponibilidad y fiabilidad y, por sus altos costos de implementación, generalmente pertenecen a empresas en capacidad de hacer ese tipo de inversiones. [5] El tipo de información que viaja por las redes de transporte, es transparente para la red, es decir, las capas superiores son las que se encargan de la adaptación del tráfico que es transportado. Usualmente el medio de transmisión más utilizado es la fibra óptica por su gran ancho de banda y otras ventajas que presenta frente a otras alternativas, sin embargo también existen redes de transporte a través de radioenlaces por microondas. Se encuentran además diversos esquemas y protocolos de transmisión de datos que serán detallados más adelante. 16 A la red de transporte también se le conoce como red troncal o backbone por su nombre en inglés, siendo este último término más utilizado en el ámbito de internet. 2.1.3 Topologías Las topologías de las redes de transporte, así como de otros tipos de redes, son diversas. Las más comunes son las topologías punto a punto, lineales, de bus, de anillo y de estrella, pero existen otras que son las de malla, las totalmente conexas, las de árbol y las mixtas. La topología punto a punto es la más simple de todas, en ella, se tienen dos extremos conectados. Esta conexión puede ser permanente o conmutada. Una topología de red punto a punto luce como se muestra en la figura 2.2. Figura 2.2. Topología Punto-a-Punto En una topología lineal cada nodo está conectado a sus dos nodos adyacentes, a excepción de los nodos de los extremos que están conectados a un solo nodo. Cuando se transmite información entre dos nodos de la red, ésta es recibida por todos los nodos que están en el camino. La topología lineal luce como se muestra en la figura 2.3. Figura 2.3. Topología lineal En la topología de bus, varios nodos se conectan a una misma línea de comunicaciones; esta línea es llamada bus. Esta topología presenta problemas cuando dos nodos o clientes desean transmitir al mismo tiempo por el mismo bus. Para ello se utilizan esquemas que 17 manejan las colas y evitan las colisiones. Se diferencia de la topología lineal en que la lineal sólo tiene dos nodos extremos conocidos comúnmente como terminators, los cuales tienen la impedancia característica de la línea para evitar señales reflejadas, en cambio en la topología de bus, todos los nodos son terminators. Gráficamente una topología de bus luce como se muestra en la figura 2.4. Figura 2.4. Topología de bus. En la topología de anillo, cada nodo se conecta a otros dos nodos solamente, formando un camino circular para los datos, es decir, un anillo. Los datos viajan de un nodo a otro, pasando por los otros nodos. Usualmente en estas topologías se envían los datos en ambas direcciones (de las agujas del reloj) para obtener una redundancia que evite vulnerabilidades en caso de que una de las ramas falle. Las topologías de anillo lucen como se muestra en la figura 2.5. Figura 2.5. Topología de anillo. La topología en estrella consiste en una configuración en la que todos los nodos están conectados a un nodo central mediante un vínculo punto a punto. Esta configuración se ve en la figura 2.6. 18 Figura 2.6. Topología de estrella. En la topología de malla, cada nodo está conectado a uno o más de los otros nodos. Con esta configuración es posible llevar la información de un nodo a otro a través de varios caminos. Una topología de malla luce como lo muestra la figura 2.7. Figura 2.7. Dos topologías de malla posibles. La topología totalmente conexa es un caso especial de la topología de malla, en la que todos los nodos de la red están conectados con todos los otros nodos. Este tipo de implementación resulta costosa pero se puede utilizar cuando los nodos a conectar son pocos. Brinda redundancia, y por lo tanto confiabilidad, en caso de que uno de los vínculos se interrumpa. La información viaja de un nodo a otro por el camino más corto (a no ser que haya interrupción de algún enlace), por lo que los nodos deben tener cierta capacidad lógica de encaminamiento. Una topología totalmente conexa luce como se muestra en la figura 2.8. Figura 2.8. Topología totalmente conexa. 19 La topología de árbol también es conocida como topología jerárquica; en ella hay un nodo principal o raíz (máximo rango en la jerarquía) que se conecta mediante vínculos directos con uno o más nodos que estarían en un segundo nivel en la jerarquía; éstos últimos a su vez estarían conectados directamente a uno o más nodos que representarían el tercer nivel de la jerarquía, y así sucesivamente. Los nodos de mayor jerarquía procesan más información. Para que una topología de árbol pueda ser reconocida como tal, debe tener al menos tres niveles de jerarquía, si tiene sólo dos sería una topología de estrella. Si cada nivel de la jerarquía tiene un solo nodo, no se puede considerar topología de árbol, sino que sería más bien una topología lineal. Una topología de árbol luce como lo muestra la figura 2.9. Figura 2.9. Topología de árbol. Como su nombre lo indica, las topologías mixtas son aquellas que tienen una o más conexiones entre redes basadas en otras topologías. Pueden llegar a ser muy variadas e incluso se pueden encontrar casos en los que hay una o más conexiones entre redes basadas en una misma topología pero que la red resultante no concuerda con la definición de la topología de red origen. Ejemplos de topologías mixtas son las bus-estrella, estrella de estrellas, anillo de estrellas, entre muchas otras combinaciones. Una red mixta se puede ver en la figura 2.10. Figura 2.10. Un ejemplo de topología mixta. 20 2.1.4 Etapas de una red de transporte para sistemas de distribución de TV por suscripción (estructura) Se podría decir que una red de transporte está estructurada en cuatro elementos claves: La cabecera (Headend), el nodo, el trayecto y la red de acceso (o de última milla). La cabecera, conocida también como Headend por su nombre en inglés, es el lugar donde se generan los servicios. En un Headend se pueden encontrar elementos como: antenas parabólicas para recibir las señales satelitales y otros tipos de antenas; procesadores de señales RF (Radio Frecuencia) como generadores de estéreo, demoduladores, receptores satelitales terrestres (digitales y analógicos), interfaces de video digital, insertores de publicidad; administradores del flujo de subida y bajada de las señales RF, administradores de fibra óptica, etc. El nodo es un elemento de la red que permite recibir y enrutar comunicaciones. Puede estar conectado a otros nodos a través de ramas. El nodo de una red de transporte está representado por un equipo que maneja y administra las señales de luz que viajan a altas velocidades por la fibra óptica, utilizando ciertos esquemas y protocolos que se mencionarán más adelante. El trayecto representa el recorrido que deben hacer los datos hasta llegar al otro nodo. Es la rama o ramas de la red de transporte. Para este caso de estudio, dicho trayecto está constituido por enlaces de fibra óptica. La red de acceso o de última milla, es aquella que interconecta al nodo con los usuarios finales o suscriptores. De las redes de acceso se hablará más adelante con más detalle. 2.1.5 Dispositivos y componentes en una red de transporte Los dispositivos y componentes más importantes de una red de transporte de 21 telecomunicaciones son: el Nodo Óptico Multiservicio, la fibra óptica, los amplificadores ópticos, los conmutadores (switches) y los enrutadores (routers). El nodo óptico es un equipo que utiliza señales eléctricas para modular la potencia de la fuente de luz que viaja por la fibra óptica. Esto lo hace bajo ciertos esquemas de modulación, acatando protocolos que permiten una transmisión y recepción eficiente de los datos y teniendo en cuenta el canal por el que van a ser transmitidos. En el mundo moderno, estos nodos son plataformas modulares capaces de manejar varios tipos de protocolos y esquemas de transmisión, pudiendo administrar, distribuir y multiplexar varios servicios al mismo tiempo a altas velocidades (hasta 40 Gigabits por segundo). La modularidad de estos equipos facilita la escalabilidad de la solución. Actualmente traen espacios donde van colocadas tarjetas que diversifican las funciones y las capacidades y velocidades de transmisión, brindando la oportunidad de agregar nuevas tarjetas y mayor capacidad, según se incrementen las necesidades de la red. Por el hecho de ser capaces de manejar varios servicios, también son conocidos como Nodos Ópticos Multiservicio o Plataformas de Transporte Multiservicio. Hoy en día juegan un papel primordial en las empresas proveedoras de servicios que ofrecen tripleplay (voz, datos y TV a través de una sola conexión). La figura 2.11 muestra unos nodos ópticos comerciales. Figura 2.11. Nodos Ópticos Multiservicio comerciales. Entre los protocolos y esquemas de transmisión de información que son capaces de manejar los Nodos Ópticos están: ATM, SONET/SDH, PDH, Ethernet, Gigabit Ethernet. 22 De la fibra óptica se hablará en el punto 2.3 con más amplitud. Los amplificadores ópticos son dispositivos que amplifican el nivel de amplitud de la luz modulada que viene por la fibra y lo hacen sin necesidad de convertir la señal óptica a eléctrica, amplificar la señal RF y luego volverla a modular. El amplificador óptico más común es el amplificador de fibra dopado con erbio (EDFA, erbium-doped fiber amplifier) que funciona en 1550 nm. En un EDFA, las señales de entrada son combinadas en un acoplador WDM (Wavelength Division Multiplexer, multiplexor por división de longitud de onda), con una señal de alta potencia sin modular en 980 nm proveniente de una o más fuentes de “bombeo”. Luego, ambas señales son enviadas a través de un trozo de fibra “dopado” con erbio (es decir, se le ha agregado una cantidad de erbio estrictamente controlada). La señal bombeada hace que los electrones en los átomos de erbio salten a una banda de energía superior. Cuando vuelven a su estado normal, la diferencia de energía amplifica las señales en 1550 nm. La magia de los EDFA es que tienen características completamente diferentes a los amplificadores coaxiales respecto a ruido y distorsión. Aún cuando operan en modo saturado (donde un amplificador coaxial normal produciría pulsos con un alto contenido de armónicos y de intermodulación), el EDFA no agrega distorsión medible a la señal modulada. Incluso pueden ser sobre utilizados si se requiere, dado que el nivel de ruido de entrada es pequeño en comparación con la señal amplificada. La relación portadora a ruido de un EDFA viene dada por la expresión 2.1. C/NEDFA = 86.2 + Pi + 20log (mi) – NFEDFA (2.1) donde C/NEDFA → relación portadora a ruido por canal (medida en un ancho de banda de 4MHz) expresado en dB Pi → potencia óptica de entrada al EDFA expresado en dBm mi → índice de modulación óptica (OMI) por portadora NFEDFA → figura de ruido del amplificador 23 Existen también amplificadores ópticos de semiconductor (SOA, Semiconductor Optical Amplifier), cuya estructura es muy similar a un láser Fabry-Perot y amplificadores Raman, que se valen de técnicas no lineales para lograr la amplificación. Los otros dispositivos fundamentales en una red de transporte son los conmutadores (switches) y los enrutadores (routers) ya que éstos representan la interfaz entre la red de transporte y la red de acceso. Los conmutadores (switches) tienen la funcionalidad de los concentradores a los que añaden la capacidad principal de dedicar toda la capacidad de transmisión de forma exclusiva a cualquier comunicación entre sus puertos. Esto se consigue debido a que el conmutador no actúa como repetidor multipuerto, sino que únicamente envía paquetes de datos hacia aquel puerto al que van dirigidos. Esto es posible debido a que los equipos configuran unas tablas de encaminamiento con las direcciones MAC (nivel 2 de OSI) asociadas a cada uno de sus puertos. Esta tecnología hace posible que cada una de los puertos disponga de la totalidad del ancho de banda para su utilización. Estos equipos habitualmente trabajan con tasas de transmisión de 10, 100 y 1000 Mbps, pudiendo coexistir puertos con diferentes tasas de transmisión en el mismo equipo. Los puertos de un conmutador pueden dar servicio tanto a puestos de trabajo personales como a segmentos de red (hubs), siendo por este motivo ampliamente utilizados como elementos de segmentación de redes y de encaminamiento de tráfico. De esta manera se consigue que el tráfico interno en los distintos segmentos de red conectados al conmutador afecte al resto de la red aumentando de esta manera la eficiencia de uso del ancho de banda. Hay tres tipos de conmutadores o técnicas de conmutación: • Almacenar-Transmitir: almacenan las tramas recibidas y una vez chequeadas se envían a su destinatario. La ventaja de este sistema es que previene del malgasto de capacidad de transmisión sobre la red destinataria al no enviar tramas inválidas o incorrectas. La desventaja es que incrementa ligeramente el tiempo de respuesta del switch. 24 • Cortar-Continuar: en este caso, el envío de las tramas es inmediato una vez recibida la dirección de destino. Las ventajas y desventajas son cruzadas respecto a AlmacenarTransmitir. Este tipo de conmutadores es indicado para redes con poca latencia de errores. • Híbridos: este conmutador normalmente opera como Cortar-Continuar, pero constantemente monitoriza la frecuencia a la que tramas inválidas o dañadas son enviadas. Si este valor supera un umbral prefijado, el conmutador se comporta como un AlmacenarTransmitir; si por el contrario, está por debajo del umbral, se pasa al modo inicial. En caso de diferencia de velocidades entre las subredes interconectadas, el conmutador necesariamente opera como Almacenar-Transmitir. Esta tecnología permite una serie de facilidades, tales como: • Filtrado inteligente: posibilidad de hacer filtrado de tráfico no sólo basándose en direcciones MAC, sino considerando parámetros adicionales, tales como el tipo de protocolo o la congestión de tráfico dentro del switch o en otros switches de la red. • Soporte de redes virtuales: posibilidad de crear grupos cerrados de usuarios, servidos por el mismo switch o por diferentes switches de la red, que constituyan dominios diferentes a efectos de difusión. De esta forma también se simplifican los procesos de movimientos y cambios, permitiendo a los usuarios ser ubicados o reubicados en red mediante software. • Integración de routing: inclusión de módulos que realizan función de los routers (enrutamiento), de tal forma que se puede realizar la conexión entre varias redes diferentes mediante propios switches. Los enrutadores (routers) son dispositivos inteligentes que trabajan en el Nivel de Red del modelo de referencia OSI, por lo que son dependientes del protocolo particular de cada red. Envían paquetes de datos de un protocolo común, desde una red a otra. 25 Convierten los paquetes de información de la red de área local, en paquetes capaces de ser enviados mediante redes de área extensa. Durante el envío, el router examina el paquete buscando la dirección de destino y consultando su propia tabla de direcciones, la cual mantiene actualizada intercambiando direcciones con los demás routers para establecer rutas de enlace, por lo general las más cortas, a través de las redes que los interconectan. Este intercambio de información entre routers se realiza mediante protocolos de gestión propietarios. Por su capacidad de segregar tráfico administrativo y determinar las rutas más eficientes para evitar congestión de red, son una excelente solución para una gran interconexión de redes con múltiples tipos de LAN (Red de Área Local), MAN (Red de Área Metropolitana), WAN (Red de Área Extensa) y diferentes protocolos. Es una buena solución en redes de complejidad media, para separar diferentes redes lógicas, por razones de seguridad y optimización de las rutas. 2.2 Tecnologías y protocolos de transmisión 2.2.1 Ethernet Ethernet es una tecnología para redes locales desarrollada en la década de los setenta, que utiliza el protocolo de acceso al medio CSMA/CD. En una red local Ethernet, los datos se empaquetan, con un tamaño de paquete comprendido entre 64 y 1518 bytes y seis campos por paquete. Los campos destino y fuente contienen el identificador de red de los nodos que reciben e inician el mensaje, lo que permite a la información llegar a su destino y ser reconstruida por el terminal. La tecnología Ethernet ha sido asumida por el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) y estandarizada dentro de su serie de especificaciones IEEE 802.3. [4] Desde sus orígenes Ethernet ha evolucionado constantemente, y en la actualidad es la más extendida en el mundo, con más del 85% de los puestos de red, quedando el otro 15% 26 repartido entre Token Ring, FDDI, ATM y otros protocolos. Lo que justifica la enorme popularidad de Ethernet es, básicamente, su fiabilidad, la disponibilidad de herramientas fáciles de utilizar para gestión y resolución de problemas, su escalabilidad y sus costos reducidos. Como protocolo de transporte, se ubica en las capas 1 y 2 (Físico y Enlace) del modelo de referencia OSI, haciendo llegar los datos a cualquier dispositivo conectado a la red. Ethernet, en su primera versión (que posteriormente daría lugar al estándar IEEE 802.3), estaba basada en el protocolo Aloha para redes de radio por paquetes. Este protocolo empleaba una técnica de acceso al medio denominada CSMA/CD (Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detect, Detección de Portadora con Acceso Múltiple y Detección de Colisiones). En esencia, se trata de un método de arbitrar el acceso a un bus compartido por varias estaciones, en la que cada una de ellas es capaz de distinguir cuándo el bus está inactivo y cuándo existe portadora en dicho bus. Cuando una estación se dispone a enviar información por el bus, debe esperar a que éste se encuentre inactivo, instante en el cual comenzará la transmisión a la vez que “escucha” el canal comprobando que no existe colisión en ningún momento. La colisión se produce cuando dos estaciones empiezan a transmitir simultáneamente, creyendo que el canal está vacío. Si esto ocurre, cada nodo esperará durante un período suficientemente largo (tiempo de backoff) como para asegurarse de que no existirá colisión en su próximo intento de envío de información. Primera Evolución: Fast Ethernet Un paso muy importante en la evolución de Ethernet ha sido el aumento de velocidad de los 10 Mbps originales a 100 Mbps. Las características básicas del estándar 100 Base T son: • Una velocidad de transferencia de 100 Mbps. • Una subcapa (MAC) idéntica a la de 10 Base T. 27 • Formato de las tramas idéntico al de 10 Base T. • El mismo cableado que 10 Base T (cumpliendo con EIA/TIA-568). • Mayor consistencia ante los errores que Ethernet a 10 Mbps. La norma 100 Base T (IEEE 802.3) comprende cinco especificaciones. Éstas definen la subcapa (MAC), la interfaz de comunicación independiente (MII), y las tres capas físicas (100 Base TX, 100 Base T4 y 100 Base FX). Interfaz de comunicación independiente El MII (Medium Independent Interface, Interfaz Independiente del Medio) es una nueva especificación que define una interfaz estándar entre la subcapa MAC y cualquiera de las tres capas físicas (100 Base TX, 100 Base T4 y 100 Base FX). El papel principal del MII es ayudar a la subcapa a hacer el uso de la alta tasa de transferencia de bits y de los distintos tipos de medios de cableado, haciéndolos transparentes. Puesto que las señales eléctricas están claramente definidas, el MII puede implementarse interna o externamente en un dispositivo de la red. Lo común es que sea internamente en un dispositivo de la red para conectar la capa MAC directamente a la capa física. Capa física La capa física es la responsable del transporte de los datos hacia dentro y fuera del dispositivo conectado, incluida la codificación/decodificación de los datos, la detección de portadora, detección de colisiones y la interfaz eléctrica y mecánica con el medio conectado. Fast Ethernet puede funcionar en la misma variedad de medios que 10 Base T (los pares trenzados sin apantallar UTP, Unshielded Twisted Pair, el par trenzado apantallado STP, Shielded Twisted Pair, y la fibra óptica), pero con una notable excepción, ya que Fast Ethernet 28 no funciona con cable coaxial porque la industria ha dejado de usarlo para las nuevas instalaciones. Ventajas: • Los datos pueden moverse entre Ethernet y Fast Ethernet sin necesidad de un protocolo de traducción. • Usa las mismas aplicaciones y los mismos drivers empleados por Ethernet tradicional. • Está basado en un esquema de cableado en estrella. Esta topología es más fiable y en ella es más fácil detectar los problemas que en 10 Base 2 con una topología de bus. • En muchos casos, las instalaciones pueden actualizarse a 100 Base T sin reemplazar el cableado ya existente. Existen NIC (Network Interface Card, Tarjeta de Interfaz con la Red) que soportan ambos tipos de estándares 10/100 Mbps, con un precio relativamente bajo. Desventajas: • Si el cableado existente no se encuentra dentro de los estándares, puede haber un costo sustancial en el recableado. • Fast Ethernet puede ser más rápido que las necesidades de las estaciones individuales, y más lento que las necesidades de la red entera. • La tecnología no es escalable más allá de 100 Mbps. Así que el próximo perfeccionamiento tecnológico puede requerir una inversión mayor. Las tendencias de mercado indican que Fast Ethernet se ha convertido en un estándar ampliamente aceptado y, en conclusión, se puede decir que Fast Ethernet es una tecnología que resuelve muchos problemas, pero que no es aplicable en todos los casos. La solución del momento es Gigabit Ethernet (en su versión a 1 y 10 Gbps) y actualmente se encuentra en desarrollo 40 Gigabit Ethernet. 29 Segunda Evolución: Gigabit Ethernet Gigabit Ethernet ha evolucionado desde su concepción original, el estándar IEEE 802.3 a 10 Mbps, pasando por Fast Ethernet a 100 Mbps. Al igual que sus predecesoras, proporciona las siguientes ventajas: • Fácil migración y altas prestaciones. Uno de los aspectos más importantes desde el punto de vista del administrador de red es la obtención de mayor ancho de banda sin la interrupción del servicio. Gigabit tiene la ventaja de que, al estar basada en Ethernet y ser totalmente compatible con Ethernet y Fast Ethernet, permite una migración incremental a una arquitectura de banda ancha de manera sencilla. Las tres variantes de Ethernet comparten el mismo formato de trama y los mismos mecanismos de operación y control de flujo en modo full-duplex. En modo half-duplex, Gigabit Ethernet resuelve el acceso al medio a través del mismo mecanismo que sus antecesoras, CSMA/CD. Por todas estas razones, no es necesaria modificación alguna en la red. • Costo de propiedad reducido. El costo de propiedad es un factor decisivo a la hora de evaluar cualquier tecnología, y no sólo incluye el precio de compra de los equipos, sino también los derivados de la formación del personal encargado del mantenimiento y la resolución de problemas durante la operación de la red. Soporte de las nuevas aplicaciones. El mayor ancho de banda de Gigabit Ethernet hace posible integrar datos y vídeo, por ejemplo. • Diseño de red sencillo e interconexión de redes flexible. Con Gigabit Ethernet es posible diseñar redes conmutadas, “enrutadas” y/o compartidas. Arquitectura La única diferencia entre Gigabit Ethernet y sus predecesoras es el nivel físico, ya que se logran velocidades de 1 Gbps, frente a los 10 Mbps de Ethernet o los 100 Mbps de Fast Ethernet. Sin embargo, a partir del nivel de enlace de datos (nivel 2 del modelo de referencia OSI), se ofrece la misma visión a las capas más altas. Este objetivo se consiguió a través de la fusión de dos tecnologías: IEEE 802.3 y ANSI X3T11 FibreChannel. De la primera, se mantuvo el formato de trama y el protocolo de acceso al medio (CSMA/CD), con el fin de 30 garantizar la compatibilidad con las instalaciones existentes, mientras que de la segunda se recogieron las especificaciones de una interfaz física de alta velocidad: la fibra óptica. Gigabit Ethernet proporciona una comunicación full-duplex para conexiones punto a punto. En Gigabit Ethernet, el nivel físico se subdivide en tres capas: PCS (Physical Coding Sublayer, Subcapa Física de Codificación), PMA (Physical Medium Attachment, Acoplamiento Físico al Medio) y PMD (Physical Medium Dependent, Dependencia Física del Medio). PCS se encarga de la codificación y decodificación de la señal. La codificación de señales transmitidas a altas velocidades ofrece una serie de ventajas, entre las que se cuentan la limitación de las características efectivas de la transmisión, la facilidad de recuperación de pérdidas de sincronismo en el receptor, el aumento de la probabilidad de detección y corrección de errores y la mayor facilidad de distinción entre los bits de datos y los bits de control. Esta subcapa también se encarga de la generación de las señales de detección de portadora y detección de colisión, ambas muy importantes para el funcionamiento de CSMA/CD. Finalmente, la capa unifica el proceso de autonegociación de la velocidad, por el cual el NIC determina la velocidad de la red (10, 100 ó 1000 Mbps) y el modo de operación (full-duplex o half-duplex). La subcapa PMA es la responsable del soporte de múltiples esquemas de codificación y permite la presentación de dichas codificaciones a niveles superiores. Los datos que se vayan a enviar por un determinado nivel físico dependen de las características de dicho nivel. Así, mientras que para la transmisión sobre fibra óptica se emplea una codificación, para cable UTP ó 1000 BaseT es necesario otro esquema distinto. Finalmente, el subnivel PMD define las características dependientes del medio de transmisión (cables, conectores, drivers, emisores y receptores). En Gigabit Ethernet se especifican cuatro niveles físicos distintos: 1000 Base LX, 1000 Base SX, 1000 Base CX, 1000 Base T. Los dos primeros se basan en fibra óptica y especifican 31 dos tipos de láseres a utilizar y los dos últimos se basan en pares de cobre. Los tres primeros de ellos se agrupan en el estándar 802.3z y el último queda recogido en el 802.3ab. En cuanto al nivel de MAC, Gigabit Ethernet puede funcionar tanto en modo full-duplex como half-duplex. Para poder soportar el primero de estos modos de operación es necesaria la introducción de un dispositivo específico denominado repetidor full-duplex. El principio básico de funcionamiento de este dispositivo consiste en introducir CSMA/CD a nivel de acceso a la red, en lugar de introducirlo a nivel de acceso al enlace. Por otra parte, en el modo de funcionamiento half-duplex es necesario hacer una modificación en el nivel de MAC debido a que la velocidad de transmisión es mayor. Se debe tener en cuenta que en Ethernet el tamaño de trama mínimo es de 64 bytes. El principal motivo de definir un tamaño de trama mínimo es evitar que dos nodos de la red separados a la distancia máxima (diámetro de colisión) den por terminada una transmisión antes de que el primer byte de alguna de las dos transmisiones llegue al otro extremo; en este caso, habría una colisión (los dos nodos de la red están enviando información por el canal simultáneamente), pero ninguno de los dos nodos lo percibirá hasta que le llegue el primer byte de la transmisión del otro. Por tanto, el tiempo mínimo que se tarda en detectar una colisión (slot) viene determinado por la velocidad de propagación de la señal y por la longitud de cable que tiene que recorrer dicha señal. Una unidad de medida mucho más útil es el tamaño del slot, que se define como la cantidad de bytes transmitidos durante el tiempo mínimo que se tarda en detectar la colisión. Si se aumenta la velocidad manteniendo constantes el tamaño de la trama y el diámetro de colisión, el emisor tardará menos tiempo en enviar la información y no detectará la colisión. Por lo tanto, hay que tomar alguna de las dos siguientes medidas: • Mantener el diámetro de colisión y aumentar el tamaño del slot. • Mantener el tamaño del slot y disminuir el diámetro de colisión. 32 En Fast Ethernet se optó por disminuir el diámetro de colisión, de tal manera que la máxima distancia entre nodos de la red es de 100 m. Sin embargo, esta solución no es válida para Gigabit Ethernet, puesto que la mayor distancia entre nodos resultaría ser de 10 m, un valor poco práctico. En su lugar, Gigabit Ethernet emplea un slot de 512 bytes pero, con el fin de mantener la compatibilidad con las versiones anteriores, el tamaño útil de la trama no se altera. Es decir, la trama de Gigabit incluye la de Ethernet junto con un relleno empleado para la detección de presencia/ausencia de portadora (esto es lo que se conoce como carrier extension, extensión de portadora). Sin embargo, esta solución tiene el inconveniente del desaprovechamiento del ancho de banda en el envío de paquetes pequeños, hasta tal punto que, si el número de paquetes de tamaño reducido es suficientemente grande, las prestaciones de la red son solamente ligeramente superiores a las de Fast Ethernet. Para resolver este problema se define la transmisión a ráfagas (packet bursting), que consiste en transmitir la extensión de portadora únicamente en el primer paquete de una serie de paquetes pequeños; al resto de paquetes sólo se les añadirá una separación mínima de paquetes como se muestra en la figura 2.12. Esta técnica aumenta el rendimiento considerablemente. Figura 2.12. Transmisión a ráfagas de paquetes pequeños. 33 Por otra parte, el nivel de enlace de datos LLC (Link Layer Control) ofrece servicios al nivel de red independientemente de la tecnología de transmisión subyacente. Dentro de esta capa, la unidad de datos recibe el nombre de trama. Puesto que Gigabit Ethernet utiliza el mismo formato de trama que sus precursoras (como se ve en la figura 2.13), no es necesario ningún proceso de traducción de formato. Esto ocurrirá siempre que los protocolos de nivel superior se adhieran al modelo de referencia OSI. En caso contrario, como sucede con IP o IPX, es necesaria la utilización de una trama intermedia denominada trama SNAP (Subnetwork Access Protocol, Protocolo de Acceso a la Subred). Figura 2.13. Formato de trama de los estándares Ethernet. Desde el punto de vista de los niveles más altos, Gigabit Ethernet proporciona una conectividad de alta velocidad. Además, se nutre de estándares adicionales para ofrecer servicios complementarios, como es el caso de IEEE 802.1p e IEEE 802.1Q, empleados para la clasificación del tráfico y el soporte de mecanismos de calidad de servicio. Aplicaciones En esencia, Gigabit es una tecnología orientada a nivel de campus cuya aplicación principal es la de servir de soporte para el backbone. Sin embargo, también es posible utilizarla para conectar servidores, granjas de servidores (server farms) o máquinas de cierta potencia a la red. En general, son cuatro los tipos de dispositivos necesarios para implementar una red Gigabit Ethernet: 34 • Tarjetas Gigabit Ethernet de interfaz con la red (GNIC, Gigabit Ethernet Network Interface). • Conmutadores de conexión de varios segmentos Ethernet o Fast Ethernet a la red Gigabit Ethernet. • Conmutadores Gigabit Ethernet. • Repetidores full-duplex Gigabit Ethernet. Comparación con otras tecnologías Las nuevas aplicaciones corporativas de banda ancha exigen un incremento de la capacidad de la red troncal (backbone). En principio, se disponen de tres opciones: Gigabit Ethernet, ATM o FDDI. Cada una de estas alternativas tiene sus ventajas y sus inconvenientes, aunque a la hora de considerar la ampliación del backbone de la red hay que tener en cuenta los siguientes cinco criterios: • Migración sin interrupción del servicio. • Escalabilidad a niveles altos de prestaciones. • Minimizar los costos de propiedad. • Flexibilidad para soportar los requerimientos de las nuevas aplicaciones y los nuevos tipos de datos. • Interfaces con Ethernet dada su ubicuidad en los puestos de la red (con más de un 80% de penetración sobre el total a nivel mundial). A priori, puesto que Ethernet es la tecnología más extendida y la compatibilidad entre todas sus versiones está garantizada, Gigabit Ethernet parece la única opción disponible para una migración sin interrupción del servicio. Además, la versión normalizada de ATM de mayor velocidad únicamente soporta 622 Mbps frente a los 1000 Mbps de Gigabit Ethernet. Sin embargo, ATM presenta dos ventajas frente a Gigabit Ethernet: en primer lugar, es una tecnología ya implantada y probada y, en segundo lugar, resulta mucho más adecuada para aplicaciones que requieran una QoS (Calidad de Servicio) garantizada (como el caso del 35 tráfico de vídeo) o para la integración de diferentes tipos de tráfico en una única infraestructura. Tercera Evolución: 10 Gigabit Ethernet El objetivo del IEEE Task Force es, dejar totalmente inalteradas las especificaciones Ethernet no físicas, de manera que sea compatible con los estándares anteriores y sólo se necesite cambiar algunos elementos en las tarjetas de red, con lo que puede integrarse muy fácilmente en las redes existentes. 10 Gbit Ethernet (10 GbE) nació como el estándar IEEE 802.3ae en junio de 2002 y por primera vez un estándar de LAN define la interconectividad entre una LAN y una MAN o WAN SONET/SDH mediante tecnologías ópticas monomodo y multimodo, permitiendo cubrir distancias de hasta 40 km con 1550 nm. En el caso de 10 GbE el mayor cambio es que se ha eliminado el protocolo de acceso al medio CSMA/CD, ya que se implementa tan sólo en dúplex, lo que significa que la detección de colisiones se halla inhabilitada. 10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ae) es la versión más rápida de Ethernet que existe en la actualidad. Uno de sus mayores beneficios es que constituye una alternativa de bajo costo a la hora de resolver las necesidades de ancho de banda. No sólo son bajos los costos de instalación, sino también las partidas de mantenimiento y gestión, puesto que estas tareas resultan similares a las de las redes Ethernet tradicionales. Además de la reducción de costos, la mayor ventaja de 10 Gigabit Ethernet es que permite una conmutación mucho más rápida. En efecto, al utilizar el mismo formato de trama de Ethernet y mantener la compatibilidad con sus predecesoras, no son necesarias las funciones de fragmentación y reensamblado, traducción de direcciones, etc., lo que permite emplear conmutadores, mucho más rápidos que los enrutadores (routers). 36 La base del protocolo Gigabit Ethernet (1000 Base T ó 1000 Base SX/LX) es el protocolo Ethernet, con un incremento de diez veces la velocidad de Fast Ethernet de 1000 Mbps o 1 Gbps, lo que permitiría soportar hasta 156.250 llamadas telefónicas simultáneamente. Este protocolo, que fue estandarizado en junio de 1998 sobre fibra (IEEE 802.3z) y un año más tarde sobre cobre (IEE 802.3ab), promete ser un sistema dominante de alta velocidad en redes de área local y para ofrecer conectividad de servidores. Para incrementar la velocidad desde 100 Mbit/s a 1 Gbit/s, fue necesario hacer importantes cambios en la interfaz física, pero se decidió que Gigabit Ethernet sería idéntico a Ethernet desde la capa de enlace de datos hacia arriba. Los cambios involucrados en el paso se han resuelto incluyendo dos tecnologías juntas: IEEE 802.3 Ethernet y ANSI X3T11 Fibre Channel. Emplea Láseres VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers, Transmisores Láser con Superficie de la Cavidad Vertical), en lugar de LED, sobre fibra monomodo o multimodo, que es la única vía para alcanzar esas velocidades. GbE sobre pares de cobre se emplea con cableado de al menos Categoría 5, pero para velocidades de 10 Gbps únicamente se contemplan interfaces sobre fibra monomodo y multimodo. Aplicando estas dos tecnologías, tenemos que el estándar puede tomar ventaja de la interfaz física de alta velocidad existente como lo es la tecnología de Fibre Channel manteniendo el formato de trama IEEE 802.3 Ethernet, compatibilidad subdesarrollada para medios ya instalados, y el uso de full-duplex o half-duplex CSMA/CD. Este escenario ayuda a minimizar la complejidad tecnológica, resultando una tecnología estable, compatible con la base instalada y que puede ser desplegada rápidamente. Arquitectura 10 Gigabit Ethernet, al igual que sus predecesoras, se ubica entre los niveles 1 y 2 modelo de referencia OSI. 37 A nivel de MAC, hay que destacar el hecho de que únicamente soporta transmisiones full-duplex. La razón es bastante sencilla. A estas velocidades, la mayoría de los enlaces son punto a punto, por lo que el funcionamiento half-duplex no es adecuado. Además, debido a las características del enlace no es necesario ningún método de contención, así que no es necesario el empleo de CSMA/CD, lo que implica, por otra parte, que las limitaciones de distancia estarán impuestas única y exclusivamente por las características intrínsecas del medio de transmisión. La arquitectura 10 Gigabit Ethernet contempla una subcapa RS (Reconciliation Sublayer, Subcapa de Reconciliación), que actúa como un traductor de comandos, adaptando la terminología empleada a nivel de MAC al formato adecuado para los niveles físicos empleados en cada caso. Por su parte, la interfaz 10 Gigabit Ethernet, 10 GMII (Gigabit Media Independent Interface, Interfaz Gigabit Independiente del Medio), tiene la misión de aislar el nivel de MAC del nivel físico, permitiendo así la independencia del primero respecto del segundo. En cuanto al nivel físico, existen dos tipos de implementación: la implementación serie, que emplea un solo bloque de circuitos a 10 Gbps, y la implementación paralela, en la que utilizan varios bloques de menor velocidad. La implementación serie, a su vez, se divide en dos grupos, que son la implementación para redes LAN 10 GBase R y la implementación para redes WAN (10 GBase W). La implementación paralela (10 GBase X4) tiene como objetivo soportar mayores distancias sobre fibra multimodo. El paquete Ethernet se fragmenta en canales serie independientes que se codifican según un esquema 8B/10B y que serán transmitidos por una misma fibra utilizando WWDM (Wide Wavelength Division Multiplexing) a unos 1310 nm. El estándar IEEE 802.3ae soporta tres variantes ópticas, que son: 38 • E (Extended). Destinado a distancias típicas de las MAN o WAN, utiliza láseres en tercera ventana (1550 nm) para cubrir hasta 40 km sobre fibras monomodo e interfaz física serie. • L (Long). Conecta edificios dentro de un mismo campus y/o plantas dentro de un mismo edificio. En este caso, los láseres trabajan en segunda ventana (1310 nm) y cubren hasta 10 km con fibra monomodo y codificación serie. También es posible emplear codificación paralelo sobre fibra multimodo y alcance de hasta 300 metros. • S (Short). Diseñado para cubrir distancias pequeñas (alrededor de los 35 metros) con fibra multimodo en primera ventana (850 nm). Aplicaciones Desde el punto de vista corporativo, 10 Gigabit Ethernet permite a la red concentrar la potencia de procesamiento en determinadas ubicaciones y acceder remotamente a los recursos de dichas ubicaciones. Además, ofrece un transporte de alta velocidad que mejora considerablemente las prestaciones del backbone de la red. Cuando se estudian las aplicaciones de 10 GbE se distinguen tres ámbitos de aplicaciones: LAN, MAN y WAN. En redes LAN, 10 GbE se basa en la comunicación con recursos en los que el tráfico implicado, por sus características, consume grandes cantidades de ancho de banda y genera grandes movimientos de información, o bien para agrupar múltiples segmentos de GbE, constituyendo así un grado mayor de agregación y mejorando el backbone de la red. Los tipos de fibra empleados para aplicaciones LAN será fibra monomodo, fibra multimodo convencional y fibra multimodo de gran ancho de banda. A medida que las necesidades de ancho de banda aumenten, 10 GbE se irá ampliando a la red completa. En el entorno de las redes MAN, es posible utilizar 10 GbE sobre fibras ópticas y longitudes de onda oscuras. Este término hace referencia a los cables de fibra óptica que se 39 han tendido pero que actualmente no se usan. Generalmente, estos cables se instalaron cuando se desplegaron las redes metropolitanas como previsión ante un crecimiento de la capacidad de la red y están formados por tramos de hasta 100 km sin amplificadores ni repetidores intermedios. De este modo, 10 GbE permite a los operadores reducir el costo y la complejidad de sus redes, aumentando la capacidad de su backbone. Es importante hacer notar que a este tipo de redes se les asigna el término MAN, como criterio de clasificación de las aplicaciones en función de la distancia y del tipo de servicio, aunque, desde el punto de vista de la topología lógica y física, se trata de redes LAN porque la red se construye sobre enlaces punto a punto entre conmutadores de nivel 3 o nivel 4 en lugar de sobre una red SDH o ATM. En redes WAN, las aplicaciones son muy similares a las de las redes MAN y también se basan en el aprovechamiento de las fibras oscuras y el empleo de SDH como protocolo de transporte. 2.2.2 ATM ATM (Asyncrhonous Transfer Mode, Modo de Transferencia Asíncrono) es un estándar de transmisión que permite la conmutación de paquetes o celdas, orientado a la conexión, en el que la información de múltiples servicios (voz, vídeo y/o datos) se convierte en paquetes de tamaño fijo, de 53 bytes (48 de información + 5 de cabecera), con lo que son más fáciles de tratar. [4] Componentes Una red ATM está formada por dos componentes principales: los conmutadores y los puntos finales o dispositivos, que contienen algún tipo de interfaz de red. Por su parte, un conmutador puede soportar dos tipos de interfaces: • UNI (User to Network Interface, Interfaz Usuario a Red): conecta puntos finales ATM (host, router, etc.) a un conmutador. • NNI (Network to Network Interface, Interfaz Red a Red): conecta dos conmutadores entre sí. 40 Ambos tipos de interfaces pueden ser públicos o privados, dependiendo de su ubicación. Existe una especificación adicional, el B-ICI (Broadband Interexchange Carrier Interconnect, Interconexión por Intercambio de Portadora de Banda Ancha), cuya función es conectar dos conmutadores de proveedores distintos. Circuitos virtuales Existen tres tipos de servicios ATM, que son los siguientes: • Circuito virtual permanente: define una conectividad directa entre extremos, garantizando la disponibilidad de la conexión en cualquier momento. Su inconveniente es que, al no requerir fase de establecimiento, necesitan ser inicializados manualmente. • Circuito virtual conmutado: se crea y libera dinámicamente y su tiempo de vida se limita a la duración de la transferencia de datos. Requiere de señalización entre el punto final ATM y el conmutador ATM. • Servicio sin conexión. Las redes ATM son orientadas a la conexión, por lo que debe establecerse un canal virtual previo que una los extremos de la comunicación. En este sentido, podemos distinguir dos tipos de conexiones ATM: • Camino virtual (identificado por el VPI, Virtual Path Identifier, Identificador de Camino Virtual). • Canal virtual (identificado por el VPI y el VCI, Virtual Channel Identifier, Identificador de Canal Virtual). Un camino virtual es un conjunto de canales virtuales conmutados de manera transparente basándose en un VPI común, como en la figura 2.14. Sin embargo, tanto los VCI como los VPI tienen un ámbito local a cada enlace y son mapeados en cada conmutador. 41 Figura 2.14. Circuitos virtuales (VC) transportados sobre el mismo camino. Modelo de referencia ATM ATM emplea una arquitectura lógica bidimensional para describir las funcionalidades que soporta. Por una parte, el modelo de referencia ATM está divido en planos: — Control: responsable de la generación y la gestión de las peticiones de señalización. — Usuario: encargado de controlar el intercambio de información. — Gestión: se divide, a su vez, en dos subplanos: • Gestión de capas: gestiona las funciones específicas de cada capa, tales como la detección de errores. • Gestión de planos: gestiona y coordina las funciones relacionadas con el sistema completo. Además, cada plano se divide en una serie de capas, que son: — Capa física: define las características del medio de transmisión físico. — Capa ATM: combinada con las capas de adaptación, realiza funciones similares a las del nivel de enlace de datos. Es la responsable de establecer conexiones y del intercambio de celdas a través de la red ATM, empleando para ello la información contenida en la cabecera de dichas celdas. — Capa de adaptación: se encarga de aislar los protocolos de alto nivel de los detalles de implementación de los procesos ATM. Existen tres capas de adaptación: • AAL 1: proporciona un servicio orientado a la conexión, apropiado para aplicaciones de emulación de circuitos, tales como voz o videoconferencia. 42 • AAL 3/4: soporta tanto servicios orientados a la conexión como servicios no orientados a la conexión. Permite la transmisión de paquetes sobre una red ATM. • AAL 5: también ofrece ambos tipos de servicio, pero se emplea en aplicaciones como IP, ATM o LANE (Emulación de LAN). 2.2.3 PDH PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy, Jerarquía Digital Plesiócrona) surgió como una tecnología basada en el transporte de canales digitales sobre un mismo enlace. Los canales a multiplexar, denominados módulos de transporte o contenedores virtuales, se unen formando tramas o módulos de nivel superior a velocidades estandarizadas de 2 Mbps, 8 Mbps, 34 Mbps, 140 Mbps y 655 Mbps. [4] Es una jerarquía de concepción sencilla, sin embargo contiene algunas complicaciones que han llevado al desarrollo de otras jerarquías más flexibles a partir del nivel jerárquico más bajo de PDH, equivalente a una trama MIC de RDSI: • Falta de sincronismo entre los equipos: cuando se quiere pasar a un nivel superior jerárquico se combinan señales provenientes de distintos equipos. Cada equipo puede tener alguna pequeña diferencia en la tasa de bit. Es por ello necesario ajustar los canales entrantes a una misma tasa de bit, para lo cual se añaden bits de relleno. Sólo cuando las tasas de bit son iguales puede precederse a una multiplexación bit a bit como se define en PDH. El demultiplexor debe, posteriormente, reconocer los bits de relleno y eliminarlos de la señal. Este modo de operación recibe el nombre de plesiócrono. • Los problemas de sincronización ocurren a todos los niveles de la jerarquía, por lo que este proceso ha de ser repetido en cada etapa de la multiplexación. 43 • Falta de flexibilidad: si a un punto de la red se le quieren añadir canales de 64 kbps y el enlace existente es de 8 Mbps o superior, debe pasarse por todas las etapas de demultiplexación hasta acceder a un canal de 2 Mbps y luego volver a multiplexar todas las señales de nuevo. • La falta de flexibilidad dificulta la provisión de nuevos servicios en cualquier punto de la red. Adicionalmente, se requiere siempre el equipamiento correspondiente a todas las jerarquías comprendidas entre el canal de acceso y la velocidad del enlace, lo que encarece en extremo los equipos. • Falta de capacidad de gestión de tramas: la multiplexación bit a bit para pasar de un nivel de jerarquía superior y con bits de relleno convierte en tarea muy compleja seguir un canal de tráfico a través de la red. 2.2.4 SONET/SDH Una red síncrona es capaz de incrementar sensiblemente tasa de transmisión y reducir el número de equipos de red sobre el mismo soporte físico que otro tipo de tecnologías. Además, la posibilidad de gestión de red dota a ésta de mayor flexibilidad. La versión americana de este tipo de redes es SONET (Synchronous Optical Network, Red Óptica Síncrona), mientras que la europea es SDH (Synchronous Digital Hierarchy, Jerarquía Digital Síncrona), que será la que se estudiará en este apartado, dado que usualmente SONET y SDH utilizan términos diferentes para describir características o funciones idénticas. A veces esto causa confusiones que exageran sus diferencias. Con ciertas excepciones, SONET puede verse como un subconjunto de SDH. Las dos diferencias principales entre las dos son: • SONET puede usar dos unidades básicas de trama mientras SDH tiene sólo una. • SDH tiene opciones adicionales de mapeo que no están disponibles en SONET. 44 La unidad básica de trama en SDH es un STM-1 (Synchronous Transport Module level – 1, Módulo de Transporte Síncrono de Nivel 1), el cual opera a 155,52 Mbps. SONET llama a esta unidad básica un STS-3c (Synchronous Transport Signal - 3, concatenated, Señal de Transporte Síncrono de Nivel 3, concatenada), pero su funcionalidad de alto nivel, tamaño de trama y tasa de bits, son las mismas que las de un STM-1. SONET presenta una unidad básica de transmisión adicional, la STS-1 (Synchronous Transport Signal – 1, Señal de Transporte Síncrono de Nivel 1), operando a 51,84 Mbps, lo que es exactamente un tercio de un STM1/STS-3c [4]. En la figura 2.15.a se observa una trama STS-1 y en la figura 2.15.b, una trama STM-1. a b Figura 2.15. a. Trama STS-1 de SONET. b. Trama STM-1 de SDH SDH define un número de contenedores, cada uno de ellos correspondiente a una velocidad de transmisión PDH. La información de la señal PDH se introduce en su contenedor correspondiente y se añade una cabecera al contenedor que permite monitorizar estas señales. Cabecera y contenedor forman un contenedor virtual. En una red síncrona todo el equipamiento se sincroniza con un mismo reloj de red. Variaciones de retardo asociadas a un enlace de transmisión inciden en una posición variable de los contenedores virtuales, lo que se resuelve asociándoles un puntero en la trama STM-1. 45 Ventajas de una red SDH Simplificación de la red frente a redes basadas exclusivamente en PDH: un multiplexor SDH puede incorporar tráficos básicos (2 Mbps en SDH) en cualquier nivel de la jerarquía, sin necesidad de utilizar una cascada de multiplexores, reduciendo así las necesidades de equipamiento. Fiabilidad: en una red SDH los elementos de red se monitorizan extremo a extremo y se gestiona el mantenimiento de la integridad de la misma. La gestión de red permite la identificación inmediata de falla en un enlace o nodo de la red. Utilizando topologías con caminos redundantes, la red se reconfigura automáticamente y reencamina el tráfico instantáneamente hasta la reparación del equipo defectuoso. Es por esta razón por la que los fallos de transporte son transparentes desde el punto de vista de una comunicación extremo a extremo, garantizando la continuidad de los servicios. Software de control: la inclusión de canales de control dentro de una trama SDH posibilita un control total de la red por software. La posibilidad de control remoto y mantenimiento centralizado permite disminuir el tiempo de respuesta ante fallos y el ahorro de tiempo por desplazamientos a lugares remotos. Estandarización: los estándares SDH permiten la interconexión de equipos de distintos fabricantes en el mismo enlace. La definición de nivel físico fija los parámetros de la interfaz, como la velocidad de línea óptica, longitud de onda, niveles de potencia y formas y codificación de pulsos. Asimismo se definen: la estructura de trama, las cabeceras y los contenedores. 46 2.3 Fibra óptica Los sistemas de comunicaciones basados en fibra óptica presentan muchas ventajas frente a los basados en cables de cobre. De hecho, la fibra óptica es un medio idóneo para la transmisión de información debido a sus excelentes características: • Menor atenuación. En cualquier medio de transmisión, la señal sufre pérdidas en su propagación. En el cable de cobre la atenuación es proporcional a la frecuencia de operación, lo que implica una limitación del sistema cuando consideramos velocidades de transmisión elevadas. Sin embargo, en una fibra óptica la atenuación es independiente de la velocidad de transmisión, incluso a muy alta frecuencia. Además, los niveles de atenuación relativos son mucho menores en los cables de fibra óptica que en los de cobre. • Distancia. La baja atenuación de la señal permite realizar tendidos de fibra largos sin necesidad de amplificadores o repetidores intermedios. Mientras que en sistemas de transmisión basados en cobre es necesario un repetidor cada 1 ó 2 km (dependiendo de la configuración y la frecuencia de trabajo), en los basados en fibra óptica los repetidores se ubican cada 6-15 km en sistemas multimodo o cada 30-40 km en sistemas monomodo. • Ancho de banda. Mucho mayor que sobre los medios de cobre. • Integridad de los datos. En condiciones normales, la fibra óptica sufre tasas de error del orden de los 10-11, lo que permite a las aplicaciones de alto nivel obviar la corrección de errores acelerando, de esta manera, la velocidad de transferencia. • Duración. La fibra óptica es resistente a la corrosión y a las altas temperaturas. • Seguridad. Puesto que no produce radiación electromagnética, la fibra óptica es resistente a las acciones intrusivas de escucha. Además, una fibra óptica es un dieléctrico por lo que no conduce la electricidad, y por tanto, no existe peligro de que produzca una explosión o un incendio, a diferencia de lo que puede ocurrir con un cable de cobre. • Inmunidad frente a efectos electromagnéticos externos. Cualquier cable de cobre actúa como una antena, radiando y recibiendo energía. Sin embargo, la señal en una fibra óptica queda confinada dentro de la propia fibra, consiguiendo que la transmisión no se vea afectada por ningún tipo de agente externo. 47 Su mayor desventaja es su costo de fabricación, debido a que se necesita vidrio de alta calidad y a la fragilidad de su manejo en la etapa de producción. Los extremos (puntas) de los cables de fibra óptica requieren un tratamiento especial que ocasiona un aumento de los costos de instalación. Sin embargo, también se pueden fabricar en plástico, lo que reduce enormemente dicho costo. Además, la masificación de uso siempre tiende a disminuir los precios. 2.3.1 Definición Una definición sencilla nos diría que la fibra óptica es un conductor (o guía) de ondas en forma de filamento generalmente hecho de vidrio (sílice), aunque también puede estar hecho de materiales plásticos [3]. Las ondas que se propagan por la fibra óptica son de naturaleza luminosa, son radiaciones electromagnéticas de la misma naturaleza que los rayos X, las ondas de radio o las señales de televisión, con la diferencia de que la longitud de onda es distinta aunque la velocidad de propagación es la misma (300.000 km/s en espacio libre y algo menor en otros medios). La velocidad de propagación de una radiación electromagnética en un medio depende del índice de refracción de dicho medio, que es una medida de sus características dieléctricas. La tabla 2.1, muestra la velocidad de propagación de la luz para algunos materiales. Allí se aprecia que la velocidad de propagación en un medio disminuye con el índice de refracción de la luz en dicho medio. De hecho, el índice de refracción es la relación entre la velocidad de la luz y la velocidad de propagación en el medio, como lo muestra la expresión 2.2. 48 Material Índice de refracción Velocidad de la luz Vacío 1,0000 300.000 km/s Aire 1,0003 (~1,0) 300.000 km/s Agua 1,3300 225.000 km/s Cuarzo fundido 1,4600 205.000 km/s Sílice 1,4646 204.743 km/s Cristal 1,5000 200.000 km/s Diamante 2,0000 150.000 km/s Silicio 3,4000 88.000 km/s Arsénico de galio 3,6000 83.000 km/s Tabla 2.1. Índices de refracción y velocidad de la luz en algunos materiales. Relación entre el índice de refracción y las velocidades de propagación de la luz en diferentes medios: (2.2) donde n → índice de refracción del medio c → velocidad de propagación de la luz en el espacio libre vM → velocidad de propagación de la luz en el medio Leyes de Snell Los conceptos básicos de propagación de señal son mucho más fáciles de comprender si se recurre a la antigua teoría de rayos. Supóngase que un rayo de luz incide en la superficie de separación de dos medios distintos de índices de refracción n1 y n2, respectivamente, con un ángulo φ1, como en la figura 2.16. La línea perpendicular a la superficie de separación recibe el nombre de normal y se toma como referencia para definir todos los ángulos. Como consecuencia de la diferencia de índices de refracción, parte de la energía del rayo incidente seguirá propagándose por el medio de incidencia y parte por el otro medio. El rayo que no 49 cambia de medio se denomina rayo reflejado y el ángulo que forma su trayectoria con la normal es φr, o ángulo de reflexión. Por otra parte, el rayo que se propaga por el otro medio, se llama rayo refractado y su ángulo con la normal es el ángulo de refracción o φ2. [4] Figura 2.16. Reflexión y refracción. Los ángulos de reflexión y de refracción dependen de la diferencia entre los índices de refracción de los medios, de tal manera que existe una diferencia de índices para la cual no existe rayo refractado y toda la energía es reflejada. Este fenómeno es conocido como reflexión total como se muestra en la figura 2.17. Figura 2.17. Reflexión total. La reflexión total es la base para la propagación de la señal en el interior de una fibra óptica. Un cable de fibra óptica está compuesto por tres secciones concéntricas como lo muestra la figura 2.18: 50 • Núcleo central. Constituido por una hebra muy fina de cristal o plástico de un alto índice de refracción. • Cubierta. Rodea al núcleo y es de un material similar, pero con un índice de refracción ligeramente menor. • Revestimiento protector. Se trata de una envoltura que aísla las fibras y evita que se produzcan interferencias entre fibras adyacentes, a la vez que proporciona protección al núcleo. Cada una de ellas está rodeada por un revestimiento y reforzada para proteger a la fibra. Figura 2.18. Estructura de una fibra óptica. El requisito fundamental que deben cumplir los materiales que constituyan el núcleo y la cubierta del cable de fibra es que sus índices de refracción sean tales que se produzca el fenómeno de la reflexión total (n1 > n2). Esta condición viene dada por las leyes de Snell. Según estas leyes, como se ha visto, cuando un rayo de luz incide en la interfaz entre dos medios de índices de refracción distintos, parte del rayo pasará al otro medio y parte seguirá propagándose por el medio original. Sin embargo, para una determinada relación entre índices de refracción es posible encontrar un ángulo de incidencia tal que todo el rayo incidente sea reflejado y vuelva al medio original. 51 Esto permite distinguir dos tipos de rayos: los guiados, que son aquellos que verifican las condiciones de reflexión total y que se propagarán por la fibra con muy poca atenuación, y los no guiados, que son los rayos que no producen reflexión total y cuya potencia se atenúa rápidamente. Obviamente, los rayos empleados para la transmisión de información son los rayos (o modos) guiados. La figura 2.19 ilustra este hecho. El modo, aunque se puede asociar a un rayo con un determinado ángulo de incidencia, es en realidad una distribución transversal del campo electromagnético que se propaga a una velocidad dada y distinta de la de los otros modos. Figura 2.19. Modos guiados dentro de una fibra óptica. 2.3.2 Tipos de fibra óptica Las fibras ópticas se clasifican atendiendo a dos criterios: en función del carácter de la variación relativa de los índices de refracción entre el núcleo y la cubierta, y en función del número de modos que se propagan. En cuanto a la variación relativa de los índices de refracción, se puede distinguir entre fibras de índice escalonado y fibras de índice gradual. En cuanto al número de modos que se propagan, se tienen fibras monomodo y multimodo. Las fibras multimodo pueden ser de índice escalonado o de índice gradual pero las fibras monomodo, siempre son de índice escalonado. Los índices de refracción de los materiales que constituyen el núcleo y la cubierta deben ser distintos para que ocurra la reflexión total. La manera en que se lleve a cabo la variación de valor de uno a otro va a determinar las características de la fibra óptica. Si dicha variación 52 se hace de forma abrupta se tiene una fibra de índice escalonado, si se hace gradualmente se tiene una fibra de índice gradual. La figura 2.20 ilustra este hecho. Figura 2.20. Tipos de fibra óptica. Los rayos de luz pueden entrar a la fibra óptica por uno de sus extremos si el rayo está contenido dentro de un cierto ángulo respecto al eje de la fibra. Al doble de este ángulo se le denomina cono de aceptación. Un rayo de luz puede perfectamente no ser transportado por la fibra óptica si no entra dentro del cono de aceptación, el cual está directamente asociado a los materiales con los cuales la fibra óptica ha sido construida. En la figura 2.21 se ilustra el cono de aceptación (dos veces α) y se observa como los rayos que entran dentro del cono (zona sombreada) se logran propagar, a diferencia de los que entran a la fibra desde fuera del cono, que se refractan hacia el revestimiento y no se propagan. Se dijo que en cuanto al número de modos que se propagan, se tienen fibras multimodo y monomodo. Las fibras multimodo tienen núcleos con diámetros que van desde los 50 μm hasta los 200 μm, estas longitudes son relativamente grandes comparadas con las longitudes de onda de los rayos incidentes, por lo que permiten el paso de muchos modos de luz como se muestra en la figura 2.20, donde estos múltiples modos están representados por rayos rojos, negros y azules. Allí se observa que los rayos negros y azules recorren una menor distancia que los rojos, dado que estos últimos entran a la fibra desde un ángulo cercano 53 al ángulo crítico del cono de aceptación y rebotan más frecuentemente, lo que provoca que Figura 2.21. Cono de aceptación recorran más distancia dentro de la fibra. La diferencia entre las longitudes de los caminos de transmisión, dependerá de la longitud de la fibra y causa una forma de dispersión conocida como dispersión modal. Esta es una desventaja que presenta este tipo de fibra frente a las fibras monomodo. Las fibras monomodo, tienen núcleos con diámetros de 8,3 μm, por lo que sólo se propaga un modo de luz que viaja alineado con el eje de la fibra y se le conoce como modo fundamental o LP01. Este tipo de fibra se utiliza para transmisión de señales de televisión por cable a largas distancias ya que elimina el efecto de la dispersión modal anteriormente mencionada, además, se emplean junto con emisores láser, lo que proporciona un gran ancho de banda y una baja atenuación con la distancia, de ahí que entre sus aplicaciones se encuentran las redes MAN y WAN. La condición necesaria para la supresión de modos de orden superior se muestra en la expresión 2.3. 2,405 donde V → parámetro V o frecuencia normalizada A → diámetro del núcleo en micrones (2.3) 54 n1→ índice de refracción del núcleo n2→ índice de refracción del revestimiento λ → longitud de onda en el vacío (en micrones) La construcción de la fibra monomodo más común consiste en un núcleo de 8,3 μm de diámetro, rodeado por un revestimiento de vidrio con índice de refracción más bajo que el del núcleo y uniforme. Este revestimiento alcanza los 125 μm. Esto se envuelve de nuevo por una capa protectora llegando a los 250 μm. Esta capa externa por lo general es de color para facilitar la identificación de las fibras en sus bordes. A esta construcción se le conoce como fibra de revestimiento acoplado y sin corrimiento de dispersión. 2.3.3 Algunas características de la fibra óptica 2.3.3.1 Atenuación La atenuación es la pérdida de potencia que sufren las señales a medida que se propagan por la fibra. Se mide en decibeles por kilómetro recorrido (dB/km). Este fenómeno depende de la longitud de onda de trabajo. Si se grafican los niveles de atenuación respecto a las longitudes de onda, se pueden definir cuatro ventanas de transmisión, que son regiones en las que la atenuación alcanza niveles mínimos. Así, tenemos la primera ventana a 850 nm, la segunda ventana a 1330 nm, la tercera ventana a 1550 nm y la cuarta ventana a 1625 nm. En la figura 2.22 se observa una gráfica de Atenuación vs Longitud de onda. Las causas de la atenuación en las fibras ópticas se agrupan en intrínsecas y extrínsecas. Las pérdidas por absorción intrínsecas son inherentes al material dieléctrico de que están compuestas las fibras y su efecto es la disipación, en forma de calor, de parte de la potencia óptica que se produce como consecuencia de la interacción entre los fotones y las partículas subatómicas del material. Otra causa intrínseca de atenuación son las pérdidas por dispersión intrínseca (scattering), también conocida como dispersión de Rayleigh, que se origina por las irregularidades microscópicas en el índice de refracción. Por otra parte, las pérdidas extrínsecas son debidas al proceso de fabricación de la fibra y su nivel es controlable. Las 55 principales contribuciones son las impurezas del material, un excesivo radio de curvatura y las irregularidades geométricas periódicas. Figura 2.22. Pérdidas de potencia en la fibra óptica en función de la longitud de onda 2.3.3.2 Pico de Agua Si se detalla la figura 2.22, se ve que a los 1380 nm hay un pico donde aumenta la atenuación, conocido como pico de agua, éste se debe a la absorción de los iones de hidroxilo presentes en la fibra. La magnitud del pico de agua ha disminuido a medida que las técnicas de producción de la fibra han mejorado. En la actualidad varios proveedores ofrecen fibras ópticas totalmente libres de este efecto. 2.3.3.3 Dispersión A parte de la dispersión modal, también existen otros dos tipos de dispersión en la fibra óptica, estos son: la dispersión cromática y la dispersión por modo de polarización. La dispersión cromática es una medida de qué tanto cambia la velocidad de propagación en función de la longitud de onda. Aquí se conjugan dos factores: la dispersión del material, que es la medida de qué tanto cambia el índice de refracción del vidrio respecto a la longitud de onda; y la dispersión por guía de onda. En la realidad, cuando una señal viaja por una fibra óptica, una parte de esta señal viaja por el núcleo y la otra parte por el revestimiento, y el 56 diámetro del campo modal cambia con la longitud de onda. Como el índice de refracción del núcleo es diferente al del revestimiento, un cambio en el diámetro del campo modal implica una variación de la dispersión promedio y, por ende, en la velocidad de propagación de la señal. La relación entre la variación de la longitud de onda y la variación en la velocidad de propagación debido a este efecto, es lo que se conoce como dispersión por guía de onda. Así como la dispersión modal, la dispersión cromática también es una función lineal de la longitud del sistema de transmisión. La dispersión cromática se mide en pico segundos por nanómetro por kilómetro (ps/nm/km), lo que significa que por cada kilómetro de fibra recorrida, un pulso con una longitud de onda de 1 nanómetro, se dispersará un picosegundo, es decir, se tendrá una dispersión cromática de 1 ps/nm/km. Por lo tanto, con una dispersión cromática de 1 ps/nm/km, un pulso de 10 Gbps con un ancho espectral de 0.2 nm se habrá dispersado por un período completo de bit (100 ps) luego de 500 km de fibra, lo que lo hará completamente irreconocible. Por lo general, los fabricantes de los equipos especifican cuál es la máxima dispersión temporal que soporta en sus receptores y con los datos de dispersión de la fibra y la distancia a recorrer se puede saber si se está en el rango de operación aceptable. Una fibra óptica estándar tiene una dispersión cromática nula cerca de los 1310 nm. En algunos casos es importante tener dispersión nula en 1550 nm, este punto de cero dispersión puede ser corrido hacia arriba alterando el perfil de impurezas de la fibra (dopaje), obteniendo así, fibra de dispersión corrida. La figura 2.23 muestra una curva de dispersión cromática típica para fibras monomodo con dispersión corrida (dispersion-shifted) y sin corrimiento de dispersión (non-dispersion-shifted). Los niveles típicos de dispersión cromática para aplicaciones comerciales van desde 2,8 a 3,2 ps/nm/km para longitudes de onda entre 1285 y 1330 nm y de 17 a 18 ps/nm/km a 1550 nm, para fibras sin corrimiento de dispersión. La dispersión por modo de polarización se explica a continuación. La luz que se utiliza en las redes ópticas, por lo general se encuentra en la región infrarroja del espectro electromagnético. Estas ondas de luz, como parte del espectro electromagnético, tienen 57 campos eléctricos y magnéticos asociados. Para una onda de luz dada, habrá campos eléctricos y magnéticos perpendiculares entre sí y a su vez perpendiculares a la dirección de Figura 2.23. Dispersión cromática vs. Longitud de onda propagación de la onda. La luz que emite un laser está hecha de muchas ondas individuales que tienen sus campos eléctricos y magnéticos en direcciones aleatorias, unos respecto a otros, aunque para cada onda individual los campos eléctricos y magnéticos estén perpendiculares entre sí. Esta perpendicularidad se aprecia en la figura 2.24. Se dice que esa luz no está polarizada. Si todos los campos eléctricos pudieran estar alineados entre ellos, lo mismo ocurriría para los campos magnéticos y esa luz estaría polarizada linealmente. Figura 2.24. Onda polarizada circularmente. Las líneas rojas representan al campo eléctrico y las verdes al campo magnético, siendo las flechas, los vectores resultantes. 58 Sin embargo, cada orientación aleatoria de estos campos puede ser separada en una componente vertical y otra horizontal (así como los vectores se pueden descomponer en sus componentes). En la física, a estos componentes de la orientación de los campos se les llama “estados de polarización” o “estados principales”. Cuando estos dos estados de polarización viajan a través de un trayecto perfectamente recto por una fibra óptica perfectamente cilíndrica, lo hacen exactamente a la misma velocidad. Sin embargo, sabemos que, en la práctica, la fibra óptica tiene imperfecciones que hacen que no sea perfectamente cilíndrica, hay puntos de tensión que no están dispuestos de manera simétrica, lo que se traduce en problemas para los estados de polarización, de hecho esto causa que viajen a diferentes velocidades y en el otro extremo de la fibra estos estados llegarán un poco separados en tiempo, lo que provoca que los pulsos de luz se dispersen en el tiempo. Es entonces cuando se dice que los pulsos han sufrido dispersión por modo de polarización (PMD, Polarization Mode Dispersion). La dispersión por modo de polarización depende de la longitud de onda e interactúa con los cambios de longitud de onda en los transmisores ópticos causando distorsión en el sistema. Una especificación comercial típica para dispersión por modo de polarización es ≤0,5 ps/√km a 1310 nm en una fibra sin corrimiento de dispersión, aunque los valores típicos van de 0,1 a 0,2 ps/√km. A estos niveles, la dispersión por modo de polarización no agrega una distorsión significativa en la mayoría de las redes de fibra óptica. 2.3.4 Tipos de láseres Todos los láseres consisten en tres elementos básicos: la cavidad del láser, una bomba óptica y un sistema de espejos como se muestra en la figura 2.25. La cavidad láser está hecha de un material óptico que cumple las siguientes propiedades: • Los electrones en el material pueden ser excitados hacia un estado de energía superior semiestable. • Se puede formar una guía de ondas dentro de él. • La luz de longitud de onda deseada, no es absorbida por él. 59 Figura 2.25. Diagrama esquemático de un láser. Una cavidad láser está formada por la guía de ondas óptica y dos espejos en los extremos. Con la ayuda de una especie de “bomba óptica”, los electrones en la región de la guía de ondas son excitados. El fenómeno clave que hace posible a los láseres es que cuando la luz rebota de un lado para el otro en la cavidad láser, ésta puede hacer que estos electrones caigan de nuevo a su estado normal de energía, generando así más luz que está precisamente en fase con la luz estimulante. Si hay suficientes electrones excitados (el láser operando por encima del umbral), se incrementa la intensidad de la luz. La palabra láser es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación). Para que el dispositivo resulte útil, una parte de la luz debe pasar por el espejo frontal. En los láseres usados en telecomunicaciones, esta luz de salida es enfocada en una fibra óptica monomodo. La cavidad está hecha de materiales semiconductores, usualmente aleaciones de galio, indio, arsénico y fósforo sobre un substrato de fosfato de indio. La bomba óptica se logra pasando una corriente eléctrica transversalmente a través de la cavidad. Los espejos de los extremos se logran haciendo una hendidura en la placa de semiconductor y añadiendo una capa óptica. El módulo láser incluye un fotodiodo que recoge una cantidad de luz controlada que se escapa del espejo trasero. Este fotodiodo monitor es utilizado en un circuito de control a lazo cerrado que controla la potencia óptica. El fotodiodo monitor, el láser, el sistema de lentes y la fibra acoplada están contenidos en un paquete electrónico que pasa a ser un componente de los módulos transmisores en los nodos ópticos. 60 Se dijo que la luz rebotaba de un lado a otro entre los espejos. Para unas dimensiones de la cavidad específicas y unas características ópticas dadas, habrá un conjunto de longitudes de onda uniformemente espaciadas que podrán permanecer en la cavidad sin ser atenuadas. Por lo tanto, sólo una banda estrecha de longitudes de onda pueden estimular a los electrones excitados para emitir radiación. La figura 2.26 muestra el “peine” de longitudes de onda permitidos y la curva de ganancia del semiconductor. La luz se puede propagar y ser emitida en todas las longitudes de onda permitidas, pero la amplificación es mayor en el centro de la curva de ganancia. Figura 2.26. Características del láser semiconductor. Esto describe la operación de un láser Fabry-Perot (FP), cuya salida óptica está caracterizada por varios modos de longitud de onda agrupados alrededor de una longitud de onda central. Cuando se habla de un láser FP en 1310 nm, se está haciendo referencia a su longitud de onda central aproximada. Si se agrega una estructura adicional durante la fabricación del láser, es posible suprimir todos los modos, excepto la longitud de onda central. Esto se logra creando una rejilla en forma de batea a lo largo de la cavidad como se muestra en la figura 2.27.a. Esta rejilla no representa literalmente una corrugación mecánica en la estructura del láser; es más bien una variación periódica de las propiedades ópticas del medio que está justo debajo de la guía de ondas. La rejilla actúa como un filtro óptico que refuerza la longitud de onda deseada y atenúa las demás. Como la rejilla se extiende a lo largo de la cavidad, a este tipo de láser se le llama 61 láser de realimentación distribuida (DFB, distributed feedback). La rejilla es muy efectiva, dado que en un láser DBF típico, los modos adyacentes están suprimidos en 50 dB o más como se ve en la figura 2.27.b. a b Figura 2.27. Láser de realimentación distribuida. a. Estructura del láser. b. Salida del láser 2.3.5 Fuentes de ruido en un enlace de fibra óptica Las fuentes de ruido que aquí se mencionan se consideran importantes porque impactan de alguna manera en la relación portadora a ruido (C/N) que no es más que la relación de la potencia de una portadora digital con respecto a la potencia de ruido en el ancho de banda que ocupa. Se expresa en dB. Ésta se puede calcular como se muestra en la expresión 2.3. C/N = (Eb/N0) (R/B) donde Eb → energía de la señal por bit. N0 → densidad de potencia de ruido (potencia de ruido en un ancho de banda de 1 Hz) R → tasa de bits (en bits por segundo) B → ancho de banda de ruido asociado con el filtro en el detector (2.3) 62 2.3.5.1 Ruido de intensidad relativa También conocido como RIN por sus siglas en inglés (relative intensity noise). Es una propiedad inherente al láser, resultante de las inestabilidades dentro de la cavidad del láser. Como este ruido es generado en la propia fuente del láser, su intensidad se atenúa en la fibra a la misma tasa que la señal, así la relación C/N debida al ruido de intensidad relativa es independiente de la longitud de la fibra. Para enlaces cortos, es la fuente principal de ruido. A medida que la longitud de la fibra aumenta, otras contribuciones de ruido pasan a ser más significativas. [1] 2.3.5.2 Ruido de la fibra Los láseres deben ser siempre evaluados en enlaces que contengan fibra óptica real en vez de dispositivos ópticos atenuadores. Esto se debe a que varios fenómenos que inducen ruido, se generan dentro de la fibra. Para láseres DFB, utilizados en la ruta directa, el tipo de ruido de fibra predominante es el ruido de intensidad interferométrica (IIN, interferometric intensity noise), el cual es causado por reflexiones dobles de la luz dentro de la fibra. El desempeño de los láseres de la ruta de retorno se ve menos afectado por el IIN que por las emisiones espurias y, en el caso de los láseres FP, por el ruido de modo de partición (MPN, mode partition noise), el cual resulta de la dispersión de la fibra que actúa sobre la luz de múltiples longitudes de onda del láser FP. [1] 2.3.5.3 Ruido de modo de partición Los láseres FP son afectados por un mecanismo de ruido en la fibra llamado ruido de modo de partición, el cual se deriva del hecho de que la fibra es un medio dispersivo. Prácticamente todas las fibras ópticas utilizadas para servicios de TV por cable, están diseñadas para tener el punto de dispersión nula en los 1310 nm, lo que significa que la velocidad de propagación mínima para una onda óptica se encuentra a una longitud de onda de 1310 nm en la fibra. En el caso de un láser FP, con sus múltiples longitudes de onda, la dispersión no puede ser nula para todas las longitudes de onda, lo que significa que esas múltiples longitudes de onda que salen del láser FP, viajarán a diferentes velocidades. 63 En cualquier instante, la potencia óptica constante emitida de un láser FP estará compuesta de diferentes cantidades de potencia en cada una de las diversas longitudes de onda. Si un solo tono RF es aplicado al láser, la luz que llega al otro extremo de la fibra en cualquier instante, sería una mezcla de la luz que llega “a tiempo” de la longitud de onda central además de la que llega “más temprano”, de las longitudes de onda que viajan más rápido, y de la luz que “llegan tarde” de las longitudes de onda que se propagan más lento. Como la intensidad de cada una de estas señales varía con cierta aleatoriedad, la intensidad de la señal combinada, tendrá cierto grado de variación aleatoria sobre el tono RF. Esto es lo que se conoce como ruido de modo de partición. Este ruido se incrementa con la longitud de la fibra dado que el desplazamiento en tiempo de la señal debido a la dispersión es proporcional a la longitud de la fibra. [1] 2.3.5.4 Emisiones espurias Las imperfecciones aleatorias microscópicas en la fibra de vidrio, actúan como espejos para la luz, lo que provoca que una pequeña parte de la luz del láser se devuelva hacia él. Esta luz reflejada puede inducir al láser a cambiar sus modos de operación. Las longitudes de onda de los diferentes modos son muy parecidas entre ellas. Esto hace que el fotodetector pueda ver dos señales diferentes provenientes del láser que no están correlacionadas en tiempo. La primera es una señal directa enviada en un modo de orden superior. La segunda es una señal enviada anteriormente en el modo original que ha sido doblemente reflejada en la fibra (una señal retrasada en un tiempo aleatorio debido al camino extra que recorrió en su viaje de ida y de regreso). El detector ve dos señales independientes, cada una con un ancho espectral correspondiente al ancho de línea del láser (que puede estar en el orden de los 10 MHz). El fotodetector es un dispositivo de ley cuadrada que convierte la potencia de entrada en corriente (raíz cuadrada de la potencia), es un dispositivo caracterizado por su no linealidad. A pesar de que esto es muy útil, tiene la desventaja de convertir al detector en un buen mezclador de frecuencias. De este modo las señales ópticas se mezclan en el detector y producen una especie de latidos aleatorios en f1+f2 y en f1-f2. Estos latidos caerán en todo el espectro RF que se extiende por debajo del doble del ancho de línea del láser (por debajo de los 20 MHz, 64 aproximadamente). Esto causará un impacto en el extremo inferior de la banda de retorno, pero muchas de las ráfagas tienen suficiente energía para producir armónicos significativos, por lo que puede ser común observar estas emisiones en la banda de retorno. Estas emisiones tienen que ver tanto con los láseres DFB y los FP. Sin embargo, en el caso de los FP, las emisiones son un poco menos notables porque el ruido de modo de partición que está en segundo plano es mayor. El láser FP siempre está operando en varios modos, por lo que estas alteraciones en la cavidad debido a los rayos reflejados no resultan tan perjudiciales. Por otro lado, la ventaja del láser DFB es que tiene un nivel de ruido muy bajo (ruido de intensidad relativa bajo y no tiene ruido de modo de partición) debido a su cavidad que opera en un solo modo. [3] 2.3.5.5 Ruido de intensidad interferométrica El IIN se genera en el fotodetector como resultado de las interacciones entre las señales directas y aquellas cuyas rutas incluyen múltiples reflexiones dentro de la fibra. En cualquier punto de la fibra, una imperfección puede causar que un poco de la luz rebote hacia el láser, luego en otro punto volverá a rebotar hacia el fotodetector. Como las reflexiones dependen del estado microscópico instantáneo de la fibra, la longitud de la ruta efectiva para estas reflexiones dobles variará continuamente, lo que significa que la luz reflejada doblemente llegará al detector en momentos aleatorios. Es decir que en cualquier momento el detector recibe dos señales: la señal directa más otra aleatoria (no correlacionada) de la misma fuente óptica. El IIN es el resultado de estas dos señales mezcladas en el detector. Esta mezcla produce unos pequeños pulsos en la banda RF en múltiplos de la frecuencia diferencia entre sus dos longitudes de onda. Habrá más reflexiones para mayores longitudes de la fibra, pero el incremento de esta longitud va de la mano con el incremento de la atenuación de las reflexiones dobles de ese camino con longitud extra. Para fibras cortas, el IIN se incrementa rápidamente (aproximadamente al cuadrado de la longitud), pero a medida que la longitud de la fibra comienza a aumentar, la relación se vuelve esencialmente proporcional a dicha longitud. En la 65 mayoría de los casos el efecto máximo del IIN se aprecia en longitudes de fibra comprendidas entre los 10 y los 20 km. [1] 2.3.5.6 Ruidos en el detector Las otras dos contribuciones de ruido ocurren en el receptor de la fibra. En el fotodetector del receptor, los fotones que entran son absorbidos y los fotoelectrones son expulsados y colectados como una corriente. El ruido de disparo ocurre porque cada fotón llega como un evento discreto, de modo que la corriente que sale del detector tendrá una fluctuación estadística. Mientras más alta sea la potencia de la señal RF en el detector, menor será el efecto estadístico del ruido de disparo. Así, para un láser dado, el ruido de disparo pasa a ser más importante mientras mayor sea la longitud de la fibra. El ruido térmico en el receptor surge de las mismas fluctuaciones térmicas que ocurren en los amplificadores. Como en los amplificadores RF, este efecto cobra importancia cuando la potencia de la señal de entrada es baja porque el ruido térmico es una constante, dependiendo sólo de la temperatura del receptor. Es decir que en un enlace de fibra muy largo el ruido térmico dominará y la relación C/N disminuirá en 2 dB por cada dB adicional de pérdida en la fibra. [1] 2.4 Multiplexación por longitud de onda Las fibras ópticas son capaces de transportar múltiples señales ópticas independientes de diferentes longitudes de onda, de manera simultánea y con un mínimo de interacción entre ellas. El término utilizado para ese uso compartido de la fibra es Multiplexación por División de Longitud de Onda o WDM (Wavelength Division Multiplexing). En un diseño de red se puede escoger el uso de WDM como una alternativa económica para instalar más fibras o como una manera de combinar señales que serán detectadas simultáneamente por un receptor común. Ambas técnicas tienen aplicaciones en los sistemas cableados. 66 2.4.1 Definición La multiplexación por división de longitud de onda se refiere a cualquier aplicación en la cual múltiples señales ópticas de diferentes longitudes de onda comparten el uso de fibras comunes. Sin embargo, dentro de esa definición general hay un rango considerable de aplicaciones y planes de uso de las longitudes de onda. Existen diferentes acrónimos (algunos de ellos un poco inconsistentes) para distinguir estos planes. [3] 2.4.2 Tipos WWDM Uno de los primeros planes de WDM, involucraba sólo dos longitudes de onda: una en la ventana de los 1310 nm y la otra en la ventana de los 1550 nm. Una aplicación típica podía comprender el transporte de dos señales sobre un enlace compartido donde serían separadas en el otro extremo, o enviar dos señales moduladas sin solapamiento del espectro RF a un detector común donde serían detectadas y combinadas en una sola operación. Aunque la WDM se refiere por lo general a cualquier nivel de multiplexación, el término se aplica a veces a la multiplexación en 1310 y 1550 nm como distinción de los otros planes más densos que se verán más adelante. El estándar ITU-T G.671 considera que cualquier espaciamiento entre canales, mayor de 50 nm es multiplexación amplia por división de longitud de onda (WWDM, Wide Wavelength Division Multiplexing). CWDM Uno de los estándares de la industria óptica usa hasta ocho longitudes de onda con un espacio de 20 nm entre ellas y centradas en la tercera ventana de la fibra óptica aproximadamente, también conocida como la “banda C” (ver figura 2.23) en los 1550 nm. Las longitudes de onda son: 1470, 1490, … , 1610 nm. Generalmente a este esquema se le llama multiplexación gruesa por división de longitud de onda (Coarse Wavelength Division Multiplexing) de acuerdo con la norma ITU-T G.671 (cualquier espaciamiento entre 8 y 50 nm). La recomendación ITU-T G694-2, en junio de 2002, aprobó que este rango se extendiera hacia abajo hasta los 1270 nm (18 longitudes de onda) anticipándose a la disponibilidad comercial de la fibra con cero pico de agua. Como este plan es de longitud de onda extendida, 67 sólo será aplicable a sistemas no amplificados hasta que los amplificadores ópticos con ancho de banda extendida, sean desarrollados. DWDM La Unión Internacional de Telecomunicaciones ha definido un plan de uso que pueda escalar a 45 longitudes de onda en la tercera ventana y cuyos espaciamientos han sido divididos más aún en algunos sistemas para alcanzar rendimientos de hasta el doble de ese número. Las designaciones de canales definidas son para canales espaciados en 100 GHz (0,8 nm). Independientemente de si se usan espaciamientos de 200 ó 100 GHz, a este plan de uso se le conoce como multiplexación densa por división de longitud de onda (Dense Wavelength Division Multiplexing). 2.4.3 Propiedades Existen varias propiedades que son comunes a todos los planes, cada uno con su analogía paralela en la tecnología RF. • Mientras más cercano sea el espaciamiento entre las longitudes de onda, más difícil (costoso) es separarlas en los demultiplexores y lograr al mismo tiempo un aislamiento adecuado entre canales adyacentes, variaciones mínimas en la respuesta plana de cada canal y pérdidas bajas por inserción. • Mientras más cercano sea el espaciamiento entre las longitudes de onda, se requiere mayor estabilidad en frecuencia de los transmisores. • Mientras más cercano sea el espaciamiento entre las longitudes de onda, mejor será el acoplamiento entre las velocidades de transmisión de la señal. Una mezcla de cuatro ondas es un máximo cuando las señales están acopladas muy cercanas en fase, mientras que la modulación de fase cruzada es máxima cuando las velocidades de grupo están acopladas muy cercanas. El grado de acoplamiento también depende de la dispersión de la fibra, con una fibra estándar que tiene alta dispersión para los 1550 nm y baja dispersión para los 1310 nm. 68 • Mientras más longitudes de onda comparten la fibra, menor debe ser la potencia por longitud de onda para un grado dado de interacción mutua debido a las características no lineales de la fibra. 2.5 Redes de acceso En general, la red de transporte, que contiene los sistemas de transmisión y de interconexión entre los distintos elementos de la red, puede ser válida y compartida por distintos tipos de servicios, mientras que la red de acceso o conmutación suele ser específica del servicio prestado. Por ejemplo, para proporcionar el servicio telefónico fijo o móvil se utilizan centrales de conmutación específicas y para el de datos se hace uso de nodos X.25, ATM, Frame Relay, enrutadores IP, etcétera, es decir, o conmutación de circuitos o conmutación de paquetes, dos técnicas bastante diferentes ya que la primera se comporta de manera transparente y ofrece un grado de calidad de servicio establecido, mientras que con la segunda se tiene en cuenta el protocolo utilizado y no siempre se puede garantizar un grado de calidad de servicio pero, en cambio, se hace un uso más eficiente del espectro, algo totalmente necesario cuando el número de usuarios es muy alto. Sin embargo, se está viendo una tendencia a utilizar una red IP para soportar cualquier tipo de servicio, tanto de voz como de datos, algo que técnicamente es posible pero que requiere disponer del ancho de banda suficiente para evitar su colapso y dar un tiempo de respuesta adecuado. La red de acceso es una red que puede ser más sencilla en cuanto a que necesita menor capacidad de ancho de banda por nodo, pero más compleja en cuanto que el número de ellos es muy superior a los de la red troncal, influyendo esto en su costo que, muchas veces, es muy superior al de la otra. Por ejemplo, el mayor capital que tienen los operadores telefónicos establecidos hace tiempo es la red de acceso (o bucle de abonado), algo muy difícil de construir en poco tiempo y, además, sumamente costoso, por lo que a los nuevos entrantes no les queda otra solución que alquilárselo al que ya lo tiene si quieren empezar a distribuir sus servicios en plan masivo y de forma inmediata. 69 En esta parte de la red, el acceso, son frecuentes las etapas de concentración empleando multiplexores o concentradores, con objeto de ahorrar medios de transmisión, lo que requiere de una perfecta sincronización dentro de la red, un proceso delicado pero que puede conseguirse mediante el empleo de protocolos de señalización potentes, como son los actuales. El tipo de equipos que se usa es muy dependiente del servicio prestado, siendo a veces incompatibles unos con otros, por lo que la integración de diversos tráficos en una misma red que llegue hasta el usuario final no siempre es posible. 2.5.1 Definición La red de acceso es “toda la infraestructura de comunicaciones existente entre el punto de conexión del terminal de usuario en el domicilio del cliente y el primer equipo que procesa la información en el nivel de red, es decir, en el nivel 3 del modelo OSI”. [9] 2.5.2 Modalidades de acceso Los usuarios de los servicios de telecomunicaciones, particulares o profesionales, se pueden encontrar en su domicilio, en su empresa o desplazándose, con lo que los medios empleados para proporcionarles acceso varían en función de esta circunstancia, al igual que lo hacen en función del tipo de servicio, aunque no siempre, ya que, como se ha comentado, se trata de independizar cada vez más el servicio de la red y de que el mismo se pueda obtener con independencia del medio empleado. De manera general, se pueden considerar cuatro modalidades de acceso en función del medio de conexión; de este modo, tenemos el acceso por cable de pares de cobre, híbrido fibra y coaxial, por radio (celular, inalámbrico y por satélite) y por fibra óptica. Así, a la hora de estudiar las diferentes redes de acceso, las clasificaremos en cuatro grupos: • Las redes de acceso vía cobre, entre las que destacan las tecnologías xDSL. 70 • Las redes de acceso vía radio, tales como Celular, DECT, WLAN, LMDS y satélite. • Las redes híbridas fibra-coaxial HFC. • Las redes de acceso vía fibra óptica, como las redes PON y las redes WDM. Cada modo presenta características distintas y, en función de ellas, el usuario particular o la empresa deberán decidir cuál es el idóneo para cubrir sus necesidades. Así, unos son muy sencillos pero tienen una capacidad limitada de ancho de banda, mientras que otros son más complejos, y en consecuencia más costosos, pero ofrecen una capacidad casi ilimitada de ancho de banda. También, unos medios evolucionan con la incorporación de nuevas tecnologías para ofrecer una mayor capacidad de transmisión, con lo que permiten la oferta de nuevos servicios y su vida útil se alarga, como sucede, por ejemplo, con los cables de cobre y xDSL, con el cable coaxial y los cable módems, con las redes celulares UMTS para transmisión de paquetes de datos y las redes inalámbricas con Wi-Fi para acceso a Internet, o con la fibra óptica y WDM, una técnica que permite aumentar notablemente la capacidad de la misma como se vio anteriormente. Redes de acceso vía cobre Durante años se ha especulado sobre las limitaciones de las redes telefónicas y, en particular, si se podría superar los 14,4 kbps primero, y los 28,8 kbps después, utilizando pares de cobre, ya que el teorema de Shannon impone un cierto límite en función de la relación Señal a Ruido (S/N) en la línea. La RDSI (Red Digital de Servicios Integrados) dio un importante paso adelante al proporcionar 192 kbps en su acceso básico. En los siguientes años, los nuevos módems alcanzaron 56 kbps empleando técnicas de modulación sofisticadas y ya para 2004 los módems xDSL se aproximaban a velocidades de hasta 8 Mbps utilizando una parte del espectro fuera del ancho de banda propio del canal telefónico, que va de 0 a 4 kHz. Estas alternativas potenciales al bucle de abonado como las redes de cable o los sistemas inalámbricos de tercera generación pasan por la instalación de nuevos medios de transmisión de fibra en el primer caso y de notables infraestructuras de antenas y estaciones base en el segundo, siendo ambas labores muy costosas y nunca exentas de dificultades. 71 Básicamente, son dos los acontecimientos importantes que han impulsado a las tradicionales compañías operadoras telefónicas a investigar una tecnología que permitiera el acceso al servicio de banda ancha sobre sus tradicionales pares trenzados de cobre: las nuevas aplicaciones multimedia y el acceso rápido a contenidos de Internet. También hoy en día, algunas compañías de energía eléctrica utilizan su cableado para telefonía, vídeo o Internet (PLC, Power Line Communications). Redes de acceso vía radio Los sistemas vía radio utilizan el espectro radioeléctrico, por lo que no necesitan ningún medio físico de transmisión, y presentan una alternativa clara a las redes de cable. La ventaja clara de este tipo de sistemas es la reducción de los costos de infraestructura, además del pequeño margen de tiempo necesario para su puesta en marcha, dado que en el momento en que se dispone de la antena, se llega inmediatamente a miles de usuarios. Conforme el número de usuarios va creciendo, se va realizando el despliegue de nuevas antenas y así el despliegue de infraestructura va acompasado con el número de clientes, algo que no sucede en otros tipos de redes, que hay que montar con su capacidad final desde un principio, haya o no usuarios es ese momento. Los sistemas que se presentan y desarrollan en la actualidad para el acceso a los servicios de banda ancha son, fundamentalmente, las redes celulares GSM/GPRS y UMTS; el WLL (Wireless Local Loop, Lazo Local Inalámbrico), el LMDS (Local Multipoint Distribution System, Sistema de Distribución Local Multipunto), las WLAN (Wireless LAN) y los satélites, además del DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications, Telecomunicaciones Inalámbricas Mejoradas Digitalmente). Las redes celulares que, a nivel mundial cuentan ya con más de 2,6 millardos de usuarios 1 , emplean diversas tecnologías -analógicas y digitales- de acceso radio (AMPS, GSM, UMTS, CDMA, etc.), pero todas ellas utilizan el mismo principio: la distribución celular del territorio a cubrir, para poder reutilizar las frecuencias existentes y tener más capacidad para atender a un mayor número de usuarios. 1 Según la Unión Internacional de Telecomunicaciones para septiembre 2007 72 WLL se trata de un medio que provee enlaces locales sin cables. Mediante sistemas de radio omnidireccional de bajo poder, WLL permite a las operadoras una capacidad de transmisión mayor a un Mbps por usuario y más de un Gbps de ancho de banda agregado por área de cobertura. LMDS, utilizando enlaces punto-a-punto, de microondas, los satélites de comunicaciones para difusión (broadcast) y las WLAN para acceso sin hilos a redes locales, constituyen los otros elementos esenciales en el conjunto de comunicaciones vía radio. Estas redes poseen una serie de características que las hacen muy atractivas, entre las que cabe destacar: • Bajo costo. En general, una red de acceso basada en radio tiene menores costos globales que una red de cable equivalente (cobre, fibra óptica o coaxial), ya que el ahorro en obra civil (zanjas, tendido de cable, etc.) compensa, en la mayoría de los casos, los costos derivados de la obtención de licencias de operación en las bandas reservadas. • Rapidez de despliegue. Pueden desplegarse y ponerse operativas en mucho menos tiempo que las redes cableadas. • Accesibilidad. Permiten llevar los servicios a áreas de difícil cobertura por otros medios, debido a baja densidad de población, accidentes geográficos, etc. • Baja inversión inicial. La estrictamente necesaria para desplegar las estaciones base que cubren el área definida, y los equipos de abonado. • Crecimiento adaptado a la demanda. Una vez realizado el despliegue inicial, un sistema de acceso radio crece proporcionalmente a la demanda, ya que los equipos terminales se instalan según vayan apareciendo nuevos clientes, sin necesidad de introducir cambios en la infraestructura hasta que el número de usuarios no alcance unos ciertos límites. • Bajo costo de mantenimiento, en comparación con los sistemas cableados, en los que el mantenimiento de la planta externa representa una parte muy importante en los costos globales de operación. Estos sistemas son también más inmunes a acciones de vandalismo, robos, etc. • Retorno rápido de la inversión. Proporcionan al operador de red un rápido retorno de las inversiones y le permiten definir un modelo de negocio atractivo en un mercado competitivo. Así, las redes de acceso radio representan una solución muy atractiva especialmente para los nuevos operadores de Telecomunicación, que ven en la radio la solución ideal para 73 competir con la posición dominante del operador establecido, en el punto donde la relación con el cliente es más directa: el bucle local. Redes Híbridas Fibra-Coaxial (HFC) Las primeras redes de cable se desarrollaron a finales de los años cuarenta, con el objetivo de posibilitar la distribución de la señal de televisión en las pequeñas ciudades asentadas en los valles de las montañas de Pensilvania, en EE.UU., y por tal razón se llamaron CATV (Community Antenna TV). Estas redes se extendieron y hoy, muy mejoradas, se utilizan en muchos países para la distribución de TV, servicio telefónico, acceso a Internet y permiten la transmisión bidireccional sobre largas distancias y acceso a servicios bajo demanda, como son los VOD (Video On Demand, Video bajo Demanda) y Pay per View (Pago por Visión). Las redes CATV actuales suelen transportar la señal mediante fibra óptica, para cubrir distancias relativamente largas, y coaxial, para la distribución en las proximidades. Se trata de una red híbrida de fibra y coaxial, habitualmente referida como HFC (Hybrid Fiber/Coax). El uso de fibra óptica en la troncal de las redes de cable ha permitido, gracias a su capacidad de transmisión, la incorporación de servicios interactivos. Estos servicios (en particular telefonía, datos e Internet y vídeo bajo demanda), requieren que la red permita la comunicación en ambos sentidos. Una red de acceso HFC está constituida, genéricamente, por tres partes principales: • Elementos de red. Dispositivos específicos para cada servicio que el operador conecta tanto en los puntos de origen de servicio como en los puntos de acceso al servicio. • Infraestructura HFC, incluye la fibra óptica y el cable coaxial, los transmisores ópticos, los nodos ópticos, los amplificadores de radiofrecuencia, taps y otros elementos pasivos. • Terminal de usuario. Set-Top-Box (cajas decodificadoras), cable módems y unidades para integrar el servicio telefónico. 74 Con mayor ancho de banda, los operadores disponen de mayor espectro en el que ofrecer servicios que generen beneficios. El ancho de banda de la red HFC es la clave en la que se fundamentan las ventajas de este tipo de redes, entre las que se incluyen la posibilidad de ofrecer una amplia gama de servicios, tanto analógicos como digitales, soporte de servicios conmutados, dedicados y de difusión y la capacidad de adaptación dinámica a los cambios de la demanda y del mercado, debida, en gran parte, a la gran flexibilidad y modularidad de que están dotadas este tipo de redes. Redes de acceso vía fibra óptica La introducción de la fibra óptica en el nodo de acceso va a permitir disponer de un medio de transmisión de gran ancho de banda para el soporte de servicios de banda ancha, tanto actuales como futuros. En función de la aplicación particular y de los servicios que serán entregados, se pueden encontrar diversas soluciones técnicas. A continuación se enumeran algunas: • Redes Ópticas Pasivas (PON). La técnica de transmisión más utilizada es la multiplexación por división en longitud de onda WDM (Wavelength Division Multiplexing) y la configuración punto a punto. La arquitectura PON elimina la electrónica en la planta externa y cubren principalmente el rango de servicios entre 1,5 Mbps y 155 Mbps que otras redes de acceso no llegan a cubrir. • Redes SDH (Syncrhonous Digital Hierarchy) y SONET, que constituyen la mayoría de las redes de transmisión modernas de los operadores públicos en todo el mundo, aportando una gran capacidad y flexibilidad en la asignación de recursos. Los usuarios de negocios o comunidades científicas o educativas se suelen conectar a un anillo de distribución SDH que permite velocidades de varios cientos de Mbps. Al ser toda la infraestructura de fibra óptica, se proporciona una transmisión muy segura y libre de errores, con una alta capacidad de transferencia si se emplea, por ejemplo, ATM. 75 Los límites, tanto en capacidad como en alcance, de cada medio son diferentes y, de alguna manera, éstos condicionan sus aplicaciones. A mayor capacidad de ancho de banda mayor número de usuarios y una oferta más amplia de servicios. 2.5.3 Ruta de retorno La ruta de retorno es la vía mediante la cual los usuarios envían las señales desde sus predios hacia la cabecera. En la última década se le ha exigido tanta efectividad y eficiencia como la que posee la ruta directa (la que va desde la cabecera hacia el suscriptor). El estándar DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification, Especificación de Interfaz sobre Servicios de Datos por Cable), especifica características como los anchos de banda por canal, las modulaciones para los canales de bajada y de subida y las referentes a las vías de retorno. 2.6 Triple play En telecomunicaciones, Triple Play es un término de mercadeo que se refiere al empaquetamiento de servicios y contenidos audiovisuales (voz, banda ancha y televisión) en un sólo servicio. Es la comercialización de los servicios telefónicos de voz junto al acceso de banda ancha, añadiendo además los servicios audiovisuales (canales de TV y pago por visión). El desarrollo actual de las empresas de telecomunicaciones, televisión por cable, televisión satelital, eléctricas, etc., conlleva a una solución única para varias necesidades: el servicio telefónico, televisión interactiva y acceso a Internet, todo en un mismo servicio. La diferencia que distingue a esta nueva categorización de tecnología consiste en que todos los servicios se sirven por un único soporte físico, ya sea cable coaxial, fibra óptica, cable de par trenzado, red eléctrica, o incluso microondas. El Triple Play se enfoca en un modelo de negocios combinado más que en una solución de asuntos técnicos. Algunas ventajas del Triple Play son: • Posibilita un servicio más personalizado al usuario debido a que el cliente dispone de los servicios y contenidos que él desea utilizar en el momento idóneo. 76 • Incremento de la calidad de los servicios, llegando hasta los hogares la calidad digital. • Nuevas posibilidades en telefonía y un abaratamiento del acceso a Internet. • Le permite a la empresa de telecomunicación crear fidelidad por parte de sus clientes al tener todos los servicios juntos. 2.7 Voz sobre IP La voz sobre IP (VoIP, Voice over IP) se trata de un sistema telefónico en el que las señales de voz se digitalizan (generalmente en una tarjeta de sonido), se comprimen por software y se envían como paquetes de datos por internet. Existen dos tipos de sistemas de VoIP: el sistema cliente-servidor y el sistema de conexión entre puntos o pares (peering). El primero resulta de interés, ya que es el que se implementa en la industria cable-operadora. En un sistema de circuitos conmutados, el conmutador mantiene todas las funciones de llamada y las señales que van y vienen de los terminales telefónicos. Éstos se pueden conectar directamente al conmutador o a través de un concentrador de lazo digital (DLC). En cualquiera de los casos, un par dedicado de cables se asigna a cada número telefónico desde el conmutador o DLC al teléfono. Cuando un suscriptor A llama a un suscriptor B, el sistema mantiene la conexión mientras dure la llamada. Ahora, considerando un sistema de VoIP cliente-servidor, el servidor (softswitch) prepara y configura la llamada pero luego no se involucra hasta que la llamada se complete. El enrutador sostiene otros paquetes de datos que van desde y hacia los clientes. No existe un par de cables separados que conecte a cada teléfono de un suscriptor con un punto central, sino que más bien la señal es transportada sobre cables coaxiales o de fibra óptica, junto con señales de datos y de televisión. La pasarela (gateway) del cliente puede consistir de un cable-modem con circuitos especializados (el cliente) a los que se conecta el teléfono. Los datos provenientes de ese cliente del suscriptor se multiplexan con otros datos del mismo suscriptor y de otros suscriptores y son enviados a la cabecera. La señal telefónica se multiplexa con otros datos 77 usando TDM/TDMA, de manera frecuente pero no siempre. Este es el primer punto de simplificación de la VoIP en comparación con la telefonía de circuitos conmutados. Para conectar al suscriptor con la oficina central, no se usan circuitos separados (de hecho, en términos clásicos no hay oficina central). Más bien los datos telefónicos atraviesan el mismo circuito como lo hacen los demás datos. La capacidad de multiplexación de los cable-modems reduce drásticamente la cantidad de puertos necesarios del router. Un suscriptor A se comunica con un suscriptor B directamente, enviando paquetes de voz de un lado a otro sobre la red IP representada por el router. Se debe notar que el softswitch no está involucrado en la llamada de voz y que A y B nunca se comunican directamente el uno con el otro durante la configuración de la llamada. El softswitch retiene la información de que la llamada está en progreso, de este modo, si alguien más trata de llamar a A o a B, obtendrá una señal de ocupado. La llamada telefónica progresa a medida que cada terminal envía paquetes de señales de voz hacia el otro extremo. Las señales de voz usualmente están incorporadas en paquetes IP usando un protocolo de capa 4, tal como el Protocolo de Datagrama de Usuario (UDP, User Datagram Protocol). Los paquetes de la llamada telefónica son multiplexados junto con todos los otros paquetes que van desde y hacia una cantidad de clientes, usando la misma estructura de multiplexación que se usa para todos los otros datos. El router es necesario para propósitos de encaminamiento de datos y la llamada telefónica es simplemente unos cuantos paquetes adicionales que deben ser transportados. El softswitch no es más que una gran base de datos que debe tener información actualizada sobre el número telefónico y la identificación de todos los suscriptores. Mientras un switch (conmutador) de clase 5 se localiza en un vecindario y sirve típicamente a unos cuantos miles de suscriptores, el softswitch, dependiendo de su capacidad de diseño, puede servir a muchos más suscriptores y puede ser ubicado en cualquier punto conveniente de la red. Una vez establecida la llamada, el trabajo del softswitch está listo y puede continuar configurando otra llamada. Los paquetes de llamada no fluyen hacia el softswitch, más bien fluyen hacia el router como lo hacen todos los demás paquetes. No existe una oficina de 78 conmutación tradicional; en lugar de ello, dicha oficina está reemplazada por el encaminamiento dentro de la red de routers que está pensada para otros servicios de datos también. Obviamente, los sistemas reales son un tanto más complejos que esta ilustración simplificada. La mayoría de las llamadas no se originan y terminan en el mismo switch (circuito conmutado), tampoco son transportadas a través de un solo router. El sistema de VoIP debe mantener una interfaz con el PSTN (Public Switched Telephone Network, Red Telefónica Pública Conmutada) para transferir llamadas que no están destinadas a otro teléfono dentro del mismo sistema y ambos sistemas deben estar conectados a ramales de circuitos conmutados de larga distancia para poder hacer llamadas de este tipo. Aunque es posible llevar a cabo llamadas de larga distancia a través del internet público, no se hace comúnmente debido a aspectos relacionados con la calidad de servicios. 2.8 Sistema GPS GPS son las siglas de Global Positioning System o Sistema de Posicionamiento Global. Consiste en un Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) que permite determinar en cualquier parte del mundo la posición de un objeto, persona, vehículo o nave, con una precisión hasta de centímetros, usando GPS diferencial, aunque lo habitual es que el error sea de unos pocos metros. Aunque su invención se le atribuye al gobiernos francés y al belga, el sistema fue desarrollado e instalado, y actualmente es operado, por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Un dispositivo GPS (receptor) funciona mediante una red de 27 satélites (24 operativos y 3 de respaldo) en órbita sobre el globo terráqueo, a 20200 km, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra. Cuando se desea determinar la posición, el dispositivo localiza automáticamente como mínimo tres satélites de la red, de los que recibe unas señales indicando la posición y el reloj de cada uno de ellos. En base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el retraso de las señales; es decir, la distancia al satélite. Por "triangulación" calcula la posición en que éste se encuentra. La triangulación en el 79 caso del GPS, a diferencia del caso 2-D que consiste en averiguar el ángulo respecto a puntos conocidos, se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición, que es donde se encuentra el dispositivo. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la propia posición relativa respecto a los tres satélites. Conociendo además las coordenadas o posición de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o las coordenadas reales del punto de medición. También se consigue una exactitud extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómicos que llevan a bordo cada uno de los satélites. Cómo funciona el GPS 1. La situación de los satélites es conocida por el receptor con base en las efemérides (5 parámetros orbitales Keplerianos), parámetros que son transmitidos por los propios satélites. La colección de efemérides de toda la constelación se completa cada 12 minutos y se guarda en el receptor GPS. 2. El receptor GPS funciona midiendo su distancia a los satélites, y usa esa información para calcular su posición. Esta distancia se mide calculando el tiempo que la señal tarda en llegar al receptor. Conocido ese tiempo y basándose en el hecho de que la señal viaja a la velocidad de la luz (salvo algunas correcciones que se aplican), se puede calcular la distancia entre el receptor y el satélite. 3. Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de la esfera, con centro en el propio satélite y de radio la distancia total hasta el receptor. 4. Obteniendo información de dos satélites se indica que el receptor se encuentra sobre la circunferencia que resulta de la intersección de las dos esferas. 5. Si se adquiere la misma información de un tercer satélite se puede notar que la nueva esfera sólo corta la circunferencia anterior en dos puntos. Uno de ellos se puede descartar porque ofrece una posición absurda. De esta manera se obtiene la posición en 3-D. Sin embargo, dado que el reloj que incorporan los receptores GPS no está sincronizado con los relojes atómicos de los satélites GPS, los dos puntos determinados no son precisos. 6. Teniendo información de un cuarto satélite, se elimina el inconveniente de la falta de sincronización entre los relojes de los receptores GPS y los relojes de los satélites. Y es en este momento cuando el receptor GPS puede determinar una posición 3-D exacta (latitud, longitud y altitud). Al no estar sincronizados los relojes entre el receptor y los satélites, la intersección 80 de las cuatro esferas con centro en estos satélites es un pequeño volumen en vez de ser un punto. La corrección consiste en ajustar la hora del receptor de tal forma que este volumen se transforme en un punto. CAPÍTULO 3 ESTUDIOS PREVIOS AL DISEÑO 82 3.1 Análisis de la demanda Para realizar este análisis se realizó un estudio de la demanda de servicios de: transporte de datos, internet, VPN (Red Privada Virtual, Virtual Private Network), telefonía (IP), CCTV (Circuito Cerrado de TV), VoD y TV, que requerirían diversas empresas de la zona occidental del Lago de Maracaibo, en las poblaciones de interés (La Villa del Rosario y Machiques). A pesar de que el estudio se hizo en torno a todos los servicios mencionados anteriormente, se enfocó con más énfasis en los servicios de datos (internet), TV y transporte debido a que en una primera etapa, estos serán los primeros que se implementarán. Esto se decidió, dado que existen acuerdos de Multivisión con otras empresas que esperan la implementación de la red para comenzar a utilizarla con estos tres servicios que se han considerado primordiales. El listado de las empresas más importantes se obtuvo de un estudio que Multivisión había llevado a cabo previamente, basado en el servicio de internet para usuarios tanto residenciales como corporativos. El estudio se consideró útil, ya que databa de finales de 2006. Con este listado y con el apoyo de personal conocedor de las empresas y sus actividades, se le hizo una asignación de las necesidades de ancho de banda y de los servicios a cada una de ellas. Como el servicio de televisión por suscripción es uno de los que genera gran parte de los ingresos de la corporación, es importante ver en detalle el ancho de banda que requieren los canales de TV. Actualmente, el servicio de televisión por suscripción que presta Multivisión es analógico, sin embargo, dentro de sus planes a largo plazo, está digitalizar las cabeceras para poder ofrecer televisión digital a sus abonados y luego de que el servicio digital esté afianzado, ofrecer algunos canales en alta definición. Para el momento en que esto se logre, Multivisión espera tener una oferta de aproximadamente 120 canales, de los cuales 110 serían digitales de definición estándar y otros 10 serían digitales de alta definición. El ancho de banda que utiliza un canal digital, depende de la codificación que éste utilice, pero en promedio y tomando como base unas pruebas realizadas de flujo de video en tiempo real (streaming) usando codificación MPEG-4, se le ha asignado un ancho de banda de 5 Mbps a 83 los canales digitales de definición estándar y de 18 Mbps a los canales de definición alta. De este modo, queda lo que se muestra en la tabla 3.1. Canales 10 110 TV Ancho de Banda por canal (en Mbps) BW Total (en Mbps) 18 (HDTV) 180 5 (Digital) 550 Total TV 730 en Gb 0,18 0,55 0,73 Tabla 3.1. Detalle del ancho de banda necesario para servicios de TV digital Si se desean observar en detalle los servicios demandados, la cantidad de empresas interesadas en dichos servicios, los anchos de banda demandados por cliente y los totales, para la región de Rosario de Perijá, se puede revisar la tabla 3.2 en la que se presentan todos estos datos. Servicio demandado Cantidad de empresas interesadas Ancho de Banda Unitario (por cliente, en Kbps) 2 3 6 1 1 1 14 512 1024 2048 44736 34368 10240 18 50 19 37 11 135 128 256 384 512 1024 en Kbps Totales en Mbps en Gbps Transporte de datos Total 1024 3072 12288 44736 34368 10240 105728 105,7 Internet Total Dedicado Conmutado VPN Telefonía IP CCTV VoD Televisión 16 115 72 3 76 512 64 512 5000 ‐ Uso total de la red 2304 12800 7296 18944 11264 52608 20864 1024 8192 7360 36864 15000 730000 925032 0,20 21,89 8,2 7,4 36,9 15 730 925,03 Tabla 3.2. Detalle de servicios, empresas interesadas y anchos de banda por cliente. 0,73 0,93 84 Si se dividen los anchos de banda requeridos en servicios y regiones, se tiene que para la región perijanera el ancho de banda demandado es el que se muestra en la tabla 3.3. Región Mcpio. Rosario de Perijá Mcpio. Machiques de Perijá Datos TV Transporte 94 730 106 129 1004 145 TOTALES Total Mbps Gbps 930 0,93 1279 1,28 2209 2,21 Tabla 3.3. Resumen de la demanda de ancho de banda organizada en servicios y regiones. Posteriormente, se totalizaron las demandas, se organizaron por regiones y se le sumó un margen de error por el posible crecimiento de las necesidades y porque la implementación de la red no se ejecuta inmediatamente después de culminado el diseño. Una vez hecho esto, quedaron los datos mostrados en la tabla 3.4. Demanda de Ancho de Banda (en Gb) Rosario de Perijá 0,93 Machiques de Perijá 1,28 DEMANDA TOTAL 2,21 TOTAL+10% de margen 2,43 Municipio Tabla 3.4. Demanda total de ancho de banda en la región estudiada. Como se ve en la tabla 3.1, el ancho de banda que consume la TV digital es bastante alto si lo comparamos con el ancho de banda en general que necesita la población del Municipio Rosario de Perijá, por ejemplo, representando un 78% del ancho de banda de esta región. De todos modos, esto resulta beneficioso, ya que ayuda a sobredimensionar la red en una medida justa. Técnicas de SDV (Switched Digital Video, Video Digital Conmutado) pueden ser utilizadas más adelante para aprovechar mejor el ancho de banda de la red y dejar espacio para mejorar otros servicios sin necesidad de hacer inversiones mayores en infraestructura. 85 Para prever la escalabilidad de los equipos necesarios y realizar un dimensionamiento de la red que permita un crecimiento adecuado, se utilizaron los datos del Barómetro de Cisco, iniciativa de esta empresa de redes para promover e incentivar el crecimiento acelerado de las conexiones de banda ancha. Para noviembre de 2007, estos datos afirmaban que el crecimiento interanual de conexiones en Venezuela era del 42%. [8] Con esto en mente, se realizó el pronóstico que se presenta en la figura 3.1. Demanda de Ancho de Banda por año 12,00 10,00 9,88 8,00 6,96 6,00 Demanda (en … 4,90 4,00 3,45 2,43 2,00 0,00 1 2 3 4 5 Figura 3.1. Crecimiento sostenido de la demanda con un incremento interanual del 42%. De la gráfica 3.1 se observa que para el quinto año de operación de la red, se podría necesitar un ancho de banda de 10 Gbps. De la escalabilidad de las soluciones se hablará en la parte de análisis de alternativas de nodos ópticos multiservicio. 3.2 Encaminamiento del tendido de fibra óptica El objetivo de esta etapa del proyecto es determinar la ruta por donde pasará el tendido de fibra óptica entre la población de La Villa del Rosario y la ciudad de Maracaibo. Por razones logísticas, la empresa implementó el tendido de fibra óptica entre Machiques y La Villa del Rosario en el año 2006, por lo cual ese tramo no se tomará en cuenta para este punto. 86 El tendido entre La Villa y Maracaibo, pasará a través de postes que transportan energía eléctrica (alta tensión) y en caso de ser necesario, Multivisión instalará postes propios. La fibra óptica estará sostenida por unas bridas que estarán aproximadamente a unos 50 cm por debajo del punto A de la figura 3.2. Esto se hará de este modo, ya que es la condición que impone la compañía de electricidad, dueña de los postes, para el alquiler de los mismos. Este punto resulta conveniente, ya que está lo suficientemente bajo como para que las personas que instalen la red no corran riesgos eléctricos y lo suficientemente alto como para que en caso de incendios, el fuego no dañe la fibra. Para evitar que vehículos altos rompan la fibra, en las partes en que el tendido cruce calles o carreteras, se colocarán postes de 12 m, a diferencia de los otros postes corrientes que son de 9 m. Figura 3.2. Posición de la fibra óptica en un poste. Si se presenta el caso de que la fibra no puede ponerse a esa distancia porque el poste tiene transformadores o alguna otra circunstancia que lo impida, se instalará un poste propio 87 de Multivisión que quede cerca del poste que no se pudo utilizar, y por allí se pasará la fibra. Este caso se ilustra en la figura 3.3, donde se muestra una vista de la situación desde arriba. Figura 3.3. Vista desde arriba de un poste que no se puede utilizar. Para registrar el recorrido del tendido se utilizó un dispositivo GPS (Sistema de Posicionamiento Global, Global Positioning System) con el cual se tomaron las posiciones (usando coordenadas geográficas) de todos los postes por donde pasará el tendido de fibra óptica. Posteriormente, estos datos fueron transcritos en una tabla que contenía los siguientes campos: Poste Nº, Código de poste, Multivisión, Coordenadas (Latitud y Longitud), Diámetro, Transformador, T/P, Referencia y Observaciones. El campo Poste Nº se utilizó para contar los postes a los cuales se les iba a medir la posición. En el campo Código de poste se anotaban los códigos que la compañía de electricidad le asigna a cada poste; en caso de que fueran postes de Multivisión, se le asignaba un código con las letras MVS, el número 3 (indicando que es la tercera línea troncal que sale de la cabecera de La Villa del Rosario) y tres números que cuantifican los postes. El campo Multivisión se marcaba con un símbolo de visto bueno en caso de que el poste fuera a ser 88 colocado por la Corporación Multivisión dada alguna situación que no permitiera utilizar los postes de la compañía de electricidad. En el campo Coordenadas (Latitud y Longitud) se anotó la posición obtenida con el dispositivo GPS; ésta fue copiada con el formato [letra N ó S (Norte o Sur)] [grados]º [minutos]’ [segundos]”. En el campo Diámetro se escribió el diámetro de cada poste medido en pulgadas. El campo Transformador se marcaba con visto bueno si el poste tenía uno o más transformadores; la cantidad de transformadores se especificó en el campo Observaciones el cual se describirá más adelante. En el campo T/P se escribía una letra T si el objetivo del poste era templar la fibra que por él pasaba (poste de temple), si por el contrario el poste era sólo para que la fibra pasara por él, se escribía una letra P (poste de pase). Para ilustrar este proceso, en la tabla 3.4 se muestra un fragmento del formato lleno. Información de postes entre La Villa del Rosario y Maracaibo Latitud Longitud 829 1E02G02 N10 38 30.4 W71 49 09.9 1E02G01 1E02H03 1E02H02 1E02H01 N10 38 30.4 N10 38 30.4 N10 38 30.5 N10 38 30.5 W71 49 07.7 W71 49 05.8 W71 49 03.7 W71 49 01.6 830 831 832 833 Diámetro (pulg) 3½ 3½ 3½ 3½ 3½ T/P Coordenadas Transf Página: 19 Multiv Fecha: (13 y 17)-09-07 Poste Código de poste Nº P P P 9 P P Referencia 762 Observaciones Prim. Sec. Lamp. Viento 763 Prim. Sec. Lamp. Viento 764 Sec. Lamp. 765 Prim. Sec. Lamp. Ig. 766 Prim. Sec. Tabla 3.4. Fragmento del formato con el detalle de los postes entre La Villa del Rosario y Maracaibo. En el campo Referencia se escribía el número con el que el dispositivo GPS designaba automáticamente el punto medido; al principio de las mediciones en el dispositivo GPS se editaba este número de referencia cambiándolo por el código del poste, pero esta edición dilataba el proceso por tener que hacerse en un teclado que aparecía en pantalla, por lo que se decidió dejar que el dispositivo GPS asignara automáticamente números a los postes, ya que de todos modos el código del poste se anotaba manualmente en un formato destinado para ello. En el campo Observaciones se escribieron sugerencias, advertencias y consideraciones que serán de utilidad para que las cuadrillas de construcción tomen las mejores decisiones al momento de planificar la instalación de la fibra óptica y el sembrado de los postes. Este campo expresa consideraciones sobre si los postes llevan líneas de energía primarias o secundarias (cantidad de éstas), cortadores de corriente, si se encuentran dentro de propiedad privada, si 89 fueron medidos a cierta distancia de su posición real (ya que en algunas ocasiones la forma del terreno o la vegetación impedía medir la posición del poste colocando al pie de éste, el dispositivo GPS), si tienen guaya de tensión, lámpara, bancos de transformadores, si el poste se midió sólo como referencia pero no será usado (NSU), si tienen base de cemento, si eran postes en forma de H, si hay gas enterrado cerca, si tienen colmenas de insectos, si por el poste pasan muchos cables de conexiones ilegales, si tienen guaya de tierra, si están untados de grasa para evitar que las personas los trepen, si tienen capacitores, entre otras cosas. En algunas de las tablas se observan unas líneas horizontales más gruesas de lo normal, esas líneas gruesas indican que las mediciones realizadas por encima de esa línea corresponden a un día distinto de aquel en que fueron hechas las mediciones que están por debajo de la línea; sirven de separador o indicador de los días de trabajo; por ejemplo, en la tabla 3.4 se observa que al poste 829 le fue medida su ubicación el día jueves 13, mientras que al poste 830 se le tomó la medida el día lunes 17. 3.3 Planimetría y representación cartográfica Para que las cuadrillas de construcción sepan por dónde se va a realizar el tendido de fibra óptica, poder tomar decisiones eficientes en campo y tener en mano el recorrido de forma visual, resulta necesario marcar en un mapa la posición de los postes que sostendrán la fibra. El procedimiento para poder representar los postes en el mapa se describe a continuación. Se fueron guardando las posiciones de los postes en el dispositivo GPS. Este proceso se hizo durante los once días que duró el recorrido. Cada día se respaldaba la información en la computadora. Los puntos se guardaban en un archivo con extensión .gdb que puede ser leído por el software MapSource® de la casa Garmin™. Una vez obtenidos todos los puntos, se guardaron como un archivo con extensión .dxf para que fuera compatible con el software AutoCAD® de la casa Autodesk®, en el que previamente estaban hechos los mapas de todas las zonas de interés. Este archivo con extensión .dxf se guardó con los siguientes parámetros: Escala XY = 1000, Círculos de Proximidad = 1, Altura del texto = 1, Incluir información de altitud Escala Z: sin marcar, Convertir longitudes Oeste en valores positivos en los gráficos 90 DXF: sin marcar, Crear símbolos para contener detalles de waypoint, ruta y camino: sin marcar. Todos estos son parámetros de escalamiento y de conversión cuando se guardan archivos en formato DXF. Luego, al abrir este archivo con AutoCAD®, se observan una serie de puntos sin una escala coherente. Para ajustar la escala de estos puntos, se siguieron los siguientes pasos: a) Se tomó una medida real en campo de la distancia entre dos puntos (postes) con un odómetro y se anotó. b) Se seleccionaron todos los puntos a los que se les iba a cambiar la escala en AutoCAD® y se utilizó la función Modificar Escala. Está función pide que se marquen dos puntos cualesquiera para luego asignarle una distancia de referencia. c) Por conveniencia, se marcaron los dos puntos que correspondían a los postes medidos en campo con el odómetro. Cuando la función pidió la distancia de referencia, se introdujo el valor anotado en el literal “a”. d) Se guardó este archivo como un archivo de extensión .dwg (archivo de AutoCAD®) e) Se seleccionaron todos los puntos, se copiaron y se pegaron en el otro archivo .dwg que contenía el mapa de la zona de interés. Este proceso se realizó por partes y, finalmente, se unieron todos los mapas para tener en un solo archivo, todas las poblaciones por donde pasará el tendido que falta por realizar. En la figura 3.4 se observa el mapa resultante a muy pequeña escala. El mapa con todo el detalle está respaldado en formato digital, del cual se pueden imprimir las secciones que sean necesarias con el detalle que se desee. Se dejó una copia en la Corporación de todos estos mapas y archivos en formato digital. 91 Figura 3.4. Mapa completo del recorrido de la fibra óptica entre La Villa del Rosario y Maracaibo. CAPÍTULO 4 ANÁLISIS Y DISEÑO 93 4.1 Selección de la arquitectura (topología) Las poblaciones que serán interconectadas en un principio son: la ciudad de Maracaibo (capital del Estado Zulia), la población de La Villa del Rosario (Capital del Municipio Rosario de Perijá) y la población de Machiques (Capital del Municipio Machiques de Perijá), ya que estos son los principales centros donde opera la Corporación Multivisión y son las zonas donde más suscriptores tiene. Para poder tener una mejor visión de la situación geográfica de estas localidades del Estado Zulia, se puede ver la figura 4.1, que presenta en la parte (a) al Estado Zulia completo y en la parte (b) el segmento del Estado donde se observan las poblaciones que nos incumben. (b) (a) Figura 4.1. (a) Estado Zulia completo. (b) Fragmento de la región de estudio. Una vez conocida la situación geográfica de las poblaciones que serán interconectadas y sabiendo que el Centro de Operaciones de la Red (NOC, Network Operations Center) 94 funcionará en Maracaibo, se estableció que la topología de la red sería una arquitectura lineal, donde los nodos de la red se encuentran en Maracaibo, La Villa del Rosario y Machiques. Un hecho importante que se debe mencionar es que Multivisión también presta servicios en la población de La Concepción, capital del Municipio Jesús Enrique Losada del Estado Zulia. Por lo tanto, el recorrido de la fibra óptica que interconectará a las tres poblaciones mencionadas anteriormente, pasará por La Concepción teniendo en cuenta que en un futuro a largo plazo y dependiendo de la densidad de abonados y clientes potenciales, esta localidad podría tener uno de los nodos de la red de transporte. Si se va a Maracaibo desde La Villa del Rosario por la carretera que las une, se puede llegar de manera directa entrando a Maracaibo por la zona conocida como el Km 4 o tomando un desvío en el Km 40, pasando por La Concepción y llegando a Maracaibo por su lado occidental. El recorrido de la fibra óptica se hará por el segundo camino descrito por las razones expuestas. Para ser más rigurosos, en la tabla 4.1 se describen las coordenadas geográficas de cada punto de interés. Población Maracaibo La Concepción La Villa del Rosario Machiques Coordenadas Geográficas Latitud Longitud N 10° 40' 57,2" W 71° 39' 17,9" N 10° 37' 18,5" W 71° 50' 11,6" N 10° 19' 26,6" W 72° 18' 48,3" N 10° 03' 34,2" W 72° 33' 01,0" Tabla 4.1. Coordenadas geográficas de cada población de interés. La topología punto a punto no se utilizará ya que son más de dos los puntos a conectar y esta cantidad pudiera aumentar en un futuro. La topología de bus, queda descartada del diseño ya que la lineal es más simple y económica. Otras topologías como la de anillo, estrella o malla no se ajustan a la geografía del despliegue. 95 4.2 Análisis de alternativas de nodos ópticos multiservicio Al momento de seleccionar un nodo óptico multiservicio, primero se deben establecer cuáles son las necesidades de la red y los requisitos que la empresa solicita ya que una selección óptima redundará en beneficios tanto para la corporación como para sus clientes. Con la finalidad de tener una visión amplia de lo que debería ser el diseño final, se elaboró un diagrama de la red completa, que incluye las distancias, las localidades, los dispositivos y los servicios planteados. El diagrama de la red se observa en la figura 4.2. Figura 4.2. Diagrama de la red de transporte de la Corporación Multivisión. Las flechas blancas bidireccionales que están entre los nodos ópticos multiservicio y las redes HFC, representan una interfaz compuesta por dispositivos como routers, transceptores 96 (transceivers), CMTS (Sistema Terminal de Cable-Modems, Cable Modem Termination System) y UBR (Encaminador Universal de Banda Ancha, Universal Broadband Router). 4.2.1 Consideraciones de distancias y amplificación En primera instancia, está claro que las distancias totales (incluidas las reservas de fibra óptica) entre las poblaciones de interés, son las siguientes: Maracaibo – La Villa del Rosario: 97,37 km. La Villa del Rosario – Machiques: 46,97 km. Ninguna de estas distancias sobrepasa los 100 km, por lo que no es necesario el uso de amplificadores ópticos. Esto se concluye luego de revisar las hojas de datos de varios transmisores láser comerciales (que ya vienen incorporados en los equipos de interés), los cuales especifican que tienen suficiente potencia como para cubrir distancias de hasta 100 km sin necesidad de recurrir a técnicas de amplificación. Más específicamente, existen equipos comerciales cuyo presupuesto de enlace óptico es de 30 dB operando en tercera ventana y, como se verá en el punto 4.2.2, el presupuesto de potencia óptica del recorrido más largo (La Villa del Rosario - Maracaibo), dice que las pérdidas son de 26,69 dB, lo que indica que se puede prescindir de amplificadores. También se puede ver desde el punto de vista de la sensibilidad: los casos analizados muestran que, en promedio, la sensibilidad es de -33 dB, lo cual lleva a la misma conclusión. Por otro lado, también se observó que las penalidades de dispersión a partir de los 100 km son de apenas 3 dB (valor máximo), por lo que no se necesitan equipos ni técnicas de implementación que compensen la dispersión (como intercalar fibras ópticas de dispersión corrida y no corrida). 4.2.2 Presupuesto de Potencia Óptica Para conocer las pérdidas que se tendrán en los recorridos de la fibra, se calculó un presupuesto de la potencia óptica teniendo en cuenta las pérdidas ocasionadas por 97 empalmes, conectores y la misma fibra óptica. Se tomaron longitudes de onda de operación en la segunda y tercera ventana por ser éstas las ventanas especificadas por la mayoría de los fabricantes de equipos e insumos. En las tablas 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6 y 4.7, se observan en detalle las pérdidas expresadas en dBm. Para 1310 nm: Item Cantidad Pérdida Unitaria Empalmes 17 0,02 Conectores 2 0,5 Fibra 49,4 (Km) 0,35* (dB/Km) Margen ‐ ‐ Total Pérdida Total 0,34 1 17,29 1 19,63 Tabla 4.2. Presupuesto de Potencia. Operación en 1310 nm. Tramo Machiques - La Villa del Rosario Para 1550 nm: Item Cantidad Pérdida Unitaria Empalmes 17 0,02 Conectores 2 0,5 Fibra 49,4 (Km) 0,25* (dB/Km) Margen ‐ ‐ Total Pérdida Total 0,34 1 12,35 1 14,69 Tabla 4.3. Presupuesto de Potencia. Operación en 1550 nm. Tramo Machiques - La Villa del Rosario Para 1310 nm: Item Cantidad Pérdida Unitaria Empalmes 17 0,02 Conectores 2 0,5 Fibra 97,4 (Km) 0,35* (dB/Km) Margen ‐ ‐ Total Pérdida Total 0,34 1 34,09 1 36,43 Tabla 4.4. Presupuesto de Potencia. Operación en 1310 nm. Tramo La Villa del Rosario - Maracaibo *Datos obtenidos de las hojas de datos de varios fabricantes de fibras ópticas comerciales. [16] 98 Para 1550nm: Item Cantidad Pérdida Unitaria Empalmes 17 0,02 Conectores 2 0,5 Fibra 97,4 (Km) 0,25* (dB/Km) Margen ‐ ‐ Total Pérdida Total 0,34 1 24,35 1 26,69 Tabla 4.5. Presupuesto de Potencia. Operación en 1550 nm. Tramo La Villa del Rosario – Maracaibo Para 1310nm: Item Cantidad Pérdida Unitaria Empalmes 34 0,02 Conectores 4 0,5 Fibra 146,8 (Km) 0,35* (dB/Km) Margen ‐ ‐ Total Pérdida Total 0,68 2 51,38 2 56,06 Tabla 4.6. Presupuesto de Potencia. Operación en 1310 nm. Trayecto completo (Machiques-La Villa del Rosario-Maracaibo) Para 1550nm: Item Cantidad Pérdida Unitaria Empalmes 34 0,02 Conectores 4 0,5 Fibra 146,8 (Km) 0,25* (dB/Km) Margen ‐ ‐ Total Pérdida Total 0,68 2 36,7 2 41,38 Tabla 4.7. Presupuesto de Potencia. Operación en 1550 nm. Trayecto completo (Machiques-La Villa del Rosario-Maracaibo) En estas tablas se observa un margen que se ha considerado por efectos de envejecimiento, humedad y cambios en la temperatura. *Datos obtenidos de las hojas de datos de varios fabricantes de fibras ópticas comerciales. [16] 99 Como lo que se busca es un sistema que sea una solución completa para la red de transporte, hay que aclarar que toda esta información será transmitida a los proveedores de los equipos, quienes se basarán en estos datos para ofrecer la solución más óptima. Es decir, con estos datos, no se buscarán equipos de manera aislada, sino que los proveedores los tendrán en cuenta para ofrecer una solución integrada. 4.2.3 Análisis de equipos Luego de revisar la documentación publicada por varios proveedores de equipos y soluciones, y de analizar las hojas de especificaciones de los nodos ópticos multiservicio, se resumieron en la tabla 4.8 las características más resaltantes de los mismos. Al seleccionar uno de los nodos se tienen en cuenta tres factores principales (además de otras prestaciones): la escalabilidad de la solución, que el fabricante proporcione entrenamiento técnico al personal de la Corporación tanto para administrar la red, como para atender posibles fallas, y que logre cubrir el ancho de banda requerido por el diseño mediante interfaces ópticas y eléctricas. Fabricante Modelo Tope de escalabilidad Interfaces soportadas Protección soportada Tipo de WDM Capacidad de supervisión y gerencia Manejo de la dispersión Soporte técnico Costo Otras características resaltantes Alcatel 1660 SM Alcatel 1662 SMC Cisco ZTE Huawei ONS 15454 ZXMP S390 OptiX BWS 1600A 10 Gbps 2,5 Gbps 40 Gbps 10 Gbps 10 Gbps SDH, GbE, MPLS, ATM, PDH RPR, MSP, Restauración en 50 ms CWDM N/I SDH, GbE, MPLS, ATM, PDH RPR, MSP, Conversión DC/DC, Rest. en 50 ms CWDM N/I SONET/SDH, GbE, TDM, FICON, ESCON Protección por Conmutación automática CWDM, DWDM OSC @ 100Mbps SDH, GbE, ATM SONET, GbE, FICON, ESCON N/I N/I N/I Potencia óptica controlada por software N/I N/I Entrenamiento del personal operativo N/I N/I N/I SAN, Agregados Agregados móviles SAN, FEC, OADM, móviles 3G, 3G, OADM WAN OADM DNI, SNCP N/I DWDM Envío transparente OSC, Monitoreo y de cabeceras alarmas Manejo de dispersión avanzada N/I N/I Arquitectura de bus doble N/I N/I N/I SAN, ROADM, AFEC Tabla 4.8. Características más resaltantes de los nodos ópticos multiservicio. 100 De la tabla 4.8 se ve que todos los equipos pueden cubrir el ancho de banda requerido, sin embargo, resaltan los equipos ONS 15454 de Cisco y el ZXMP S390 de ZTE, ya que: son los únicos que manejan la dispersión de algún modo, son dos de los que ofrecen capacidad de supervisión y gerencia de la red y la escalabilidad de ambos satisface las expectativas ya que son equipos modulares que se pueden ir actualizando y repotenciando según las necesidades de la red. Ambos equipos soportan interfaces ópticas como SONET y SDH, y eléctricas como Gigabit Ethernet. De estos dos, se tiene que la solución Cisco ofrece entrenamiento técnico al personal de la corporación para la administración de los equipos. La solución de ZTE ofrece soporte técnico en caso de falla y un documento técnico. Esta característica no la ofrece ninguno de los demás fabricantes y para Multivisión es de suma importancia, ya que cuenta con personal calificado para operar los equipos y puede así prescindir de soporte técnico externo y reducir de este modo los gastos operativos que esto generaría. Además, la solución ONS 15454 ofrece contratos de garantía extendida y reemplazo de partes defectuosas en los predios del cliente (Multivisión) en un tiempo de cuatro horas. Se sostuvieron conversaciones con personal de ZTE y de Orange Bussines Services (aliados de Cisco) acerca de las capacidades y características que los equipos en cuestión ofrecían para satisfacer las demandas de Multivisión. Luego de reuniones con las empresas mencionadas, de aclarar dudas referentes al desempeño de los equipos y analizar conjuntamente con el tutor industrial todas las ventajas y desventajas de las alternativas que se manejaron, se seleccionó la solución ONS 15454 de Cisco, para el diseño de la red de telecomunicaciones de Multivisión. Dada la solución escogida, se estableció contacto con la empresa Orange Bussines Services para conocer más detalles, antes de la negociación. Esta empresa presentó una propuesta técnico-comercial en la que se consideró el suministro, instalación, configuración, mantenimiento y traslado de los equipos solicitados, así como la transferencia de conocimientos de dichos equipos. Los equipos contemplan una interfaz STM-1/4/16 de 12 puertos, módulos de CWDM en 1550 y 1570 nm, módulos de Fast Ethernet y Gigabit Ethernet a través de fibra y módulos eléctricos STM-1. La propuesta también especifica los contratos de garantía extendida por un año, factor que hace muy atractiva la propuesta ya que asegura el reemplazo inmediato de 101 partes sin necesidad de mantener costosos almacenes de reserva. También indica los servicios adicionales de instalación, configuración y reemplazo de partes defectuosas. 4.3 Selección de la fibra óptica En esta etapa del diseño se conocen varios factores: 1. La marca y modelo de NOM (Nodo Óptico Multiservicio) que se utilizará. 2. El NOM seleccionado opera en la tercera ventana del espectro (1550 y 1570 nm). 3. La fibra se tenderá de manera aérea (a través de postes y no de acometidas subterráneas). Como se esperan implementar redes PON en un futuro para el acceso metropolitano, se deben usar fibras que tengan más hilos en los tramos intraurbanos que en los tramos interurbanos. Con esto se tendrán más hilos disponibles dentro de las poblaciones estudiadas para proveer servicios de última milla, cuando y donde sea necesario; es decir, Multivisión tendrá más libertad y capacidad de satisfacción de demanda. Si por un hilo de fibra, utilizando CWDM, se pueden transmitir hasta 8 señales, entonces por un cable de fibra óptica de 24 hilos, se podrán transportar 192 señales, lo cual es más que suficiente para la etapa de transporte. Una vez que se pasa a la etapa de acceso, Multivisión puede decidir activar sus redes PON pudiendo aumentar la necesidad de cantidad de señales, dado el número de clientes en las zonas; una fibra con 36 hilos (usando también CWDM), podrá transportar 288 señales. La capacidad ofrecida por los NOM (de hasta 40 Gbps) viene dada para un solo hilo de fibra. Adicionalmente, se pueden implementar mecanismos que permitan TDMA, multiplicando aún más la capacidad de un solo hilo. Por esto se ha decidido que para los tramos interurbanos se utilizarán fibras de 24 hilos y para los tramos intraurbanos, se utilizarán 102 fibras de 36. Estas cantidades de hilos por cable, se seleccionaron así, ya que además de satisfacer ampliamente las necesidades, son estándares muy comunes en la industria de la fibra óptica. Existen también otros números muy comunes que van desde los 72 hilos por cable hasta los 288, pero para la red descrita en este informe, esas serían cantidades excesivamente sobredimensionadas. Como se mencionó en el punto 2.3.2, existen varios tipos de fibra óptica. Para este caso de estudio, se utilizará fibra óptica monomodo, ya que este tipo está orientado a aplicaciones de trayecto largo, dado que presentan menor atenuación y dispersión modal en comparación con las fibras multimodo (tanto las de índice escalonado como las de índice gradual), como se observa en la figura 2.20. En conclusión se necesitará una fibra que cumpla con las siguientes características: 1. Debe tener una atenuación de 0,25 dB/km o menos cuando opere en 1550 nm. Esto debe cumplirse para que haya coherencia con la tabla 4.5, que de hecho se hizo tomando las pérdidas de una fibra monomodo estándar. 2. Debe ser una fibra óptica monomodo por las razones de atenuación y de dispersión que ya se mencionaron. 3. Debe tener algún tipo de cobertura robusta que la proteja, dado que al estar tendida aéreamente, sufrirá las inclemencias del clima. Además, esta cobertura deberá proteger a la fibra de incendios que puedan suscitarse en los montes secos que pudieran estar debajo de ella. 4. Deben haber tramos de fibra que tengan 24 hilos y otros tramos que tengan 36 hilos. 5. La fibra debe ser autosoportada, es decir, que no necesite una guaya de soporte para pasar de poste a poste. En base a estas características y luego de la revisión de varias hojas de datos de diversos fabricantes, se seleccionó la fibra óptica del fabricante CommScope®. Esta decisión también 103 fue influenciada por el hecho de que Multivisión ya es cliente de CommScope desde hace 2 años. De este tipo de fibra se puede hacer un pedido con los códigos S-024-LD-8W-M06NS y S-036-LD-8W-M06NS, que son para las fibras de 24 y de 36 hilos, respectivamente. El significado del código se describe a continuación: S: Fibra autosoportada 024 ó 036: Cantidad de hilos de fibra LD: Las fibras vienen dentro de un tubo suelto trenzado con doble cobertor (chaqueta) y todos los materiales internos son dieléctricos. 8W: Fibra monomodo con pico de agua nulo y dispersión sin corrimiento M: Cobertor marcado secuencialmente en metros 06: Cantidad de fibras por subunidad. (Dentro del tubo suelto trenzado, hay otros tubos más pequeños llamados subunidades) NS: Sin línea exterior de color Al revisar los mapas y el recorrido total de la fibra, se concluye que en total, la cantidad necesaria de cable de fibra óptica con 24 hilos es de 111.920 metros y con 36 hilos es de 31.780. 4.4 Análisis de alternativas de sistemas de alimentación De igual modo que como se hizo con los nodos ópticos multiservicio, se examinaron varias alternativas de Fuentes de Poder Ininterrumpidas UPS (Uninterruptible Power Supply). El tipo de fuente considerada fue el UPS en línea de doble conversión. Este tipo de dispositivo funciona de la siguiente manera: toma la corriente alterna, la convierte a corriente continua, esta corriente continua se mantiene cargando unas baterías que alimentan a un generador de señal sinusoidal de 60 Hz a 120 VRMS (simulando la corriente AC del tomacorriente) y esta última señal (que se puede ver como la señal resultante de una conversión DC/AC) es la que alimenta a los equipos. Si ocurre una suspensión del servicio eléctrico comercial, los aparatos seguirán funcionando tanto tiempo como dure la carga de las baterías, las cuales a su vez, 104 pueden estar conectadas en paralelo para extender el tiempo de respaldo. Como las baterías están trabajando constantemente, este tipo de UPS no necesita ningún conmutador que cambie la fuente de transferencia de potencia, a diferencia de otros tipos de UPS que mantienen sus bancos de baterías inactivos y cuando detectan una caída del servicio eléctrico, ponen en marcha el sistema de baterías. Esta conmutación del origen de la energía, por lo general se realiza en cuestión de milisegundos pero puede afectar a dispositivos que sean muy sensibles a estos cambios. En la figura 4.3 se puede observar un diagrama simplificado de un sistema UPS en línea de doble conversión alimentando un nodo óptico multiservicio. Figura 4.3. Diagrama simplificado de un UPS en línea de doble conversión con carga. Se requiere un UPS cuya capacidad de potencia máxima sea aproximadamente el triple de la necesidad de potencia del Nodo Óptico Multiservicio. Este margen se contempla porque el Nodo Óptico se irá actualizando a medida que se incrementen las necesidades de la red, lo que generará un aumento en el consumo de potencia. Además esta sobreestimación permitirá conectar otros dispositivos, al sistema UPS. Según información suministrada por los distribuidores del equipo ONS 15454, con una configuración como la requerida por Multivisión, este nodo podría llegar a consumir una potencia máxima de 1056 W. Por esta razón, con un UPS que proporcione al menos 3000 W, se cumplirá el criterio de diseño, el cual consiste en contar con la posibilidad de incrementar la carga en un 50%. Este criterio surge de la existencia de la probabilidad de que se conecten otros equipos adicionales al UPS, en base a experiencias anteriores sugeridas por el tutor industrial. Otras características importantes que debe tener el UPS seleccionado, son: supresión de picos de corriente, batería reemplazable por el usuario, garantía de un año como mínimo y puerto de comunicación que permita el manejo remoto del equipo. 105 Al revisar la documentación de varios fabricantes, se obtuvieron varios modelos con rasgos parecidos a los requeridos por el diseño. Esta revisión queda resumida en la tabla 4.9. Marca Tripp- Modelo APS2424 Voltaje de entrada AC Voltaje de entrada DC Watts VA Puerto de comunicación Supresión de picos Tripp-Lite Tripp-Lite APC CyberPower Liebert MinuteMan Oneac Powerware Alpha 120 APS2448UL APS 3636VR 120 120 XL 3000VA RM 3U 120 OL1000 RMXL2U N/I PS3000RT2 - ED3000 120 RM2U 120 N/I ON3300A8S1 5125 Rackmount UPS N/I 120/208/230 3600 XL PP 220 24 48 36 N/I N/I N/I N/I N/I N/I N/I 2400 2400 3600 2700 N/I 2250 2100 N/I N/I N/I N/I N/I N/I 3000 N/I 3000 3000 N/I 3000 3600 N/I N/I Ethernet DB-9 RS-232 2 com ports SNMP/USB/ RS232 SNMP/USB/ RS232 N/I RS-232 N/I N/I N/I 9 N/I Boost/Buck 9 N/I ONBoost® 9 N/I N/I Tiempo de respaldo de la batería (Media carga) Tiempo de recarga N/I N/I Extend Extend N/I 16 min 15 min Extend 15 min 30 min N/I N/I N/I N/I 4hrs N/I N/I <3hrs N/I N/I N/I 9 N/I N/I 9 9 9 9 N/I N/I N/I N/I N/I N/I 78-150 N/I N/I 77-152 208240 N/I N/I 1 año N/I 3 años 2 años 3años 5 años N/I N/I Auto Transfer Switching Auto Transfer ATS. Auto. Extended Switching Volt. Reg. runtime Leds Control Digital Alarmas y basado en Micro leds procesador indicadores Pantalla de Front panel panel frontal display. 24hr Alarmas audibles. N/I Rackeable N/I N/I N/I $1439 N/I Batería Reemplazable por el usuario Rango de Voltaje de entrada Garantía Otras características resaltantes Precio $1272 N/I N/I T. Supp N/I N/I Tabla 4.9. Características más resaltantes de los sistemas UPS. Luego de la comparación y análisis de las características de los sistemas UPS de la tabla 4.9, se consideró que el sistema que se utilizará será el de marca Tripp-Lite modelo APS 3636VR por las siguientes consideraciones: Cumple con el requisito de potencia: 3600 Watts son suficientes para alimentar al nodo óptico multiservicio; es el único que cumple con este requerimiento. Las baterías pueden ser reemplazadas por el usuario, característica que permite reducir los gastos operativos al prescindir de servicios externos para actividades como esta. Cuenta con puerto de Ethernet para control remoto. El tiempo de respaldo de la batería no es fijo, sino que puede ser extendido según la cantidad de baterías que se conecten al banco. Cuenta con garantía de un año. La Corporación ha utilizado equipos de esta marca obteniendo resultados satisfactorios. 106 4.5 Disponibilidad y calidad de servicio 4.5.1 Disponibilidad Se considera la disponibilidad de la red de transporte como la fracción de tiempo en que ésta opera adecuadamente, es decir, el tiempo en que su funcionamiento no presenta interrupciones no programadas. Se asumirá a la red de transporte como el conjunto de los nodos ópticos multiservicio y el tendido de la fibra óptica. La disponibilidad a de un sistema viene dada por la expresión 4.1. [15] (4.1) donde: MTTF = Tiempo medio hasta la falla (Mean Time to Failure) MTTR = Tiempo medio de reparación (Mean Time to Repair) El término MTBF (Tiempo medio entre fallas, Mean Time Between Failures), que a veces se usa para la expresión 4.1 (en lugar del MTTF), se puede considerar igual al MTTF, ya que una medida del tiempo medio hasta la falla, expresa lo que el sistema tarda en fallar desde la última falla. Los equipos Cisco ONS 15454 tienen un MTTR = 4 hr y un MTTF de 175200 hrs (20 años según el procedimiento del consorcio Bellcore de predicción de confiabilidad tr-nwt000332 en su apartado 4, método 1). Esto conlleva a la expresión 4.2 en la que se calcula la a de los nodos, llamada aN. 0,999977 99,9977% (4.2) Según el consorcio Bellcore, las fibras ópticas en general tienen un MTTF = 3214920 hrs (367 años) y según Multivisión, en caso de corte, ésta puede ser reparada en 4 hrs, es decir, 107 MTTR = 4 hrs. Estas cifras llevan a la expresión 4.3 para el aF (disponibilidad de la fibra óptica). 0,999998 99,9998% (4.3) La disponibilidad total aT en términos de porcentaje, de un sistema con n elementos conectados en serie, viene dada por la ecuación 4.4, según un reporte de Cisco sobre soluciones cableadas IP para redes de alta disponibilidad. [15] aT = (a1)(a2) … (an) (4.4) Finalmente, la disponibilidad de la red de transporte, incluyendo sus tres Nodos Ópticos Multiservicio y sus dos tramos de fibra, se calcula en la expresión 4.5. aT = (0,999977)3(0,999998)2 = 0,999927 = 99,9927% (4.5) De la expresión 4.5 se observa que el servicio estará disponible el 99,9927% del tiempo. Esto significa que en un mes, la indisponibilidad del servicio sólo será de 3,15 minutos. Según la información investigada en la documentación de los equipos Cisco ONS 15454, esta cifra de 3,15 minutos puede ser altamente reducida si se emplean configuraciones 1+1 de respaldo de tarjetas y/o conexiones cruzadas, las cuales se intercambian automáticamente si una de las tarjetas falla. Los UPS también contribuyen a disminuir la indisponibilidad del sistema completo, por lo que la disponibilidad calculada es una disponibilidad mínima, la cual satisface estándares emitidos por entes reguladores nacionales. 4.5.2 Calidad de Servicio La calidad del servicio de transporte puede ser configurada vía software a través de herramientas de administración y gestión que vienen incluidas con la solución adoptada (ONS 15454). Estas herramientas permiten controlar las asignaciones de ancho de banda, políticas de 108 seguridad, servicios dedicados y conmutados, tasas de flujo de datos constante o variable, correcciones de errores, retardos permitidos, entre otras variables. Todo esto se hace en base a un SLA que Multivisión establecerá con sus clientes. Una vez que la empresa Cisco proporcione el entrenamiento correspondiente al personal de Multivisión, se tendrá el conocimiento de cómo manejar estas herramientas para lograr los niveles de calidad de servicio establecidos con los clientes o usuarios de la red. 4.6 Análisis de costos Una vez seleccionados los equipos y materiales con los que se implementará la red y teniendo en cuenta otros gastos necesarios, se procedió a exponer en detalle los costos de producción del proyecto. Pensando en que éste se ejecutará dividido por etapas, se han dividido los costos en cuatro categorías: equipos y sistemas, elementos y materiales, mano de obra y otros. Es importante destacar que se está presentando un análisis de los costos de producción del proyecto y no un estudio ni un análisis económico en los cuales se tomarían en cuenta otros aspectos como los costos de administración, de venta, financieros, asuntos relacionados con la inversión total inicial, cronograma de inversiones, depreciaciones y amortizaciones, capital de trabajo, métodos que toman en cuenta el valor del dinero a través del tiempo, otros que no, etc. Esta sección se ha enfocado en los costos de producción ya que éstos son un resultado directo de la ingeniería del proyecto más que de determinaciones contables. El método de determinación de costos utilizado en este análisis fue el llamado “método de costeo absorbente” ya que para el cálculo del costo de un ítem se le ha agregado (si así lo requería) un porcentaje de modo que en una sola cifra se absorben todos los conceptos adicionales que implica dicho ítem. Por ejemplo, los precios de los ítems importados incluyen los aranceles correspondientes, pagos aduanales, costos de documentación y comisiones respectivas. 109 A continuación se presentan las tablas de costos con las descripciones de los ítems considerados. En la tabla 4.10 se aprecia la primera categoría, equipos y sistemas; en la tabla 4.11 los costos de elementos y materiales; en la tabla 4.12 la mano de obra; en la tabla 4.13 están plasmados otros costos referentes a garantías y servicios de mantenimiento; finalmente, en la tabla 4.14 se totalizan los costos de producción de todo el proyecto. Equipos y Sistemas Descripción Características Marca Modelo Unidad Cantidad Costo Unit. (Bs.F.) Costo Total (Bs.F.) Nodo Óptico Multiservicio Tecnología SDH, Ethernet y GbE Cisco ONS 15454 unidades 3 209.094,71 627.284,13 UPS 36V DC input, 120 V AC output, 3600 watts Tripp Lite APS3636VR unidades 3 3.691,98 11.075,94 Manga de Empalme Con dos bandejas incluidas, c/manga Starfighter 19 284,05 5.396,95 TOTAL 1 (Bs.F.) 643.757,02 2000F unidades Tabla 4.10. Costos de los equipos y sistemas que serán utilizados en el proyecto. Elementos y Materiales Descripción Características Marca Modelo Unidad Cantidad Costo Unitario (Bs.F.) Costo Total (Bs.F.) Fibra Óptica 24 Fiber LightScope ZWP single‐mode fiber CommScope S‐024‐LD‐8W‐M06NS metros 111.920 4,00 447.680,00 Fibra Óptica 36 Fiber LightScope ZWP single‐mode fiber CommScope S‐036‐LD‐8W‐M06NS metros 31.780 4,88 155.086,40 Suspensión Herraje con goma Genérico Hecho a la medida unids. 1.247 33,60 41.899,20 Malla Malla para tensión de la fibra Genérico Hecho a la medida unids. 168 17,64 2.963,52 Abrazadera Diámetros de 3½" y 4½" Genérico Hecho a la medida unids. 1.075 10,20 10.965,00 Abrazadera Diámetros de 6½", 7½" y 8½" Genérico Hecho a la medida unids. 184 21,28 3.915,52 Poste De 9 m de altura Genérico Hecho a la medida unids. 132 675,00 89.100,00 Poste De 12 m de altura Genérico Hecho a la medida unids. 53 1.020,00 54.060,00 TOTAL 2 (Bs.F.) 805.669,64 Tabla 4.11. Costos de los elementos y materiales que serán utilizados en el proyecto. Mano de Obra para la Instalación Descripción Características Instalación tendido fibra óptica Incluye sembrado de postes. Remun. por metro Empalmes de fibra óptica Remuneración por cada fusión realizada Cantidad Remuneración Remuneración total (Bs.F.) 97.370 3,50 655 47,00 340.795,00 30.785,00 TOTAL 3 (Bs.F.) 371.580,00 Tabla 4.12. Costos de mano de obra del proyecto. Otros Descripción Características Unidad Cantidad Costo Unitario (Bs.F.) Costo Total (Bs.F.) Garantía de los nodos Contratos de garantía extendida unids. 3 34.710,87 104.132,61 Servicios de los nodos Instalación, configuración y reemplazo de partes unids. 1 254.412,19 254.412,19 TOTAL 4 (Bs.F.) 358.544,80 Tabla 4.13. Otros costos del proyecto. 110 Total General del Proyecto Categoría Subtotales (Bs.F.) Equipos y Sistemas Elementos y Materiales Mano de Obra para la Instalación Otros Total General 643.757,02 805.669,64 371.580,00 358.544,80 2.179.551,46 Tabla 4.14. Costo de producción total del proyecto. Los conceptos de puesta en marcha de los nodos ópticos multiservicio están contemplados en la parte de Otros Costos, ya que el proveedor incluye estos servicios en su oferta. Todas estas cifras presentadas, representan lo que se decidió conjuntamente con el tutor industrial durante la selección de todo lo que se utilizaría para la implementación práctica de la red de transporte. Una vez establecidos los costos, teniendo en cuenta que se buscó la mayor eficiencia en cuanto a las relaciones precio-valor, se entregó la información a la Gerencia Técnica de la Corporación para su aprobación definitiva y la posterior procura de todos los recursos necesarios. En base a estos costos, que representan el desembolso principal para el desarrollo del diseño, en los departamentos correspondientes se tomarán las decisiones respectivas sobre el tipo de financiamiento del proyecto, además de otras decisiones de tipo económico y financiero. 4.7 Cronograma de ejecución Este cronograma de ejecución contempla la implementación física y operativa de la red, por lo tanto asume los siguientes postulados: 1. Todos los equipos necesarios ya han sido adquiridos y están en los predios de la Corporación Multivisión. 111 2. Existe talento humano calificado disponible para comenzar la ejecución del proyecto en sus diferentes áreas. Esto incluye personal entrenado para operar los nodos ópticos multiservicio. 3. La Dirección Técnica de la empresa decide la fecha en que el proyecto comience a implementarse, dado que existen algunas variables económicas y financieras, referentes a trámites de importación y a espacios físicos, que escapan del alcance del diseño que se ha realizado. Por el postulado 3, el cronograma de ejecución se desarrolla en días genéricos y no en fechas específicas. Las actividades consideradas para la ejecución de la obra son: • El tendido de la fibra óptica: Se realizará saliendo de La Villa del Rosario y llegando a Maracaibo. Comprende tanto la colocación de abrazaderas, suspensiones y otros elementos necesarios en los postes alquilados, como el sembrado de postes propios de Multivisión y su adecuación. También comprende el montaje de los cables de fibra óptica en los postes. • Empalmes y certificaciones: Los empalmes se realizarán con un dispositivo que fusiona los extremos de los hilos de fibra óptica y las certificaciones se harán con un Reflectómetro Óptico en el Dominio del Tiempo (OTDR, Optical Time Domain Reflectometer) que mide la atenuación de la fibra incluyendo pérdidas por empalmes y conectores. Estas mediciones se irán asentando en un registro que quedará para la Corporación. • Alimentación: En esta etapa, Multivisión se asegurará que las instalaciones eléctricas de las tres poblaciones estén listas para recibir a los equipos de la red, tanto los nodos ópticos multiservicio, como los UPS. Se verificará el correcto funcionamiento de las puestas a tierra, capacidades de potencia y cualquier otro aspecto que sea necesario. • Montaje y configuración de equipos: En esta actividad se espera que Multivisión coloque todos los equipos en su ubicación geográfica definitiva correspondiente. La modalidad de 112 trabajo de los UPS debe ser configurada: en estado de alerta (standby), en línea o sólo carga de baterías, según corresponda. El personal entrenado para este fin, configurará las políticas de seguridad y calidad de servicio de los nodos ópticos multiservicio. Se realizarán las conexiones de fibra óptica necesarias entre los nodos ópticos multiservicio. • Pruebas: Se realizarán todas las pruebas y evaluaciones como lo recomiende el fabricante de los equipos involucrados. En la figura 4.4 se muestra el cronograma de ejecución de la obra divido en tres partes por razones de diagramación. El cronograma se presenta en forma de diagrama de Gantt. N° Actividad Comienzo Fin Duración 1 Tendido de fibra día 1 día 40 40 días 2 Empalmes y certificación día 26 día 40 15 días 3 Alimentación día 39 día 41 3 días 4 Montaje y configuración de equipos día 42 día 51 10 días 5 Pruebas día 52 día 55 4 días Comienzo Fin Duración N° Actividad 1 Tendido de fibra día 1 día 40 40 días 2 Empalmes y certificación día 26 día 40 15 días 3 Alimentación día 39 día 41 3 días 4 Montaje y configuración de equipos día 42 día 51 10 días 5 Pruebas día 52 día 55 4 días Comienzo Fin Duración N° Actividad 1 Tendido de fibra día 1 día 40 40 días 2 Empalmes y certificación día 26 día 40 15 días 3 Alimentación día 39 día 41 3 días 4 Montaje y configuración de equipos día 42 día 51 10 días 5 Pruebas día 52 día 55 4 días 1 Semana 1 2 3 4 5 6 Semana 2 Semana 3 Semana 4 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Δ Semana 5 Semana 6 Semana 7 Semana 8 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 ∇ Δ ∇ Δ Semana 9 Semana 10 Semana 11 Semana 12 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 ∇ Δ ∇ Δ ∇ Figura 4.4. Cronograma de ejecución de la implementación de la obra. Es importante destacar el hecho de que todos los días que aparecen en la figura 4.4, son días laborales y por eso las semanas aparecen de cinco días. CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 114 5.1 Conclusiones De la realización del diseño de la red de transporte de telecomunicaciones, a través de fibra óptica para la costa occidental del Lago de Maracaibo, se concluye lo siguiente: 1. La alta demanda de diversos servicios de telecomunicaciones en la zona estudiada y la pobre satisfacción de ésta por parte de otras empresas, justifica que la Corporación Multivisión implemente la red de transporte diseñada. Esta demanda se mantiene con un crecimiento sostenido de alrededor del 42% interanual, siendo los servicios más demandados, los de transporte, transmisión de datos y televisión por suscripción. 2. El trayecto completo (geográfico) de fibra óptica es de unos 134,3 km. Con 43,9 km entre Machiques y La Villa del Rosario, y 90,4 km entre La Villa del Rosario y Maracaibo. 3. Se seleccionaron los Nodos Ópticos Multiservicio, para esta red de topología lineal, de acuerdo a criterios establecidos por la empresa, tales como escalabilidad de la solución, el entrenamiento técnico que el fabricante del equipo pudiera dar al personal de Multivisión y la satisfacción del ancho de banda. Se seleccionó el equipo modelo ONS 15454 del fabricante Cisco, con la siguiente configuración: interfaces STM-1/4/16 de 12 puertos, módulos de CWDM en 1550 y 1570 nm, módulos de Fast Ethernet y Gigabit Ethernet a través de fibra y módulos eléctricos STM-1. Este equipo cumple con los requerimientos de potencia establecidos por el presupuesto de potencia óptica que se realizó tomando en cuenta las pérdidas en distintas etapas del trayecto. 4. Se seleccionó una fibra óptica monomodo, autosoportada, del fabricante CommScope con una atenuación de 0,25 dB/km en 1550 nm, una protección de doble cubierta y con todos los materiales internos dieléctricos. Se requieren en total 111,92 km de cable de fibra óptica de 24 hilos y 31,78 km de 36 hilos; esto se debe a consideraciones en la parte de las redes de acceso. 115 5. Se seleccionó el UPS de marca Tripp-Lite, modelo APS 3636VR por cumplir con los requerimientos establecidos por la empresa, referentes a potencia, tiempo de respaldo, garantías y otras características. 6. La disponibilidad mínima de la red es del 99,9927%, la cual representa una cantidad suficiente de acuerdo a estándares presentados por organismos de regulación nacional. 7. Con la elaboración del análisis de costos de producción del proyecto, Multivisión tendrá un estimado de cuánto será la inversión a realizar para poder implementar la red de transporte. En base a esto se realizarán los procedimientos necesarios para la obtención de financiamiento. 8. El cronograma de ejecución de la obra le permitirá a la Corporación conocer los tiempos de implementación del proyecto una vez que todas las condiciones estén dadas para comenzar. Se tomaron en cuenta actividades de tendido de la fibra, sus empalmes y certificaciones, alimentación eléctrica, montaje y configuración de equipos y pruebas. 9. La implementación de técnicas WDM para la red de transporte en su etapa inicial no es necesaria ya que en esta fase sólo se usará aproximadamente un tercio de la cantidad de hilos de la fibra. Si más adelante se necesitan transmitir más longitudes de onda por un mismo hilo de fibra, entonces se consideraría la utilización de DWDM. Esto sólo implicaría agregar un nuevo módulo al nodo óptico multiservicio sin que esto represente una inversión fuerte. 10. La obra del tendido de la fibra óptica debe realizarse tomando en cuenta todos los riesgos de trabajo que esto implica, desde la protección adecuada de los trabajadores hasta detalles como la obtención de sueros antiofídicos, entre otras cosas. Las cuadrillas de construcción deben estar al tanto de todos los riesgos y Multivisión debe suministrar todo el apoyo logístico necesario para evitar accidentes en los lugares de trabajo, ya que la Ley Orgánica de Prevención, Condiciones y Medio Ambiente de Trabajo (Lopcymat), así lo estipula. 116 5.2 Recomendaciones 1. Multivisión debe mantenerse al tanto del surgimiento de nuevas tecnologías en cuanto a técnicas y esquemas ópticos de transmisión que pudieran representar una disminución de los costos de operación de la red o aumentar la eficiencia de la misma (optimizar el uso del ancho de banda, por ejemplo). 2. En caso de que se deseen alargar las distancias a partir del extremo de Maracaibo o de Machiques, se debe considerar la necesidad de amplificación o preamplificación, teniendo muy en cuenta las especificaciones de los equipos involucrados en cuanto a problemas y penalizaciones por dispersión. 3. Para la parte de la red de acceso, se deberían usar técnicas de CDWM, ya que esto significaría un gran ahorro en cuanto al tendido de acceso metropolitano a través de FTTC (Fibra hasta la acera, Fiber to the curb) o FTTB (Fibra hasta el edificio, Fiber to the Building). 4. Se debe tener en cuenta, para la parte de la última milla, que la implementación de técnicas de SDV en las cabeceras de Multivisión ahorrarían ancho de banda para poder ofrecer otros servicios provenientes de la red de transporte, es decir, servicios que se generen en lugares remotos, pero que se traerían a los lugares necesarios, a través de la fibra de la red instalada. 5. Antes de concretar la negociación con algún proveedor de equipos ópticos, es muy recomendable buscar otras opciones de equipos que integren el nivel de transporte con el nivel de acceso, sin perder de vista la escalabilidad necesaria y que las necesidades actuales de ancho de banda deben ser satisfechas. 6. Luego de la implementación de la red de transporte, Multivisión debe explotar su capacidad actual de acceso por medio de redes PON (Redes Ópticas Pasivas, Passive Optical Network), utilizando CWDM, lo cual le permitirá captar nuevos clientes corporativos que requieran servicios dedicados. 117 7. Multivisión debe comenzar a estudiar con más profundidad la demanda de servicios telefónicos en la zona y sus implicaciones técnicas, ya que con la red implementada, es factible ofrecer servicios de VoIP. 8. Una vez que la red de transporte se ponga en marcha, se deben tener en cuenta los otros servicios mencionados en el punto 3.1 (Análisis de la Demanda), ya que esto representará un valor agregado para la Corporación. 9. En el largo plazo, dependiendo de múltiples factores de índole muy variada, Multivisión podrá buscar cerrar un anillo de fibra óptica alrededor del Lago de Maracaibo pasando por los Municipios Miranda, Santa Rita, Cabimas, Simón Bolívar, Lagunilla, etc. Esto le permitiría crear una redundancia física, en la que un corte de la fibra, no representará una caída del servicio, ya que el encaminamiento de los datos se realizaría por la otra ruta. Además representaría un incremento considerable en la cantidad de suscriptores. 118 Bibliografía [1] D. Raskin y D. Stoneback. Broadband Return Systems for Hybrid Fiber/Coax Cable TV Networks. Nueva Jersey: Prentice Hall, 1998. [2] J. M. Huidobro y D. Roldán. Integración de Voz y Datos. Call Centers: Tecnología y Aplicaciones. 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